一种声学黑洞高频声学性能快速预测方法

本发明主要涉及高频域减振降噪，尤其涉及一种声学黑洞高频声学性能快速预测方法。

背景技术：

1、声学黑洞中振动的传递特性和聚散规律均证实了声学黑洞优异的宽频减振性能，且频率越高声学黑洞的减振性能越明显。即使存在一定制造偏差或损伤，声学黑洞也能实现其振动抑制效果。但是声学黑洞真正在应用时，由于其尺寸特征，在高频段满足不了sea子系统单位带宽模态数n大于5的精度要求，无法建立统计能量模型完成高频段预测。已有学者采用有限元(fe)、有限元-统计能量(fe-sea)混合法解决声学黑洞中低频问题，其高频预测问题是目前研究的热点。

2、公布号为“cn 110427717a”，名称为“一种多子系统变厚度平板的等效统计能量分析建模方法”的发明专利公开了一种多子系统变厚度平板的等效统计能量分析建模方法，所述方法包括：建立不同厚度子系统模型；计算各个不同厚度子系统所要满足统计能量分析的下限频率；提取各个不同厚度子系统的模态密度；将所有子系统的模态密度进行数值相加，得到等效模型的模态密度。该方法需要通过求解多个子系统的模态密度然后叠加为整体模态密度，不能解决声学黑洞厚度随函数变化模型的分析。且仅根据统计能量子系统的模态密度这一项特征参数来开展等效替换，未能覆盖建立统计能量子系统所需的主要参数。

3、公布号为“cn 106844906a”，名称为“基于有限元法和功率输入法的统计能量分析参数获取方法”的发明专利公开了一种基于有限元法和功率输入法的统计能量分析参数获取方法，所述方法包括：根据结构的几何模型建立其有限元模型；施加边界条件，对结构有限元模型进行模态分析，得到系统的模态、子系统的刚度矩阵和质量矩阵；通过功率流模型获得子系统的振动能量和系统的输入功率；利用功率输入法计算得到统计能量分析参数。该方法每计算一个模型都要经过大量的矩阵分析计算和能量转换，无法实现模型简化和声学性能快速预测。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中单纯的统计能量法不能进行声学黑洞建模分析以及有限元不适用于大型含有声学黑洞的复杂结构的高频段声振计算的问题。

2、本发明提出一种声学黑洞高频声学性能快速预测方法，包含以下步骤：

3、步骤1、选取所要研究的噪声峰值f1，根据区域厚度的变化规律设计声学黑洞模型，所述声学黑洞模型为中部设有凹槽的矩形薄板，初步设定声学黑洞模型的长宽以及凹槽参数，所述声学黑洞模型的长宽以及凹槽参数为声学黑洞模型的尺寸参数；

4、选定材料，并将该材料本身的材料参数：密度ρ1、泊松比和杨氏模量赋予声学黑洞模型；

5、对声学黑洞模型进行固有频率模态分析，得到1阶固有频率，将所述1阶固有频率与噪声峰值f1对比，若误差在设定的误差值内，则得到最终的声学黑洞模型并执行步骤2；若误差超过设定的误差值，则调整初步设定的声学黑洞模型的尺寸参数，再次进行声学黑洞模型的固有频率模态分析，直至误差小于等于设定的误差值，得到最终的声学黑洞模型并执行步骤2；

6、步骤2、在所述的最终的声学黑洞模型两侧各建立一个空气腔，一侧空气腔为激励端，另一侧空气腔为接收端，在激励端远离最终的声学黑洞模型部分设置一个厚度为d的激励板，将激励板、最终的声学黑洞模型以及两个空气腔构成的整体作为有限元分析模型；

7、在激励板上设置激励大小为z的振速，进行计算，得到接收端的声压级，绘制横坐标为频率，纵坐标为声压级的曲线图；

8、步骤3、对最终的声学黑洞模型进行区域划分后再进行迭代，将最终的声学黑洞模型沿直径横纵向各做均匀分割处理，

9、根据最终的声学黑洞模型的尺寸参数计算第一象限的模态密度n(f)；

10、根据划分后的最终的声学黑洞模型每一小格的厚度计算平板模型的厚度δe；内损耗因子公式为：

11、

12、式中，η为内损耗因子；dd结构耗散的热量；d0阻尼结构耗散的热量；ud结构的变形能；u0阻尼结构的变形能，将式(1)输入步骤2的有限元分析模型中，得到内损耗因子η；

13、将最终的声学黑洞模型等效为一个厚度为δe的平板模型，所述平板模型的长宽与最终的声学黑洞模型一致，所述平板模型的重量等于最终的声学黑洞模型的重量，根据最终的声学黑洞模型的密度ρ1、重量，计算得到平板模型的密度ρ2；

14、步骤4、将步骤2中的有限元分析模型中最终的声学黑洞模型替换为步骤3中的平板模型，得到平板子系统；

15、将步骤3中计算出的模态密度n(f)、厚度δe、内损耗因子η、平板模型的密度ρ2、平板模型的尺寸参数，代入平板子系统，振速z的大小与步骤2一致，进行计算，并绘制横坐标为频率，纵坐标为声压级的曲线图，

16、步骤5、将步骤4绘制的曲线图和步骤2绘制的曲线图进行对比验证；

17、对比步骤4绘制的曲线图和步骤2绘制的曲线图，频率在f3之后具有重合趋势，将步骤4绘制的曲线图中频率大于f3的部分，作为所述声学黑洞高频声学性能快速预测方法的结果。

18、进一步的，所述声学黑洞模型为长×宽是a×a中部设有凹槽的正方形薄板，所述声学黑洞模型的凹槽直径为b，最薄位置的厚度为c。

19、进一步的，所述根据区域厚度的变化规律设计声学黑洞模型的方法为根据公式h(x)＝εxm,m≥2设计声学黑洞模型的厚度变化区域，其中ε、m为声学黑洞设计系数。

20、进一步的，所述a、b、c、ε、m为声学黑洞模型的尺寸参数。

21、进一步的，所述步骤1中设定的误差值为5％。

22、进一步的，所述步骤3中将声学黑洞模型沿直径横纵向各做16段均匀分割处理，声学黑洞模型第一象限部分的模态密度公式为：

23、

24、式中，n(f)为模态密度，l是声学黑洞模型在x正半轴的投影，ε、m为声学黑洞模型的设计参数，与步骤1取值相同。

25、进一步的，所述平板模型的厚度计算公式为：

26、

27、式中，δe为平板模型厚度；δi为每个小格的平均厚度；ni为厚度是δi的小格个数。

28、进一步的，所述步骤3中最终的声学黑洞模型的重量是根据最终的声学黑洞模型的尺寸参数算出最终的声学黑洞的体积，再根据最终的声学黑洞模型的密度ρ1、以及密度、重量和体积公式计算得到的；再根据平板模型的长、宽及厚度算出平板模型的体积，平板模型的重量等于最终的声学黑洞的重量，最后根据密度、重量和体积公式计算得到平板模型的密度ρ2。

29、进一步的，进行计算的软件名称为vaone。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

31、1、解决声学黑洞尺寸特殊，在高频段内不能满足sea子系统单位带宽模态数大于5的建模要求，无法建立统计能量模型的问题。

32、2、利用数据驱动实现声学黑洞结构高频声学性能分析，打破声学黑洞仅能用fe和fe-sea建模时网格数量大、计算缓慢等局限性。

33、3、将大型带有声学黑洞的复杂结构简化为简单的声学黑洞模型进行有限元仿真计算，再将有限元计算出的一些声学黑洞性能赋予统计能量法中的平板子系统，减少了有限元运算所要花费的大量时间，降低了成本。