CN107562993B - 一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法,包括建立可适用于任意边界条件的平板结构声传递损失的计算方程,设定各项已知参数;选择一个或多个结构低频隔声性能评价指标,并建立所选指标对应的计算方法,根据所选的指标设定平板结构的优化目标,如果步骤4所选指标多于1个,则设定各个指标的对应权重,选择优化算法,针对设定的已知参数、边界参数可调范围以及优化目标进行最优解搜索,以获得最优边界参数并形成平板结构。本发明可指导平板结构边界条件的优化设计,设计过程中利用优化算法的优势,快速搜索出边界条件最优解,从而实现平板结构的低频隔声性能最大化的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法。
背景技术
结构隔声降噪特性一直是建筑、机械等领域所关心的问题。为了有效评价结构的隔声性能,人们提出了结构隔声性能的“单值评价”指标。比如,ASTM组织提出的声传递等级“Sound Transmission Class”(STC),ISO国际化标准组织提出的计权声衰减指数“Weighted Sound Reduction Index”(Rw),以及我国建筑隔声评价标准中提出的“单值评价量”等。然而,上述单值评价指标对低频范围考虑不足,难以有效评价结构的低频隔声性能。为此,学者们最近又针对20-250Hz的低频区间,提出了结构低频隔声性能的单值评价方法,如“LFSTC”单值评价指标。该指标于2015年首次发表于英国《建筑与环境》杂志(“Lowfrequency sound insulation analysis and evaluation of stiffened buildingstructures”,Building and Environment,Vol.94(2),pp 802-809)。
平板结构是工程中最常见的结构之一,广泛应用于船舶与海洋工程、航空航天工程、土木建筑工程、车辆工程等结构中。众所周知,平板结构的边界安装条件对结构的低频隔声性能有重要影响,如果能通过边界条件的优化设计来实现平板结构低频隔声性能的提高,将对工程应用有重要意义,因为这样的设计只要求改变结构的边界条件,不需要改动平板的自身参数(如长、宽、厚、材料等等),既能保持平板结构的原有材料、尺寸和外观不受影响,又能有效提高其隔声性能。然而,目前还没有一种优化设计方法,能有效指导平板结构边界条件的优化设计,从而实现低频隔声性能的最大提升。
基于这样的背景,本发明致力于寻找一种更优的平板结构低频隔声性能优化设计方法,用于指导工程人员快速确定平板结构的最佳边界条件,从而实现平板结构的低频隔声性能最大化。该优化设计方法将综合运用平板结构声传递损失预测模型以及低频隔声性能评价方法,并引入优化算法的最优解搜索理论。
优化方法和技术已经是一种以数学为基础,用于求解各种工程问题优化解的应用技术。所谓优化算法,其实就是一种搜索过程和规则,它基于某种思想和机制,通过一定的途径或规则来得到满足用户要求的问题的近似最优解。就优化机制与行为而分,目前常用的优化算法主要可分为:经典算法、构造型算法、改进型算法、基于系统动态演化的算法和混合型算法等等。选择哪种优化算法作为工具并不是唯一的,各种算法都存在自身的优缺点。
本发明人利用了优化算法最优解搜索的思想,提出一种使用时并不限定具体哪种算法,应用时可以根据实际问题的特点和需要进行选择的平板结构低频隔声性能的优化设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法,以指导平板结构边界条件的优化设计,通过利用优化算法的优势可快速搜索出边界条件(边界参数)最优解,从而实现平板结构的低频隔声性能最大化的效果。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法,包括以下步骤:
步骤1、建立适用于任意边界条件的平板结构声传递损失的计算方程:
其中,TL表示平板结构声传递损失;
{δ}为节点位移矢量矩阵;
ω为自振角频率;
{P0}为入射声波矩阵;
{M}、{C}和{K}分别为平板结构的整体质量矩阵、阻尼矩阵和整体刚度矩阵;
{A1}和{A2}均为由边界配置法获得的方形矩阵,且分别由结构内、外表面所处流体的介质特性所决定,{A1}和{A2}的矩阵元素表示为:Ai(l,m)=ρiω2∫SG(xl,ξm)dS,(i=1,2),其中,ρ1、ρ2分别为结构内、外表面的流体密度,xl和ξm分别表示接收点l和源点m的位置,G为格林函数,S为单元面积;
步骤2、设定各项已知参数:包括入射声波、平板材料、阻尼因子、尺寸、厚度以及平板结构内、外表面的流体密度和流体中声速;
步骤3、设定边界参数的可调范围;
步骤4、选择一个或多个结构低频隔声性能评价指标,并建立所选指标对应的计算方法;
步骤5、根据步骤4所选的指标设定平板结构的优化目标,如果步骤4所选指标多于1个,则根据实际需要设定各个指标的对应权重;
步骤6、选择优化算法,并将步骤1的平板结构声传递损失的计算方程、步骤4所选的结构低频隔声性能评价指标及其计算方法,以及所选择的优化算法三者相结合,针对步骤2设定的已知参数、步骤3设定的边界参数可调范围以及步骤5设定的优化目标进行最优解搜索,以获得满足要求的最优边界参数;
步骤7、根据步骤6的最优边界参数形成平板结构。
优选的,所述{M}、{C}和{K}由有限单元法获得,具体如下:{M}由平板单元等效质量矩阵{Mp}e所组成,{K}由平板单元等效刚度矩阵{Kp}e和支撑边界单元等效刚度矩阵{Kb}e所组成,且:
{Mp}e=ρph∫∫{N}T{Hp}{N}dxdy,
{Kp}e=∫∫{Bp}T{Dp}{Bp}dxdy,
其中,ρp为平板材料密度,h为平板厚度,{N}为单元形函数矩阵,{Bp}为应变矩阵,{Dp}为抗弯刚度矩阵,{Hp}为关于h的对角矩阵函数矩阵,为单元边界轮廓Γb的单位法向量;ktb和krb为支撑边界的参数,分别代表结构支撑边界的横向刚度和转动刚度。
进一步的,所述的支撑边界的参数ktb和krb为复数、常数或位置函数;
当参数ktb和krb为复数时,其实部表示边界支撑的弹性特性,虚部表示边界支撑的阻尼特性,若模拟弹性边界支撑则虚部值取0。
进一步的,所述平板结构内、外表面流体类型是所有流体中的任意一种,且内、外表面的流体类型一样或不同。
优选的,所述结构低频隔声性能评价指标为LFSTCA或LFSTCO&N,指标的计算方法具体如下:
1)将步骤1的平板结构声传递损失的计算方程计算得到的1/3倍频程结构声传递损失数据绘制成一条频谱曲线;
2)在相同坐标比例下,根据步骤4所选择的结构低频隔声性能评价指标,绘制出相应的1/3倍频程基准曲线;
3)将基准曲线与声传递损失曲线的横坐标互相重合,纵坐标中基准曲线0dB与频谱曲线的一个整数坐标平齐;
4)将基准曲线向上移动,每步1dB,使得不利偏差之和不超过24dB且单个最大不利偏差不超过8dB;
5)基准曲线上250Hz对应的绘有声传递损失曲线的坐标值上纵坐标的整分贝数作为所选指标的计算结果。
优选的,所示选择的优化算法为遗传算法或复合形算法。
采用上述方案后,本发明具有以下优点:
1、结合平板结构声传递损失计算模型、低频隔声性能评价指标以及优化算法思想,可有效提高平板结构的低频隔声性能,指导平板结构的优化设计。
2、对于给定的平板结构,可以在不改变平板自身参数(如长、宽、厚、材料、外观等)的条件下,通过边界条件的优化设计,实现平板结构的低频隔声性能最大化。既能保持平板结构的原有材料、尺寸和外观不受影响,又能有效提高其隔声性能。
3、优化方法对平板结构内、外表面所处环境的流体类型没有限制,适用于一般空气中平板结构隔声性能的优化设计,也适用于液体中平板结构隔声性能的优化设计。
4、可指导任意边界条件下平板结构的低频隔声性能优化设计,更符合实际需要。
5、优化过程引入了低频隔声性能评价指标,能更有效衡量和提高平板结构的对低频噪声的隔绝能力,减小低频噪声对人体的干扰和危害。
6、结合优化算法的优势,可同时对多个低频隔声性能评价指标进行优化,更符合实际需要。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1为本发明一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法的流程图;
图2为本发明的平板结构的示意图;
图3为本发明平板结构的正视图;
图4为本发明中遗传算法流程示意图。
具体实施方式
如图1所示,本发明揭示一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法,下面通过两个实施例进行说明。
实施例一,具体优化步骤如下:
步骤1、建立可适用于任意边界条件的平板结构声传递损失的计算方程:
其中,TL为平板结构声传递损失,{δ}为节点位移矢量矩阵,ω为自振角频率。为全局转换矩阵,可将单元负载压力转换为等效节点力;为全局转换矩阵,可将节点位移转换为横向挠度;{P0}为作用于平板内表面的入射声波矩阵,{M}、{C}和{K}分别为平板结构的整体质量矩阵、阻尼矩阵和整体刚度矩阵,可由有限单元法获得,具体如下:{M}由平板单元等效质量矩阵{Mp}e所组成,{K}由平板单元等效刚度矩阵{Kp}e和支撑边界单元等效刚度矩阵{Kb}e所组成:
{Mp}e=ρph∫∫{N}T{Hp}{N}dxdy,
{Kp}e=∫∫{Bp}T{Dp}{Bp}dxdy,
其中,ρp为平板材料密度,h为平板厚度,{N}为单元形函数矩阵,{Bp}为应变矩阵,{Dp}为抗弯刚度矩阵,{Hp}为关于h的对角矩阵函数矩阵,为单元边界轮廓Γb的单位法向量;ktb和krb为支撑边界的参数,分别代表结构支撑边界的横向刚度和转动刚度。这些边界参数若为复数形式,其实部表示边界支撑的弹性特性,虚部表示边界支撑的阻尼特性,若模拟弹性边界支撑则虚部值取0;这些边界参数也可以是常数或位置函数,通过改变这些边界参数的形式可实现对任意边界条件的模拟,本发明涉及平板结构可参见图2和图3。
上述的{A1}和{A2}是由边界配置法获得的方形矩阵,分别由结构内、外表面所处流体的介质特性所决定,它们的矩阵元素可表示为:Ai(l,m)=ρiω2∫SG(xl,ξm)dS,(i=1,2),其中,ρ1、ρ2分别为结构内、外表面的流体密度,xl和ξm分别表示接收点l和源点m的位置,G为格林函数,S为单元面积。结构内、外表面的流体类型不限,可以是空气、水等任何流体。内、外表面的流体类型可以一样(比如两面都为空气)也可以不同(比如一面为空气、一面为水)
上述计算方程的各个参量可由入射声波、平板结构参数和流体介质参数推导获得,其中平板结构参数包括平板材料、尺寸、厚度、边界参数,流体介质参数包括结构内、外表面流体密度、流体中声速。如图2和3所示为平板结构以及其内、外表面流体介质。
步骤2、设定各项已知参数:包括入射声波,平板材料、阻尼因子、尺寸、厚度的平板参数,以及流体密度、流体中声速的平板结构内表面和外表面流体特性参数。本例中的入射声波为垂直入射声波(即入射声波入射方向与平板结构法向方向一致),其他具体参数值如下表1所示:
表1已知参数
步骤3、设定边界参数的可调范围,如下表2所示:
表2边界参数
步骤4、选择符合要求的结构低频隔声性能评价指标,并建立所选指标对应的计算方法。所选指标的个数不限,可以选一个也可以选多个。本例选择LFSTCO&N指标,该指标计算方法建立如下:(1)将步骤1的平板结构声传递损失的计算方程计算得到的1/3倍频程结构声传递损失数据绘制成一条频谱曲线(简称为“声传递损失曲线”)。(2)在相同坐标比例下,根据步骤4所选择的结构低频隔声性能评价指标,绘制出LFSTCO&N指标相应的1/3倍频程基准曲线,其中,LFSTCO&N指标对应的基准曲线的基准值见下表3。(3)将基准曲线与声传递损失曲线的横坐标互相重合,纵坐标中基准曲线0dB与频谱曲线的一个整数坐标平齐。(4)将基准曲线向上移动,每步1dB,直至不利偏差之和尽量的大,但不利偏差之和不超过24dB且单个最大不利偏差不超过8dB为止。(5)此时基准曲线上250Hz对应的绘有声传递损失曲线的坐标值上纵坐标的整分贝数,就是所选指标的计算结果。
表3指标的计算结果
步骤5、根据步骤4所选的指标,设定平板结构的优化目标。如果步骤4所选指标多于1个,则根据实际需要设定各个指标的对应权重。本例所选指标为LFSTCO&N指标,优化目标为:实现LFSTCO&N指标值最大化。优化目标所含指标个数为1,无需设定权重。
步骤6、选择符合要求的优化算法,并将步骤1的平板结构声传递损失的计算方程、步骤4所选的结构低频隔声性能评价指标及其计算方法,以及优化算法三者相结合,针对步骤2设定的已知参数、步骤3设定的边界参数可调范围以及步骤5设定的优化目标进行最优解搜索,以获得满足要求的最优边界参数。
具体使用哪种优化算法不做限制面,可根据实际需要进行选择,下面分别以遗传算法和复合形算法为例说明本发明设计方法的具体步骤:
A、采用遗传算法作为优化算法:
遗传算法包括选择、交叉、变异三个主要操作算子,该算法初始时随机产生N组解,每一组解叫一个个体,这多组解的集合叫做一个种群,然后计算每个个体的适应度,选择操作使适应度大的个体有较大的复制概率,能加快算法的收敛速度,交叉操作通过对两父代进行基因交换而产生更优的个体,变异操作则能给群体带来新的基因,避免陷入局部最优。通过这三个算子的操作,优化群体一代一代地不断进化,最终收敛于最优状态。遗传算法包括如下运算步骤:
a、初始化:选择一个群体,即选择一个串或个体的集合bi,i=1,2,...n,这个初始的群体也就是问题假设解的集合,通常以随机方法产生串或个体的集合bi,i=1,2,...n;问题的最优解将通过这些初始假设解进化而求出;
b、选择:根据适者生存原则选择下一代的个体,在选择时,以适应度为选择原则,适应度准则体现了适者生存,不适应者淘汰的自然法则,给出目标函数f,则f(bi)称为个体bi的适应度,适应度较高的个体,繁殖下一代的数目较多;适应度较小的个体,繁殖下一代的数目较少;甚至被淘汰,这样,就产生了对环境适应能力较强的后代,对于问题求解角度来讲,就是选择出和最优解较接近的中间解;
c、交叉:对于选中用于繁殖下一代的个体,随机地选择两个个体的相同位置,按交叉概率Pc在选中的位置实行交换,这个过程反映了随机信息交换,目的在于产生新的基因组合,也即产生新的个体,交叉时,可实行单点交叉或多点交叉,一般而言,交叉概率Pc取值为0.25—0.75;
d、变异:根据生物遗传中基因变异的原理,以变异概率Pm对某些个体的某些位执行变异,在变异时,对执行变异的串的对应位求反,即把1变为0,把0变为1,变异概率Pm与生物变异极小的情况一致,所以,Pm的取值较小,一般取0.01-0.2,单靠变异不能在求解中得到好处,但是,它能保证算法过程不会产生无法进化的单一群体,因为在所有的个体一样时,交叉是无法产生新的个体的,这时只能靠变异产生新的个体,也就是说,变异增加了全局优化的特质;
e、全局最优收敛:当最优个体的适应度达到给定的阈值,或者最优个体的适应度和群体适应度不再上升时,则算法的迭代过程收敛、算法结束;否则,用经过选择、交叉、变异所得到的新一代群体取代上一代群体,并返回到步骤b,即在选择处继续循环执行,图4表示了遗传算法的执行过程。
本发明利用遗传算法的进行优化设计具体包括如下步骤:
第一步、初始化控制参数:设置群体规模N,交叉概率Pc和变异概率Pm;
第二步、在变量设定范围内随机产生初始种群;
第三步、对现有群体进行如下操作:
①计算群体中每个个体的适应度f(xi),i=1,2,...,N;
②按照赌轮机制实施选择操作,适应度大的个体的被选择的概率
③随机选出两个个体xi和xj作为父代,按照概率Pc进行交叉操作,产生两个新的个体x′i和x′j,计算四个个体的适应度,选择其中最大的两个个体;
④对交叉后的个体以概率Pm进行变异操作,接收变异后的新解,如果满足收敛条件,则退出进化过程,否则转至(3)。
B、采用复合形算法作为优化算法:
本发明中复合形算法的具体步骤如下:
(1)初始化:选择一个集合Xk,其中k=1,2,...,r,r>n+1,n为优化问题的维数;
(3)若d≤ε,则输出X*=Xg,f*=f(X*)停止,否则继续步骤(4);
(5)若gi(X0)≤0(i=1,2,...,r),则Xb的值用X0代替,并转入步骤(2),否则进入步骤5.1;
(5.1)取η=η0,t=0;
(5.3)求f(X),若f(X)<f(Xb),则Xb用X代替,并进入步骤(2),否则进入步骤(6);
(7)令Xk=βXg+(1-β)Xk,(k=1,2,...,r),并转入步骤(2)。
本例选择了遗传优化算法,并将步骤1的平板结构声传递损失的计算方程、步骤4所选的结构低频隔声性能评价指标以及遗传优化算法三者相结合,针对步骤2设定的已知参数、步骤3设定的边界参数的可调范围以及步骤5设定的优化目标,经过最优解搜索后,得到如下表4所示的边界参数优化结果:
表4边界参数优化结果
步骤7、根据步骤6的最优边界参数形成平板结构。
实施例一设计效果:实施例一中根据上表所示的边界参数优化结果形成平板结构。其优化效果为LFSTCO&N=28dB,该结果比不经过优化,直接取边界条件可调范围的上限值和下限值时的平板结构的LFSTCO&N指标值,分别增加了17dB和7dB。
实施例二:
步骤1、建立可适用于任意边界条件的平板结构声传递损失的计算方程;
步骤2、设定各项已知参数,其中入射声波为垂直入射声波(即入射声波入射方向与平板结构法向方向一致),其他具体参数值如下表5所示:
表5已知参数
步骤3、设定边界参数的可调范围,如下表所示:
表6边界参数
步骤4、同时选择LFSTCA和LFSTCO&N指标,并建立这两个指标对应的计算方法;
步骤5、根据步骤4所选的指标,设定平板结构的优化目标为:同时实现所选LFSTCA和LFSTCO&N的指标值最大化。优化目标所含指标个数为2,设定二者权重一致,均为1。
步骤6、选择遗传优化算法,并将步骤1的平板结构声传递损失的计算方程、步骤4所选的结构低频隔声性能评价指标及其计算方法,以及遗传优化算法三者相结合,针对步骤2设定的已知参数、步骤3设定的边界参数可调范围以及步骤5设定的优化目标,经过最优解搜索后,得到如下表所示的边界参数优化结果:
步骤7、根据步骤6的最优边界参数形成平板结构。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文发明构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、建立适用于任意边界条件的平板结构声传递损失的计算方程:
其中,TL表示平板结构声传递损失;
{δ}为节点位移矢量矩阵;
ω为自振角频率;
{P0}为入射声波矩阵;
{M}、{C}和{K}分别为平板结构的整体质量矩阵、阻尼矩阵和整体刚度矩阵;
{A1}和{A2}均为由边界配置法获得的方形矩阵,且分别由结构内、外表面所处流体的介质特性所决定,{A1}和{A2}的矩阵元素表示为:其中,ρ1、ρ2分别为结构内、外表面的流体密度,xl和ξm分别表示接收点l和源点m的位置,G为格林函数,S为单元面积;
步骤2、设定各项已知参数:包括入射声波、平板材料、阻尼因子、尺寸、厚度以及平板结构内、外表面的流体密度和流体中声速;
步骤3、设定边界参数的可调范围;
步骤4、选择一个或多个结构低频隔声性能评价指标,并建立所选指标对应的计算方法;
步骤5、根据步骤4所选的指标设定平板结构的优化目标,如果步骤4所选指标多于1个,则设定各个指标的对应权重;
步骤6、选择优化算法,并将步骤1的平板结构声传递损失的计算方程、步骤4所选的结构低频隔声性能评价指标及其计算方法,以及所选择的优化算法三者相结合,针对步骤2设定的已知参数、步骤3设定的边界参数可调范围以及步骤5设定的优化目标进行最优解搜索,以获得满足要求的最优边界参数;
步骤7、根据步骤6的最优边界参数形成平板结构。
2.如权利要求1所述的一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法,其特征在于:所述{M}、{C}和{K}由有限单元法获得,具体如下:{M}由平板单元等效质量矩阵{Mp}e所组成,{K}由平板单元等效刚度矩阵{Kp}e和支撑边界单元等效刚度矩阵{Kb}e所组成,且:
{Mp}e=ρph∫∫{N}T{Hp}{N}dxdy,
{Kp}e=∫∫{Bp}T{Dp}{Bp}dxdy,
3.如权利要求2所述的一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法,其特征在于:所述的支撑边界的参数ktb和krb为复数、常数或位置函数;
当参数ktb和krb为复数时,其实部表示边界支撑的弹性特性,虚部表示边界支撑的阻尼特性,若模拟弹性边界支撑则虚部值取0。
4.如权利要求1所述的一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法,其特征在于:所述平板结构内、外表面流体类型是所有流体中的任意一种,且内、外表面的流体类型一样或不同。
5.如权利要求1所述的一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法,其特征在于:所述结构低频隔声性能评价指标为LFSTCA或LFSTCO&N,指标的计算方法具体如下:
1)将步骤1的平板结构声传递损失的计算方程计算得到的1/3倍频程结构声传递损失数据绘制成一条频谱曲线;
2)在相同坐标比例下,根据步骤4所选择的结构低频隔声性能评价指标,绘制出相应的1/3倍频程基准曲线;
3)将基准曲线与声传递损失曲线的横坐标互相重合,纵坐标中基准曲线0dB与频谱曲线的一个整数坐标平齐;
4)将基准曲线向上移动,每步1dB,使得不利偏差之和不超过24dB且单个最大不利偏差不超过8dB;
5)基准曲线上250Hz对应的绘有声传递损失曲线的坐标值上纵坐标的整分贝数作为所选指标的计算结果。
6.如权利要求1所述的一种提高低频隔声性能的平板结构优化设计方法,其特征在于:所述 选择的优化算法为遗传算法或复合形算法。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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