求解水下非圆弹性环声散射问题的一种半解析方法

基于传递矩阵法、齐次扩容精细积分法和复数矢径虚拟边界谱方法 ,提出了一种求解水下非圆弹性环声散射问题的半解析方法。该方法具有以下几个优点 :(1)采用复数矢径虚拟边界谱方法 ,不仅能保证在全波数域内Helmholtz外问题解的唯一性 ,而且由于虚拟源强密度函数采用 Fourier级数展开 ,克服了用单元离散解法不能用于较高频率范围的缺点 ;(2 )采用齐次扩容精细积分法求解非圆弹性环的状态微分方程 ,其计算结果具有很高的精度 ;(3)耦合方程不需要交错迭代求解 ,提高了计算效率。文中给出了两个典型非圆弹性环在平面声波激励下的声散射算例 ,计算结果表明本文方法是一种求解二维非圆弹性环声散射问题非常有效的半解析法。     

气动噪声预测中非紧致格林函数的数值计算方法

采用声模拟理论预测非紧致结构与非定常流动相互作用诱发的气动噪声时,为考虑边界对声场的散射影响,需要应用非紧致格林函数。为此,发展了一种基于边界元思想的非紧致格林函数数值计算方法,该方法适用于任意外形结构,能直接计算非紧致格林函数及其偏导数。以二维圆柱边界为算例,采用理论解析方法推导了非紧致格林函数及其偏导数的正确表达式,并将数值计算方法结果与理论解析方法结果相比较,验证了数值方法的正确性。     

大粗糙度起伏下一维海面声散射建模与分析

针对起伏海面高频声散射计算问题,提出了一种改进的基尔霍夫(Kirchhoff)近似方法。该方法考虑了海面的阴影区和亮区之间的多次散射声场,可对小入射角下大粗糙度起伏海面的散射声场进行计算。以一维余弦和高斯谱海面散射声场的有限元计算结果为标准解验证了所提方法的准确性和适用性。利用该方法计算了一维余弦海面的散射强度,分析了不同入射声波频率和角度下海面散射强度的分布情况,并解释了Bragg散射的产生机理,同时讨论了不同海面均方根高度和相关长度情况下高斯谱海面散射强度的变化规律。     

基于水平集的二维半空间声屏障优化设计

针对二维半空间声散射问题，采用水平集方法对声屏障截面进行优化设计。以Γ 型声屏障为例，给定水平集函数初始配置后，通过求解反应扩散方程来更新结构边界。目标函数设定为观测区域上声压的积分，并由伴随变量法计算出拓扑导数作为优化的梯度。声场与伴随场均采用边界元法进行求解，同时将半空间格林函数作为基本解，以模拟地面对声波的反射效果。在每次迭代中对零水平集基于结构面积进行过滤，仅保留主体部分作为声屏障的截面外形，实现基于拓扑优化的高效形状优化处理。数值算例给出过滤前后的优化结果，并利用商业软件COMSOL进行验证。     

半空间内二维圆柱声散射理论解析解

采用理论解析方法研究半空间内二维非紧致圆柱的声散射。齐次Helmholtz方程的解在柱坐标系内用自由空间格林函数的级数展开式表示。基于镜像源方法,利用刚性半空间边界反射圆柱散射声波来解决半空间边界和圆柱之间的多重散射。结合等效源原理,处理半空间边界质量型阻抗特性和刚度型阻抗特性对声传播的影响,推导单位强度简谐单极子点声源产生声场的理论表达式。总声场可以表示为四个分量的总和:入射声场、反射波以及圆柱和镜像圆柱的散射声场。采用边界积分方法对声散射进行计算,以验证理论公式的正确性。点声源模型的理论解析值与边界积分方法数值解在研究的波数和观察点角度范围内一致。     

基于CFD/CSD耦合的声气动弹性时域仿真

传统的声振环境,只考虑了给定声场环境下的结构响应分析,这个给定的声场孤立于结构本身,忽略了声场、结构、流体的耦合效应,因此声气动弹性耦合这种多力学场的研究具有重要意义.基于此,提出了一种基于CFD/CSD 耦合的声气动弹性数值仿真策略,相比传统的声振环境预示方法,该方法考虑了声载荷(脉动压力场)与结构的耦合关系.该文首先采用有限体积法离散Euler方程,对二维的NACA0012 翼型进行求解,来验证非定常气动力的准确性.然后通过CFD/CSD 耦合计算三维AGARD445.6 机翼的非定常气动力,在时域内推进结构运动方程,得到弹性响应的结构历程,记录每一时刻的气动载荷,并运用声气动弹性分析的思想对机翼表面的声压级进行计算,证实了声气动弹性分析方法的可行性.     

薄壳目标的多基地声散射特性研究

文章对水中薄壳目标的多基地声散射特性进行了理论仿真与试验测量研究。首先采用有限元耦合边界元和基尔霍夫(Kirchhoff)近似积分两种不同的数值计算方法对内部充气球冠圆柱壳的多基地声散射特性进行建模仿真,然后通过目标在消声水池的散射声场试验测量验证仿真结果的有效性。采用相同的数值计算方法对Benchmark模型的多基地散射声场进行仿真计算,分析多基地(全向)声散射特性及散射机理。结果表明,水中目标多基地散射的回波强度与回波结构与多基地分置角相关,且回波亮点的主瓣宽度也随多基地分置角变化而变化;Benchmark模型的艇体和指挥舱之间存在强烈的干涉作用,使多基地(全向)散射声场的竖状条纹发生倾斜。研究为水下目标的多基地探测提供理论支持。     

求解二维结构-声耦合问题的一种直接方法

本文基于传递矩阵法(TMM)和虚拟边界元法(VBEM)，提出了一种求解在谐激励作用下二维结构-声耦合问题的直接法。文中对任意形状的二维弹性环建立了一阶非齐次运动微分方程组，便于用齐次扩容精细积分法求解，对于含有任意形状孔穴的无穷域流体介质的Helmholtz外问题，采用复数形式的Burton-Miller型组合层势法建立了虚拟边界元方程，保证了声压在全波数域内存在唯一解。根据叠加原理并结合最小二乘法，提出了一种耦合方程的直接解法，由于该方法不存在迭代过程，因而具有较高的计算精度和效率。文中给出了二个典型弹性环在集中谐激励力作用下声辐射算例，计算结果表明本文方法较通常采用的混合FE／BE法更为有效。     

房间隔声的声辐射度模拟计算

为计算房间之间的空气声隔声,提出一种基于声辐射度的隔声计算模型。通过房间之间的声辐射度传递,模拟房间隔声中的声传播,建立房间的声辐射度系统方程。通过辐射度方程的数值求解实现隔声房间的声场模拟,由此计算获得房间之间的隔声量。通过房间隔声的实测对比验证该隔声计算模型的正确性。对于不同条件的房间隔声模拟表明,当房间中声场扩散度较高时该隔声模型与统计声学模型的结果符合良好;当房间中的声场偏离扩散场时,该模型仍可准确计算房间隔声量,因而具有广泛的适用性。     

考虑热松弛的热弹耦合二维问题的有限元法

为了解决利用积分变换方法在求解Lord-Shulman（L-S）型广义热弹性耦合二维问题时由于数值反变换所引起的计算精度降低的问题,该文采用新近被应用的直接有限元方法,求解了基于L-S型广义热弹性理论的半无限大体受热冲击作用的动态响应问题,结果表明,该方法对求解L-S型广义热弹性耦合二维问题具有很高的精度。该文给出了L...     

行波型热声发动机的数值模拟实验

首次采用有限元法(FEM),对行波型热声发动机实验系统进行了数值模拟,以线性热声理论作为计算模型,且与实验系统具有相同的几何结构和运行工况,同时采用有限元方法中的加权余量法对计算模型进行求解,通过自主编写的MATLAB计算程序,对热声系统进行一系列的迭代计算,计算结果成功观测到了行波型热声发动机系统内复杂的声场分布特性和流场特性。计算结果与实验结果的对比验证了有限元方法对行波型热声发动机模拟的有效性。     

非入射方向水下弹性目标声散射特性

本文介绍了非入射方向,水下有限长弹性圆柱目标声散射问题的求解方法。该方法假设有限长柱为具有同样半径无限长柱的一部分,通过一定的近似,推导出了在声波非入射方向,水下有限长弹性柱的声散射波形函数,并与Stanton的柱方法进行了比较,验证了该方法的正确性。通过数值仿真实验,给出了有限长弹性柱的目标强度随频率和分置角的变化关系曲线。     

基于快速多极子基本解方法(FMM-MFS)的弹性波二维散射模拟研究

针对弹性波二维散射问题,发展一种新的快速多极子基本解方法（FMM-MFS）。方法基于单层位势理论,通过在虚边界上设置膨胀波线源和剪切波线源以构造散射波场,从而避免了奇异性的处理和边界单元离散;结合快速多极子展开技术（FMM）,大幅度降低了计算量和存储量,突破了传统方法难以处理大规模散射问题的瓶颈。以全空间孔洞对P、SV波的二维散射为例,给出了具体求解步骤,并在个人计算机上实现了上百万自由度问题的快速精确计算。在方法效率和精度检验基础上,分别以单孔洞和随机孔洞群对平面波（P、SV波）的散射为例进行计算模拟,揭示了孔洞（群）周围弹性波散射的若干重要规律。     

双层介质声传播问题的标准解及有限元解

文章通过双层介质中的声传播问题,研究了有限元方法在水下声场计算中的应用。基于传统的Galerkin方法推导出水下声场的有限元方程,采用四节点四边形单元离散求解物理域,可选择辐射边界条件、DtN (Dirichletto Neumann)非局部算子、完美匹配层来处理出射声场,得到有限元解。为了验证该有限元模型,需要高精度的参考解。水平不变均匀介质中的声传播问题存在解析解,但双层介质问题不存在解析解。因此,对于双层介质声传播问题,使用波数积分法推导出标准解。分别考虑了有限深度和无限深度双层介质两种情况,并进行了数值模拟。数值结果表明,文章所提的有限元模型与参考解非常吻合。此外,还发现当某号简正波的本征值非常接近割线时,简正波模型KRAKEN难以准确计算该号简正波的本征值,从而声场计算结果存在明显误差;但是有限元方法不需要计算本征值,所以当KRAKEN模型出现此类问题时,有限元方法仍能给出准确的声场计算结果,表明有限元方法在普适性方面优于简正波方法。     

一种颗粒系超声衰减谱的改进计算方法

Epstein和Carhart,Allegra和Hawley先后研究建立起的超声谱颗粒粒径测量的经典理论模型——ECAH,针对直接求解ECAH理论模型预测颗粒两相系中物理量声衰减系数时出现的困难,通过构造与Bessel（Hankel）函数有关的新变量,改造原有系数矩阵,降低矩阵的条件数,避免了数值溢出问题,拓展该模型的计算范围至频率100MHz和毫米级颗粒,通过与BLBL（Bouguer-Lambert-Beer-Law）散射方法的比较验证了文中提出的改进方法的有效性。     

弹性波二维散射快速多极子间接边界元法求解

求解方程的稠密矩阵特征极大削弱了传统边界元法在求解大规模实际工程问题中的优势。为此,结合快速多极子展开技术,发展一种新的高精度快速间接边界元方法,用于求解大尺度或高频弹性波二维散射问题。以全空间孔洞周围SH波散射为例,给出了具体求解步骤。算例分析表明该方法具有很高的计算精度和求解效率,同时能够大幅度降低计算存储量,可在目前主流计算机上实现上百万自由度弹性波散射问题的快速求解。最后以半空间中凹陷场地对SH波的高频散射为例,讨论了凹陷周围高频波散射的基本特征,可为峡谷地形中大型工程抗震设计提供部分理论依据。     

层状饱和半空间中沉积谷地对斜入射平面P1波的三维散射

在作者给出层状饱和场地三维精确动力刚度矩阵和层状饱和半空间中移动荷载动力格林函数基础上,采用间接边界元方法在频域内求解了层状流体饱和场地中沉积谷地对斜入射平面P1波的三维散射问题。该方法的特点在于虚拟移动均布荷载和斜线孔隙水压可以直接施加在沉积与层状饱和半空间交界面而不存在奇异性。该文通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀饱和半空间和弹性基岩上单一饱和土层中沉积谷地为例进行了数值计算分析。研究表明,沉积谷地对平面P1波的三维散射与二维散射之间存在本质差别,入射角度、孔隙率、饱和土层刚度和饱和土层厚度等参数对沉积谷地附近动力响应有着显著影响。     

声子晶体弹性波带隙理论计算及实验研究

声子晶体是一种具有弹性波带隙的新型结构功能材料。本文在详细介绍声子晶体弹性波带隙计算方法——平面波展开法的基础上,采用该方法计算了一维金属／丁腈橡胶杆状结构声子晶体及二维空气中正方形排列的钢管阵列声子晶体的弹性波带隙并进行了实验验证。实验结果同理论计算结果吻合较好。     

充水透声结构声目标强度预报方法研究

充水透声结构是水下航行体重要的结构类型之一,主动声呐作用于目标时,声波可以透射充水透声结构外表面进入结构内部,在充水透声壳体结构内表面产生内部散射,从而影响目标的目标强度。文章提出了一种适用于透声结构目标强度预报的考虑透声的修正板块元方法,此方法假设散射声场近似为内表面板块散射声场和与之对应的外表面板块散射声场叠加,基于Z-Buffer算法确定充水透声结构的外、内表面板块之间的透射遮挡对,再考虑外表面板块的反射和透射系数、内表面的反射系数,采用非刚性表面板块元方法对两部分声场进行分别计算,相干叠加后预报总目标强度。此方法考虑了充水透射结构内表面的一次散射,物理概念清晰,提高了板块元方法预报精度。通过双层平板算例验证方法的正确性,并将此方法应用于BeTSSi Ⅱ潜艇模型中的典型透声结构——围壳部分的目标强度仿真计算,最后通过围壳缩比模型目标强度水池试验,验证了提出的方法预报精度。     

封闭弹性长方体与柱状体连接结构的辐射声场分析

建立了以机械方式连接的封闭弹性长方体与弹性圆柱体的外辐射声场模型。通过在弹性板和壳的四周以及两弹性结构连接点之间施加假想的弹簧系统模拟不同的边界条件和连接条件,利用汉密尔顿函数和瑞利-李兹方法,推导出了腔体外辐射声场的解析解。该模型充分考虑了弹性结构之间的振动耦合以及弹性结构与腔体内声场之间的耦合。通过算例表明,弹性结构的辐射声场主要由其中的直接受力件的辐射声场所决定;弹性结构连接点处线弹簧的刚度变化对辐射声场的影响较旋转弹簧大。同时,运用有限元法计算两个腔体内的声模态和弹性结构的振动模态,及其耦合系数,结合边界元法计算出腔体外的声压响应,并将此数值仿真结果与前面导出的解析结果进行比较,验证理论推导的正确性。