[发明专利]一种结构-声耦合系统的等效电路模型

说明书

技术领域

本发明涉及结构-声耦合系统的等效电路模型，属于声学工程技术领域。

背景技术

由弹性板类结构的振动而引起的声辐射问题一直是相关声学工程领域的重要研究课题。弹性板封闭腔体结构广泛应用于实际工程领域，如车辆、船舶、飞机的乘坐舱室等，其弹性板类结构的声辐射是舱室内的主要噪声源之一。随着对乘坐舒适性要求的不断提高，舱室内噪声控制和声学设计越来越引起人们的重视，而对舱室结构-声耦合特性的研究是进行噪声控制和声学设计的关键。针对这一问题，1999年Kim等人在前人研究的基础上用阻抗和导纳方法分析了结构-声耦合问题，但其提出的理论模型不直观，不方便对系统耦合特性以及影响系统耦合程度的因素作具体研究。国内的靳国永等将空腔结构-声耦合系统模拟成控制理论中的反馈与前馈系统对其耦合特性进行了分析，但模型中各要素的物理意义不甚明确，且无法通过该模拟计算耦合后弹性板和声腔的固有频率等关键参数，这在一定程度上限制该模型的应用。

发明内容

针对上述结构-声耦合分析方法和模型存在的问题，本发明提出一种方便直观、物理意义明确、应用范围广泛的结构-声耦合系统等效电路模型。

为达到上述目的，本发明所涉及的一种结构-声耦合系统的等效电路模型，由耦合声腔子系统和耦合弹性板子系统组成，耦合声腔子系统由广义源激励和可调并联电路组成，其中广义源激励以相互并联的恒流源表示，可调并联电路由两条支路组成，一条支路是阻值为未耦合声模态阻抗的固定电阻，另一条支路是阻值为耦合声模态阻抗的可调电阻；耦合弹性板子系统由广义力激励和可调并联电路组成，其中广义力激励以相互串联的恒压源表示，可调并联电路由两条支路组成，一条支路是阻值为未耦合结构模态导纳的固定电阻，另一条支路为阻值为耦合结构模态导纳的可调电阻，声腔内声压响应表示为并联电阻的端电压，而弹性板结构模态响应表示为流过并联电阻的总电流。

上述方案中的未耦合的声模态阻抗为：

               (1)

未耦合的结构模态导纳为：

                      (2)

其中、分别为弹性板的面密度和面积，V为封闭声腔体积；、分别为结构和声腔的第m阶、第n阶固有频率，、分别为结构和声压模态的第m阶、第n阶阻尼因子，和分别为声媒质处于平衡状态时的声速和密度，为声模态共振因子。

耦合的声模态阻抗为，耦合的结构模态导纳为，其中为耦合系数矩阵。

本发明提出的结构-声耦合系统的等效电路模型，不受弹性板材料性质和声腔形状的限制，借助此模型可以计算耦合后弹性板和声腔的固有频率，并可以方便直观的分析系统耦合机制和决定系统耦合程度的影响因素，有利于工程设计人员进行不同性质板件结构封闭空间结构-声耦合问题的分析和声学优化设计。

附图说明

图1为耦合声腔子系统的等效电路模型。

图2为耦合弹性板子系统的等效电路模型。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。

任意形状声腔内声压和结构模态响应可用下式计算：

                     (3)

                       (4)

其中P、V分别为腔内声压和弹性板的结构模态幅值；为耦合系数矩阵；为作用于夹层板的广义模态力；为结构-声边界表面声压；为声腔内的广义声源强度；I为单位矩阵，、分别为未耦合的声模态阻抗矩阵和结构模态导纳矩阵。

由式(3)和(4)可以看出，耦合系统的声腔、结构响应可分为两部分：前一部分和分别代表了耦合后声腔与弹性板系统的固有特性，也因此决定了系统的频率响应特性；后一部分和分别为耦合声腔的广义源向量和弹性板的广义力向量，它们不决定耦合后声腔与弹性板系统的固有特性，而只代表系统的广义激励。