CN111339673B - 多尺度噪声仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多尺度噪声仿真分析方法，包括：通过Ffowcs Williams/Hawking方程在特定坐标系下对噪声分别进行量纲分析、渐进分析、统计分析和相关性分析，获得噪声表达式；对噪声表达式进行傅里叶变换，并结合格林函数改写噪声表达式，获得改写后噪声表达式；基于改写后的噪声表达式和噪声的物理过程进行噪声的物理建模，获得建模模型；分析建模模型中的各个参数，并基于建模模型计算出远场噪声的频谱函数。

Description

多尺度噪声仿真分析方法

技术领域

本发明涉及噪声仿真分析技术领域，特别是涉及一种多尺度噪声仿真分析方法。

背景技术

目前噪声仿真分析技术主要采用经验公式和数值模拟两种方法。尤其最近十年，国内流行通用商业声学软件进行宏观尺度下的数值模拟，数值模拟的算法如对于中低频段采用有限元和边界元法，对于中高频段采用统计能量法模拟。现有的通用商业软件采用的数值计算方法已经能够解决一部分部件级的噪声仿真问题，但未考虑微观尺度下的噪声问题，很难进行面向大型、复杂装备的系统级噪声仿真分析，主要有以下几个原因：

1)频率范围限制。传统商业软件采用的数值方法往往只能针对特定频率范围内的声学问题进行仿真分析，频率范围有限；而系统级声学仿真问题，由于各个部件的结构、材料、尺度不尽相同，往往噪声频率范围跨度很大，难以通过传统噪声软件进行仿真分析。

2)不能考虑介质分层和温度、密度等物理量的变化。传统噪声商业软件往往只是针对特定的物理现象进行仿真，采用的物理模型比较单一，无法充分考虑到介质分层和温度、密度等物理量变化对于噪声分析带来的影响。

3)不能考虑声源、声传播的相关性。传统噪声商业软件对于声源和声传播往往作为两个独立的过程进行处理和分析，不能充分考虑到声源与声传播的相关性，进一步削弱了仿真结果的可靠性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种适合全频域、多尺度的多尺度噪声仿真分析方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供一种多尺度噪声仿真分析方法，其特点在于，其包括以下步骤：

S1、通过Ffowcs Williams/Hawking方程在特定坐标系下对噪声分别进行量纲分析、渐进分析、统计分析和相关性分析，获得噪声表达式：

其中，Π(x，ω)为噪声功率谱密度、S(y)为积分面，x为远场坐标向量，y为近场或声源坐标向量，ω为角频率，ki为波数，ni为方向，G0为格林函数，

表示表面功率谱密度；

S2、对噪声表达式进行傅里叶变换，并结合格林函数改写噪声表达式，获得改写后噪声表达式：

其中x为远场坐标向量，y为近场或声源坐标向量，ω为角频率，ki为波数，ni为方向，G0为格林函数，l为声源参考尺寸，

表示表面功率谱密度。

S3、基于改写后的噪声表达式和噪声的物理过程进行噪声的物理建模，获得建模模型：

S4、分析建模模型中的环境介质相关函数

马赫数相关函数W(M)、球形扩散效用H(r)＝r^-2、传递放大效用Δ^-2、大气吸收效用

指向性函数

几何振幅函数A_G、流动幅值函数A_F、声源维度L_sB_s、多普勒频移函数f_d和频谱函数F(M，f_d)，并基于建模模型计算出远场噪声的频谱函数Π。

较佳地，利用公式计算指向性函数

公式如下：

其中，Bs为声源跨度长度，r²为从声源到远场噪声监测点位置的平方距离，ξ、ξ_i代表当地场向量以及分量坐标。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明方法跟其它方法比较，第一个强项是高精度。以飞机噪声为例，无论是机体噪声还是发动机噪声，其它数值模拟方法没有一个已经达到了工程应用的精度要求。这种状况的主要原因是飞机和发动机都非常复杂，没有一种数值方法能真正地包括所有细节和所有物理现象。再加上一般情况下计算的数值误差比要解的噪声量还大，导致不准确的结果。本发明方法把这两个因素都排除了，此方法并不试图包括所有的物理现象，而仅仅考虑对噪声的产生有关的现象，因此不存在模型不全或模型不够的问题。同样因为此方法直接模拟噪声量，计算程度量级也是噪声量的量级，因此不存在数值误差的问题。此方法的精度一般能达到工程设计和工程预测的要求，包括噪声量随设计参数的变化。在某些噪声应用中，精度能在实验测量的误差范围内。

第二个强项是其应用和计算的速度和周期。从应用周期来说，建立输入参数和所需要的其它信息一般是几天的量级。计算的速度在单一工况、单一PC的应用一般是几分钟的量级。因此，这种方法非常适用于工程应用，特别是多工况、多参数的工程应用。这在工程设计和工程优化中是经常需要的。

第三个强项是鲁棒性强和用途广。因为此方法是建立在正确的物理机制的模型上，其应用所受的限制很少。对声源的限制也是如此，无论是发动机气动还是振动噪声，本发明方法都能用来预测舱内噪声。对应用范围而言，此方法不但可以预测所关心的所有空间点的噪声，还可以用来进行声源分布的探测、噪声分量的分解等。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的多尺度噪声仿真分析方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供一种多尺度噪声仿真分析方法，其包括以下步骤：

步骤101、以气动声学和流动声学的基础理论为出发点，通过Ffowcs Williams/Hawking方程在特定坐标系下对噪声分别进行量纲分析、渐进分析、统计分析和相关性分析，获得噪声表达式：

其中，Π(x，ω)为噪声功率谱密度、S(y)为积分面，x为远场坐标向量，y为近场或声源坐标向量，ω为角频率，ki为波数，ni为方向，G0为格林函数，

表示表面功率谱密度。

步骤102、对噪声表达式进行傅里叶变换，并结合格林函数改写噪声表达式，获得改写后噪声表达式：

其中x为远场坐标向量，y为近场或声源坐标向量，ω为角频率，ki为波数，ni为方向，G0为格林函数，l为声源参考尺寸，

表示表面功率谱密度。

上式中格林函数的梯度有效地仅在与平行方向垂直的平面中具有两个分量方向，因为在该方向上的表面法线的不变性。因此这里采用适于维度分析的形式，以提取远场之间的函数依赖性噪音和各种参数。

步骤103、基于改写后的噪声表达式和噪声的物理过程进行噪声的物理建模，获得建模模型：

步骤104、分析建模模型中的环境介质相关函数

马赫数相关函数W(M)、球形扩散效用H(r)＝r^-2、传递放大效用Δ^-2、大气吸收效用

指向性函数

几何振幅函数A_G、流动幅值函数A_F、声源维度L_sB_s、多普勒频移函数f_d和频谱函数F(M，f_d)，并基于建模模型计算出远场噪声的频谱函数Π。

对于噪声指向性函数的模拟具有非常显着的特征，即类似于偶极辐射，指向性函数可以表示为：

上式中：D为指向性函数，Bs为声源跨度长度，η、η₁、η₂为方位角，κ为常数，ξ为指向性参数，G₀为建模函数。各项均可以表达为代数函数或者有理函数，所以既可以进行直接理论积分，也可以使用数值方法进行积分。但理论积分的表达式过于复杂冗长，所以在该方法中对其进行简化，通过简单的分析解析捕捉指向性的主要特征，可以得到较为简单形式的积分结果。

其中，Bs为声源跨度长度，r²为从声源到远场噪声监测点位置的平方距离，ξ、ξ_i代表当地场向量以及分量坐标。

本发明采用简单而有效的模型来描述复杂的物理现象，从而避免对复杂的物理现象进行全面的求解，这种方法在工程上很有效、实用。对工程应用，建立简单而有效的模型来描述所关心的具体物理机制自然地成为了工业界的最佳实践。

本发明方法跟其它方法比较，第一个强项是高精度。以飞机噪声为例，无论是机体噪声还是发动机噪声，其它数值模拟方法没有一个已经达到了工程应用的精度要求。这种状况的主要原因是飞机和发动机都非常复杂，没有一种数值方法能真正地包括所有细节和所有物理现象。再加上一般情况下计算的数值误差比要解的噪声量还大，导致不准确的结果。本发明方法把这两个因素都排除了，此方法并不试图包括所有的物理现象，而仅仅考虑对噪声的产生有关的现象，因此不存在模型不全或模型不够的问题。同样因为此方法直接模拟噪声量，计算程度量级也是噪声量的量级，因此不存在数值误差的问题。此方法的精度一般能达到工程设计和工程预测的要求，包括噪声量随设计参数的变化。在某些噪声应用中，精度能在实验测量的误差范围内。

第二个强项是其应用和计算的速度和周期。从应用周期来说，建立输入参数和所需要的其它信息一般是几天的量级。计算的速度在单一工况、单一PC的应用一般是几分钟的量级。因此，这种方法非常适用于工程应用，特别是多工况、多参数的工程应用。这在工程设计和工程优化中是经常需要的。

第三个强项是鲁棒性强和用途广。因为此方法是建立在正确的物理机制的模型上，其应用所受的限制很少。对声源的限制也是如此，无论是发动机气动还是振动噪声，本发明方法都能用来预测舱内噪声。对应用范围而言，此方法不但可以预测所关心的所有空间点的噪声，还可以用来进行声源分布的探测、噪声分量的分解等。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种多尺度噪声仿真分析方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、通过Ffowcs Williams/Hawking方程在特定坐标系下对噪声分别进行量纲分析、渐进分析、统计分析和相关性分析，获得噪声表达式：

其中，Π(x，ω)为噪声功率谱密度、S(y)为积分面，x为远场坐标向量，y为近场或声源坐标向量，ω为角频率，ki为波数，ni为方向，G0为格林函数，

表示表面功率谱密度；

S2、对噪声表达式进行傅里叶变换，并结合格林函数改写噪声表达式，获得改写后噪声表达式：

其中x为远场坐标向量，y为近场或声源坐标向量，ω为角频率，ki为波数，ni为方向，G0为格林函数，1为声源参考尺寸，

表示表面功率谱密度；

S3、基于改写后的噪声表达式和噪声的物理过程进行噪声的物理建模，获得建模模型：

S4、分析建模模型中的环境介质相关函数

马赫数相关函数W(M)、球形扩散效用H(r)＝r^-2、传递放大效用Δ³、大气吸收效用

指向性函数

几何振幅函数A_G、流动幅值函数A_F、声源维度L_sB_s、多普勒频移函数f_d和频谱函数F(M，f_d)，并基于建模模型计算出远场噪声的频谱函数Π。

2.如权利要求1所述的多尺度噪声仿真分析方法，其特征在于，利用公式计算指向性函数

公式如下：

其中，Bs为声源跨度长度，r²为从声源到远场噪声监测点位置的平方距离，ξ、ξ_i代表当地场向量以及分量坐标。

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