一种耦合声场的声学耦合方法技术

本发明专利技术公开了一种耦合声场的声学耦合方法，设置两耦合声场的耦合界面阻抗；选择每个声场的声压函数，依据变分方法确定每个声场的拉格朗日泛函；确定两个耦合声场的耦合能量；确定耦合声学空间耦合界面的耦合刚度矩阵和对应于每个声场的刚度矩阵和质量矩阵；根据两个声场的刚度矩阵和质量矩阵以及耦合刚度矩阵进行组合，确定耦合声场特性方程，得到耦合声场声学预报信息。本发明专利技术具有预测结果收敛快速、计算所需资源少的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于声学领域声学耦合分析方法，尤其涉及用于解决耦合声场声学特性问题的，一种耦合声场的声学耦合方法。
技术介绍
耦合空间是指由多个独立的声学系统通过开口联系而组成整体的空间形式，常见于一般建筑物，音乐厅和歌剧院等。因而，对耦合空间的声学特性研究具有重要的工程背景和研究意义。一般来说，对耦合空间声场的研究方法分为两类，即几何声学和波动声学。前者包括了统计声学模型，散射方程模型和计算几何声学，后者主要指模态叠加法。然而，几何声学中声沿直线传播的假设限制了此方法应用于高频计算和分析。应用以上方法，研究者们对耦合空间进行了广泛的研究。Picaut及其合作者(J.Picaut,L.Simon,and J.D.Ploack,A mathematical model of diffuse sound field based on a diffusion equation,Acust.ActaAcust.83(1997),614–621.)提出了用于三维空间声学分析的散射模型。Jing和Xiang(Y.Jing and N.Xiang,A modified diffusion equation for room-acoustic predication(L),J.Acoust.Soc.Am.121(2007),3284–3287.)提出了一个改进的散射模型来研究房间的声学特性问题。在此模型中，将散射方程中的Sabine系数替换为Eyring系数能得到更精确的结果。应用此模型，Xiang等[12]分析了由两个子房间构成的耦合房间声压分布问题，并通过实验进行了验证。通过模态展开法，Meissner(M.Meissner,Acoustic energy density distribution and sound intensity vector field inside coupled spaces,J.Acoust.Soc.Am.132(2012),228–238)研究了由两个矩形声场构成的耦合声场的稳态声能量分布及声强场特性。通过弱的声阻尼假设，由此方法可以得到解耦的微分方程，进而得到低频声压解。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种预测结果收敛快速的，耦合声场的声学耦合方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种耦合声场的声学耦合方法，包括以下几个步骤，步骤一：设置两耦合声场的耦合界面阻抗，两耦合声场为声场1和声场2，声场1和声场2通过耦合界面耦合；步骤二：选择每个声场的声压函数，依据变分方法确定每个声场的拉格朗日泛函；步骤三：确定两个耦合声场的耦合能量；步骤四：确定耦合声学空间耦合界面的耦合刚度矩阵和对应于每个声场的刚度矩阵和质量矩阵；步骤五：根据两个声场的刚度矩阵和质量矩阵以及耦合刚度矩阵进行组合，确定耦合声场特性方程，得到耦合声场声学预报信息。本专利技术一种耦合声场的声学耦合方法还可以包括：1、每个声场的拉格朗日泛函为：Ll＝Ul-Tl其中Ul和Tl分别为声场的势能和动能，下标l＝1和2，分别表示声场1和声场2。2、两个耦合声场的耦合能量为：Wc=-∫SΔpω2ρ0∂Δp∂ndS]]>其中ρ0为声场介质密度，ω为圆频率，S为耦合界面面积，n为耦合界面外法线方向，Δp为耦合界面上的总声压。3、耦合界面的耦合刚度矩阵的求取方法为：步骤一：在壁面阻抗为Zwall的耦合界面上建立边界条件方程：∂p∂n=-jωρ0pZwall]]>其中，n指示声场耦合壁面的法线方向；步骤二：确定耦合界面上质点振速为：un=-1jωρ0∂Δp∂n]]>其中p1所指方向为正，总声压为Δp＝(p1-p2)；步骤三：确定耦合界面能量：Wcoupling=-∫SΔpω2ρ0∂Δp∂ndS]]>步骤四：令耦合界面能量表达式对声场声压函数的归一化坐标Pl的导数等于零，得到耦合声场总体耦合刚度矩阵Kc。4、耦合声场特性方程为：(K100K2+Kc-ω2M100M2)P1P2=0]]>其中K1为声场1的刚度矩阵，M1为声场1的质量矩阵，P1为声场1的声压函数归一化坐标，分别K2为声场2的刚度矩阵，M2为声场2的质量矩阵，P2为声场2的声压函数归一化坐标，Kc为总体耦合刚度矩阵。有益效果：本专利技术基于能量变分方法，建立耦合声场计算模型，并通过选取合适的声压函数求得耦合声场声学特性方程，从而解决了对耦合声场声学特性的较难分析的问题。本专利技术的方法不需对模型提出额外假设，其物理意义清晰，处理过程简单，易于编程计算，输出结果精度较高且收敛速度快。与有限元方法相比，本专利技术方法无需划分任何网格并有着预测结果收敛快速，计算所需资源少等优点。附图说明图1是耦合声学空间示意图；图2为本专利技术的流程示意图；图3为耦合声场模型图；图4(a)为第2阶预报模态；图4(b)为第3阶预报模态；图4(c)为第4阶预报模态；图4(d)为第5阶预报模态；图4(e)为第2阶Ansys仿真模态；图4(f)为第3阶Ansys仿真模态；图4(g)为第4阶Ansys仿真模态；图4(h)为第5阶Ansys仿真模态；图5为L型耦合声学空间系统固有频率预报结果表。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术公开了一种可用于解决耦合声场声学特性分析难题的声学耦合技术方法。具体步骤是：提取声场空间的形状信息和边界条件信息；相邻的两声场通过耦合界面耦合,并提取对应耦合信息；通过能量变分方法得到耦合声场特性方程，并建立基于matlab的求解器；最后输出耦合声场固有频率和模态等预报声学特性信息。本专利技术方法不需对耦合结构提出额外假设，其物理意义清晰，处理过程简单，输出预报结果精度较高，且能够解决耦合声场中高频的声学问题。与传统有限元方法相比，在处理耦合声场问题时，本专利技术方法无需划分任何网格并有着预测结果收敛快速，计算所需资源少等优点。结合图1，本专利技术可以分为以下步骤：(1)设定耦合界面壁面阻抗，设相邻的两声场通过耦合界面耦合声波能可以没有损耗的完全穿过耦合区域。这一条件可以通过引入壁面阻抗的概念来实现。对于耦合界面，设其边界阻抗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耦合声场的声学耦合方法，其特征在于：包括以下几个步骤，步骤一：设置两耦合声场的耦合界面阻抗，两耦合声场为声场1和声场2，声场1和声场2通过耦合界面耦合；步骤二：选择每个声场的声压函数，依据变分方法确定每个声场的拉格朗日泛函；步骤三：确定两个耦合声场的耦合能量；步骤四：确定耦合声学空间耦合界面的耦合刚度矩阵和对应于每个声场的刚度矩阵和质量矩阵；步骤五：根据两个声场的刚度矩阵和质量矩阵以及耦合刚度矩阵进行组合，确定耦合声场特性方程，得到耦合声场声学预报信息。

【技术特征摘要】
1.一种耦合声场的声学耦合方法，其特征在于：包括以下几个步骤，
步骤一：设置两耦合声场的耦合界面阻抗，两耦合声场为声场1和声场2，声场1和声场2
通过耦合界面耦合；
步骤二：选择每个声场的声压函数，依据变分方法确定每个声场的拉格朗日泛函；
步骤三：确定两个耦合声场的耦合能量；
步骤四：确定耦合声学空间耦合界面的耦合刚度矩阵和对应于每个声场的刚度矩阵和质量矩
阵；
步骤五：根据两个声场的刚度矩阵和质量矩阵以及耦合刚度矩阵进行组合，确定耦合声场特
性方程，得到耦合声场声学预报信息。
2.根据权利要求1所述的一种耦合声场的声学耦合方法，其特征在于：所述的每个声场的
拉格朗日泛函为：
Ll＝Ul-Tl其中Ul和Tl分别为声场的势能和动能，下标l＝1和2，分别表示声场1和声场2。
3.根据权利要求1所述的一种耦合声场的声学耦合方法，其特征在于：所述的两个耦合声
场的耦合能量为：
Wc=-∫SΔpω2ρ0∂Δp∂ndS]]>其中ρ0为声场介质密度，ω为圆频率，S为耦合界面面积，n为耦合界面外法线方向，Δp为
耦合界面上的总声压。
4.根据权利要求1所述的一种耦合声场的声学耦合方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳国永，陈跃华，马相龙，石双霞，张春雨，刘志刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23