伴流声场问题计算的半解析方法及其应用研究

伴流声场是工程中常见的问题，噪声在流动介质中传播及衰减特性的计算与分析是声学设计和噪声控制的基础和前提。数值方法（有限元法和边界元法）是求解伴流声场问题的有效方法，但是对于大型结构的中高频计算，离散化单元和节点数量庞大，对计算机内存和计算量要求非常高，以致于无法胜任。本课题旨在开发一种适用于计算伴流声场问题的半解析方法，并将其应用于大功率柴油机和燃气轮机进排气消声系统声学特性计算和分析。主要研究内容包括：管道消声结构横向本征值及本征向量求解方法，基于模态匹配技术的半解析方法，半解析方法与数值方法的耦合技术，实验验证方法，以及工程应用等。本项目所发展的方法不仅能够考虑介质流动和声阻尼效应，而且适用于含有穿孔元件和吸声材料的消声结构声学性能的计算和分析。

内燃机和燃气轮机等装置的进排气系统在输运气体的同时，还伴随着噪声在流动介质中传播及衰减，从而形成了伴流声场问题。声学特性计算与分析是噪声控制设计的基础和前提，开展伴流声场问题计算方法研究具有重要的理论意义和工程应用价值。有限元法和边界元法是求解伴流声场问题的有效方法，但是对于大型结构的中高频计算，离散化单元和节点数量庞大，对计算机内存和计算量要求非常高，以致于无法胜任。本课题成功地开发了一种适用于计算伴流声场问题的半解析方法——数值模态匹配法。鉴于半解析方法和数值方法各自的优点和适用性，本课题还开展了半解析方法和数值方法的耦合技术用于计算大型复杂结构的声学特性，具体思想是：将复杂结构划分成一些子结构，对于等截面子结构使用半解析方法，对于非规则子结构则使用数值方法（有限元法或边界元法），求出所有子结构进出口截面上节点间的阻抗矩阵，然后利用交界面上的连续性条件将各个子结构连续起来，从而计算得到声学性能参数。这种方法大大降低了对计算机内存的要求，节省了计算时间，提高了计算效率。此外，本项目所发展的方法不仅能够考虑介质流动和声阻尼效应，而且适用于含穿孔元件和吸声材料的消声结构声学性能计算和分析。为验证本文方法的有效性，开展了均匀流状态下进出口管道内为非平面波时消声器传递损失测量方法研究，采用分隔板（管）法有效扩展了测量频率范围。作为工程应用，将半解析—数值耦合方法应用于计算和分析柴油机和燃气轮机进排气消声装置的声学性能。