基于低色散无网格声场仿真模型的舱内结构声学烦恼贡献度研究

Sound environment in airplane cabin is one of the essential factors which affect the riding comfort. Noise control by reducing the noise level has become harder and harder because of the restrictions in weight of plane, material cost and engineering techniques. Reducing the subjective annoyance through sound quality design is a new trend in the area of cabin noise control. This project aims to provide basis for the sound quality design. Firstly, a low dispersion meshless model is developed for calculating the sound field. This model combines the meshless methods and smoothing technique. The stiff matrix is adaptively reconstructed to reduce the dispersion in middle and low frequency range. Thus, the model has good accuracy for middle frequency where humans are more sensitive. Then, the structure acoustic annoyance contribution for evaluating the influence of structure to annoyance is presented. This parameter is capable of predicting and distinguishing the annoyance caused by the structure without subjective evaluating experiment. Lastly, the accuracy and applicability of structure acoustic annoyance contribution are verified. The studies in this project are capable of providing precise basis to structure design and improve the sound quality in cabin. Thus, the project is of great significance to build a low annoyance sound environment.

飞机舱内声环境是决定乘坐舒适性的主要因素之一。在传统降噪方式中，噪声级数值在已有基础上的进一步降低会变得代价越来越昂贵，通过声学设计建立低主观烦恼度的声环境为舱室降噪提供了新思路。本项目拟在数值仿真方法的基础上发展一种结构声学烦恼贡献度的概念及求解模型，旨在为舱内结构影响下的声品质设计提供依据。首先，发展一种面向声品质设计的低色散无网格声场仿真模型。该模型结合无网格法及梯度光滑技术理论，可在中低频的宽带范围内降低色散误差，对人耳更为敏感的中频段具有良好的仿真精度。然后，以声场仿真模型为基础，提出结构声学烦恼贡献度的概念及预测方法。此概念通过声场客观评价参量将声学响应与主观烦恼度相结合，可利用数值手段预测舱内结构对人主观烦恼感觉的贡献程度，而无需开展主观评价实验。本项目所形成的研究方法及结论可为舱内结构声学设计提供依据，有助于建立低烦恼度的舱室声环境，具有重要的理论意义及潜在的工程应用价值。

在飞机舱室的各项声学影响因素中，占据大量空间的舱内结构对声品质影响较大, 同时又是为数不多的可以允许进行设计改进的因素。研究这些舱内结构的声学特性并进而分析其对人的主观烦恼所带来的影响，对于舱室声品质设计以及建立低烦恼度舱室声环境具有十分重要的意义。为了利用数值手段分析舱内结构对主观听感烦恼的贡献程度，本项目发展了面向声品质设计的声场仿真方法，并以此为基础建立舱内结构声学烦恼贡献度的概念及求解模型。在研究周期内，项目课题组完成了研究任务书中所计划执行的所有研究任务，主要包括3项研究内容：第一，完成了面向舱室声品质设计的低色散无网格声场仿真模型研究，在此项研究中，首先完成了波动声学方法中刚度矩阵失真引起的中频段色散误差估计研究，然后以此为基础，完成了基于经典无网格法及梯度光滑技术的刚度矩阵自适应重组研究，最后建立了低色散无网格仿真模型并对其性能进行了分析验证研究。第二，完成了舱内结构声学烦恼贡献度预测模型研究，在此项研究中，首先完成了基于声场数值仿真模型的舱内结构与声学响应相关性研究，然后完成了客观声学参量与舱内烦恼度的对应关系研究，最后建立了舱内结构声学烦恼贡献度求解模型。第三，完成了舱内结构声学烦恼贡献度预测模型的实验验证研究，在此项研究中，以某舱室平台测试数据为基础，设计并完成了结构声学烦恼贡献度预测模型的验证实验，然后以此为基础完成了对结构声学烦恼贡献度模型的分析改进。在上述理论成果基础之上，项目研究期间，项目组成员共发表13篇论文，其中项目主持人以第一作者发表8篇论文，并合作发表5篇论文，其中5篇SCI检索论文。另外申请并授权发明专利2项，另外，以本项目研究成果为基础，主持人出版了1本专著。此研究所形成的方法及结论可准确且高效地为舱内结构以及舱室声品质设计提供依据，继而降低乘客主观烦恼感觉，为舱室降噪提供给新思路，具有重要的理论意义及潜在的工程应用价值。