CN112163339B - 用于计算弹性闭孔材料隔声性能的方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种用于计算弹性闭孔材料隔声性能的方法、系统及存储介质，通过测定弹性闭孔材料的物理性能参数与实验环境参数；在弹性闭孔材料的外部，根据声场方程写出声速场与声压场的表达式；在弹性闭孔材料的内部，根据Biot孔隙弹性理论分别写出固相、流动相的位移场与应力场的表达式；在边界层上将声速场与位移场、声压场与应力场分别对应联立，获得不同频率下的隔声量。本发明解决了弹性闭孔材料隔声性能的预测问题，将弹性闭孔材料隔声系数与材料参数的关系概括到一个模型方程中，只需要将材料参数与不同频率代入即可计算出不同频率下弹性闭孔材料的隔声性能，具有较好的预测准确性，对弹性闭孔材料在隔声领域的应用有重要的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及弹性闭孔材料隔声技术领域，具体涉及一种用于计算弹性闭孔材料隔声性能的方法、系统及存储介质。
背景技术
弹性闭孔材料作为一种轻质隔声材料得到了广泛的应用。然而，要准确预测弹性闭孔材料的隔声性能是很困难的。对于弹性闭孔材料隔声性能的预测通常采用等效模型的方法，即把弹性闭孔材料等效为单层实心材料或者多层复合结构，但是对应的等效参数只凭经验取值，很难准确获取，而且由于材料存在共振吸声的特征，使得这种预测方法准确度很低。
发明内容
本发明提出的一种用于计算弹性闭孔材料隔声性能的方法、系统及存储介质，可解决上述背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种用于计算弹性闭孔材料隔声性能的方法，包括以下步骤：
测定弹性闭孔材料的物理性能参数与实验环境参数；
对于弹性闭孔材料的外部，根据声场方程确定声速场与声压场的表达式；
对于弹性闭孔材料的内部，根据Biot理论分别确定固相、流动相的位移场、应力场的表达式；
在材料表面设立边界条件，将声速场与位移场、声压场与应力场分别对应联立，获得不同频率下的隔声量。
进一步的，弹性闭孔材料外部的声速表示为：
弹性闭孔材料外部的声压表示为：
式中，IR、IT为反射、透射声振幅，ω为角频率，kx、ky为表面平行方向与法方向上的波数。
进一步的，弹性闭孔材料内部的两相位移场表示为：
式中，
ρa＝hρ0(ε’-1),P＝A+2N,N＝E1/2(1+υ)
A＝υE1/(1+υ)(1-2υ),E1＝Em(1+iη),Q＝(1-h)E2,R＝hE2其中，k1、k2、kt为慢、快纵波与横波的波数，k1y、k2y、kty为其法向分量，ρa为固相与流动相的耦合密度；
E2为流动相的体变模量，b为两相的粘滞耦合因数，在孔隙为圆柱体结构的情况下，有：
式中，i为虚数单位，J1(x)和J0(x)分别是一阶和零阶的第一类贝塞尔函数。
进一步的，弹性闭孔材料内部的两相应力场表示为：
进一步的，根据边界条件，在弹性闭孔材料表面上满足以下关系：
(5)
(6)
(7)
(8)
通过联立边界条件，求解方程组，求得透射声振幅IT，因此隔声量有：
STL＝10log(1/τ)＝10log(|II|2/|IT|2)＝10log(1/|IT|2)。
另一方面，本发明还公开一种用于计算弹性闭孔材料隔声性能的系统，包括以下单元，
参数测定单元，用于测定弹性闭孔材料的物理性能参数与实验环境参数；
表达式确定单元，用于对于弹性闭孔材料的外部，根据声场方程确定声速场与声压场的表达式；还用于对于弹性闭孔材料的内部，根据Biot理论分别确定固相、流动相的位移场、应力场的表达式；
隔声量确定单元，用于在材料表面设立边界条件，将声速场与位移场、声压场与应力场分别对应联立，获得不同频率下的隔声量。
第三方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
由上述技术方案可知，本发明的用于计算弹性闭孔材料隔声性能的方法，针对现有理论模型的欠缺，建立一种用于计算弹性闭孔材料隔声性能的理论模型，该方法的方案如下：测定弹性闭孔材料的物理性能参数与实验环境参数；在弹性闭孔材料的外部，根据声场方程写出声速场与声压场的表达式；在弹性闭孔材料的内部，根据Biot孔隙弹性理论分别写出固相、流动相的位移场与应力场的表达式；在边界层上将声速场与位移场、声压场与应力场分别对应联立，获得不同频率下的隔声量。
本发明解决了弹性闭孔材料隔声性能的预测问题，将弹性闭孔材料隔声系数与材料参数的关系概括到一个模型方程中，只需要将材料参数与不同频率代入即可计算出不同频率下弹性闭孔材料的隔声性能，具有较好的预测准确性，对弹性闭孔材料在隔声领域的应用有重要的指导意义。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
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。
如图1所示，本实施例所述的用于计算弹性闭孔材料隔声性能的方法，包括以下步骤：
测定弹性闭孔材料的物理性能参数与实验环境参数；
对于弹性闭孔材料的外部，根据声场方程写出声速场与声压场的表达式；
对于弹性闭孔材料的内部，根据Biot理论分别写出固相、流动相的位移场、应力场的表达式；
在材料表面设立边界条件，将声速场与位移场、声压场与应力场分别对应联立，获得不同频率下的隔声量。
以下举例具体说明：
本发明具体实施方式中的弹性闭孔材料物理参数见下表：
本发明具体实施方式中的实验环境参数见下表：
根据声场方程，弹性闭孔材料外部的声速和声压可以表示为：
式中，IR、IT为反射、透射声振幅，ω为角频率，kx、ky为表面平行方向与法方向上的波数。
根据声场方程，弹性闭孔材料内部的两相位移场可以表示为：
根据声场方程，弹性闭孔材料内部的两相应力场可以表示为：
在以上各式中：
ρa＝hρ0(ε’-1),P＝A+2N,N＝E1/2(1+υ)
A＝υE1/(1+υ)(1-2υ),E1＝Em(1+iη),Q＝(1-h)E2,R＝hE2
式中，k1、k2、kt为慢、快纵波与横波的波数，k1y、k2y、kty为其法向分量，ρa为固相与流动相的耦合密度。E2为流动相的体变模量，b为两相的粘滞耦合因数，在孔隙为圆柱体结构的情况下，有：
式中，i为虚数单位，J1(x)和J0(x)分别是一阶和零阶的第一类贝塞尔函数。
根据边界条件，在弹性闭孔材料表面上满足以下关系：
(1)(2)/>(3)/>
(4)
通过联立边界条件，求解方程组，求得透射声振幅IT，因此隔声量有：
STL＝10log(1/τ)＝10log(|II|2/|IT|2)＝10log(1/|IT|2)。
模型计算得到的弹性闭孔材料的隔声性能如下表所示：
由上可知，根据本实施例提供的弹性闭孔材料隔声性能计算方法，当声波作用到弹性闭孔材料时，由于闭孔结构的存在使得声波在材料内传播过程发生多次反射、折射和衍射，使得透射声能大大降低，隔声性能明显提高，这一过程涉及到弹性闭孔材料的物理参数。为了建立统一的理论模型来解决不同材料参数弹性闭孔材料隔声性能的预测问题，本发明将弹性闭孔材料隔声量与材料参数的关系概括到单一的模型方程中，只需要将材料参数与不同频率代入即可计算出不同频率下弹性闭孔材料的隔声性能，大大简化了计算的时间和空间复杂度，能够实现弹性闭孔材料隔声性能的准确预测，对弹性闭孔材料在降噪领域的应用有重要意义。
另一方面，本发明实施例还公开一种用于计算弹性闭孔材料隔声性能的系统，包括以下单元，
参数测定单元，用于测定弹性闭孔材料的物理性能参数与实验环境参数；
表达式确定单元，用于对于弹性闭孔材料的外部，根据声场方程确定声速场与声压场的表达式；还用于对于弹性闭孔材料的内部，根据Biot理论分别确定固相、流动相的位移场、应力场的表达式；
隔声量确定单元，用于在材料表面设立边界条件，将声速场与位移场、声压场与应力场分别对应联立，获得不同频率下的隔声量。
第三方面，本发明实施例还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种用于计算弹性闭孔材料隔声性能的方法，其特征在于：
包括以下步骤：
测定弹性闭孔材料的物理性能参数与实验环境参数；
对于弹性闭孔材料的外部，根据声场方程确定声速场与声压场的表达式；
对于弹性闭孔材料的内部，根据Biot理论分别确定固相、流动相的位移场、应力场的表达式；
在材料表面设立边界条件，将声速场与位移场、声压场与应力场分别对应联立，获得不同频率下的隔声量；
弹性闭孔材料外部的声速表示为：
弹性闭孔材料外部的声压表示为：
式中，IT、IT为反射、透射声振幅，ω为角频率，kx、ky为表面平行方向与法方向上的波数；
弹性闭孔材料内部的两相位移场表示为：
式中，
ρa＝hρ0(ε’-1),P＝A+2N,N＝E1/2(1+υ)
A＝υE1/(1+v)(1-2υ),E1＝Em(1+iη),Q＝(1-h)E2,
R＝hE2
其中，k1、k2、kt为慢、快纵波与横波的波数，k1y、k2y、kty为其法向分量，ρa为固相与流动相的耦合密度；
E2为流动相的体变模量，b为两相的粘滞耦合因数，在孔隙为圆柱体结构的情况下，有：
式中，i为虚数单位，J1(x)和J0(x)分别是一阶和零阶的第一类贝塞尔函数；
弹性闭孔材料内部的两相应力场表示为：
根据边界条件，在弹性闭孔材料表面上满足以下关系：
(1)
(2)
(3)
(4)
通过联立边界条件，求解方程组，求得透射声振幅IT，因此隔声量有：
STL＝10log(1/τ)＝10log(|II|2/|IT|2)＝10log(1/|IT|2)。
2.根据权利要求1所述的一种用于计算弹性闭孔材料隔声性能的方法所采用的系统，其特征在于：包括以下单元，
参数测定单元，用于测定弹性闭孔材料的物理性能参数与实验环境参数；
表达式确定单元，用于对于弹性闭孔材料的外部，根据声场方程确定声速场与声压场的表达式；还用于对于弹性闭孔材料的内部，根据Biot理论分别确定固相、流动相的位移场、应力场的表达式；
隔声量确定单元，用于在材料表面设立边界条件，将声速场与位移场、声压场与应力场分别对应联立，获得不同频率下的隔声量。
3.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1所述方法的步骤。
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