[发明专利]一种均匀流中时域声场的数值预测方法

说明书

本发明公开了一种均匀流中时域声场的数值预测方法，属于噪声预测领域，该方法基于对流波动方程，充分考虑了因媒质流动而引起的对流效应，同时借助于空间二维傅里叶变换将其转换到波数域内求解，成为一种“全局性”方法，提高了数值预测的精确度。本发明利用有限差分法对转换到波数域的对流波动方程进行离散，获得了声压在时域波数域内的迭代计算关系；进行了迭代计算稳定性分析，确定了稳定性条件；同时，通过仿真算例验证了方法的有效性。本发明的成果可以指导均匀流中声场的精确预测，还可以为噪声控制和产品设计提供依据。

技术领域

本发明属于噪声预测技术领域，具体涉及一种均匀流中时域声场的数值预测方法。

背景技术

随着国民经济和交通行业的发展，交通工具越来越趋向高速化，例如飞机和高铁等，这些交通工具在给人们生活带来便利的同时，也产生了令人烦恼的噪声。噪声不仅影响沿线人们的生活和身心健康，还会因对材料产生交变负载激励而引起机电产品的声疲劳，从而降低交通工具本身的使用寿命和安全。噪声预测可以为环境噪声控制和产品低噪声设计提供依据和指导。针对交通工具这一类运动声源，通常在声源附近静止测量声学量并向远场预测，但由于时域多普勒效应使得噪声预测变得较为复杂。根据运动的相对性，若声学测量装置与交通工具保持同步运动，则运动声源的噪声预测就可以转化为流动媒质中的噪声预测问题，从而避开了时域多普勒效应，降低了问题的复杂性。

由于交通工具绝大部分时间都处于匀速巡航状态，因而其噪声预测可以限定在均匀流情形。均匀流中的声场由于受到媒质流动的影响，包含流动效应，因此在声场预测时需要考虑这一因素。目前，可以用来实现均匀流中时域声场预测的方法有时域有限差分法(FDTD)和近场声全息法(NAH)。FDTD针对一阶波动方程组直接进行数值离散计算，每个网格点的声学量均由其周边的几个网格点信息获得，是一种“局部”方法；NAH是一种解析方法，需要获知测量面到预测面的波数域脉冲响应函数，而该函数在时间采样时会出现失真的问题。因此需要一种新的技术方法，来解决上述的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺陷，而提出的一种均匀流中时域声场的数值预测方法，该方法基于对流波动方程，利用空间二维傅里叶变换将其转换到时域波数域，之后在时域波数域内进行数值离散求解，是一种“全局性”方法，提高了预测精度，同时计算过程不需要波数域脉冲响应函数，也避免了其采样失真的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种均匀流中时域声场的数值预测方法，包括如下步骤：

步骤1)：基于时域空间域对流波动方程，对其进行空间二维傅里叶变换，得到时域波数域对流波动方程，利用中心差分格式进行方程离散，获得时域波数域声压谱的迭代关系；根据迭代关系，进行数值稳定性分析，获得时间和空间步长所需满足的稳定性条件；

步骤2)：对声源近场平面在空间上进行等距离散，在网格点上测量声压，对声压数据进行空间二维傅里叶变换，获得测量面时域波数域声压谱；

步骤3)：根据稳定性条件，确定合理的空间步长，并根据目标预测面的位置，确定需要迭代计算的步数，利用迭代关系获得目标预测面上的时域波数域声压谱数据；

步骤4)：将获得的时域波数域声压谱数据进行空间二维逆傅里叶变换，将其变换到时域空间域，即得到目标预测面上的预测声压；由于目标预测面的位置是根据需要来确定的，据此可以得到声场中任意目标预测面或点上的声压值。

进一步的，所述的步骤1)包括以下步骤：

步骤1.1)：由时域空间域对流波动方程获得时域波数域声压谱的迭代关系，其推导过程如下：

时域空间域对流波动方程为：

式中，p(x，y，z，t)为声压，c为声速，t为时间，为物质导数，这里为均匀流速度，为梯度算子，和分别为x，y和z方向的单位向量。