专栏名称: COMSOL 多物理场仿真技术
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学术前沿 | 无限长周期结构声场建模的周期性声学边界元法

COMSOL 多物理场仿真技术  · 公众号  ·  · 2024-08-17 22:07

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工程中经常需要预测无限长周期结构产生的声场。例子之一是板式铁路轨道的钢轨振动产生的声场,由于钢轨紧固件的影响,其辐射和散射边界在轨道方向上呈周期性。为了为此类问题提供合适的计算工具,我们开发了周期性声学边界元方法(PABEM),该方法仅需要单个单元的三维(3D)边界元网格。PABEM的发展涉及无限周期结构的声学边界积分方程的Floquet变换、Floquet变换格林函数的探索以及使用边界元法(BEM)求解边界积分方程。尽管最后一步与传统边界元法基本相同,但差异确实存在,需要仔细对待。特别关注 Floquet 变换格林函数的奇点以及此类奇点的数值处理。PABEM 被证明可直接应用于无限周期结构中传播的振动波的声辐射。这使得 PABEM 对于铁路噪声研究非常有用,因为铁路的响应通常表示为特定波数下传播波的总和。

本文提出了周期声学边界元法(PABEM)来预测由无限长周期结构产生的声场。PABEM仍然需要一个三维边界元素网格,但该网格只是针对周期结构的单个单元,这使得该模型比传统的3D-ABEM模型要小得多。PABEM的发展包括无限周期结构的声学边界积分方程的弗洛凯变换,弗洛凯变换格林函数的探索,以及利用边界元法对弗洛凯变换边界积分方程的数值求解。

周期结构的两个相邻单元的共同边界称为边界。每个单元格都有一个左边界和一个右边界,它们是相同的,并且在纵向上以周期的长度分开。一个边界上的点与另一个边界上对应的点。当源点接近场点,或当场点和源点成为两个对应点的边界,浮动变换格林函数及其正常导数成为奇异,前者的1/r(r→0)和后者的高阶1/r2(r→0)。

应用边界元法求解floquet变换的边界积分方程时,两边边界上节点的排列应相同,即对于左边边界上的每一个节点,右边边界上都有一个对应的节点。这种节点安排保持了结构的周期性,使处理奇异积分项变得容易。高奇异积分项用奇异抵消法处理。对于给定的Floquet波数β,右边界节点的声压与左边界对应节点的声压大小相同,但相位角差(以弧度为单位)为βL (L为结构的周期)。结果表明,PABEM方程不包含右边界节点声压。

工程问题需要计算具有传播波的无限周期结构的声辐射。对于来自这种振动剖面的声辐射,PABEM可以通过根据振动波数设置适当的频率波数来方便地应用。文中的算例表明,应考虑结构的周期性。



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