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出门在外也不愁基于辐射度方法的声场仿真
优秀研究生学位论文题录展示基于辐射度方法的声场仿真专　业: 建筑设计及其理论关键词: 建筑声学 室内声场 辐射度方法 计算机仿真分类号: TU112.28　
TP391.9形　态: 共 190 页　约 124,450 个字　约 5.953 M内容阅　读:
内容摘要作为一种室内声场仿真方法，声学辐射度方法是建立在几何声学基础上的一种边界元方法。论文对该方法本身以及利用其研究建筑空间声学特性这两方面都作了一定的工作。论文包含两个主要部分，第一部分从第二章到第四章是对辐射度方法本身的研究，包括理论和实验研究；第五、六章则用辐射度方法对一些特殊建筑空间类型的声场特性进行了研究。第二章通过把时间因子引入计算机图形学中的渲染方程，得到了可用于室内声学的“与时间相关的渲染方程”。利用不同的双向反射分布函数，该渲染方程不但可以推导出前人在声学领域中提出的描述理想扩散反射界面的经典辐射度方程以及将经典辐射度方程拓展后描述理想镜面反射的辐射度方程，而且为发展描述一般的界面反射方式的辐射度方法提供了理论基础。第二章的另一项主要工作是对辐射度方法的并行实现进行了初步研究，给出了辐射度方法的三种并行实现并分析比较了它们的效率。本文的工作可进一步优化开发辐射度方法的并行算法以及分布式运算提供参考。为了优化算法、尽可能降低辐射度方法的运算量，第三章在前人的理论基础上提出了房间声能衰变时具有的声场松弛的概念，并给出衡量声场松弛程度的测度。这些测度建立在本文提出的松弛角及其衰变的概念之上。在比较了一系列房间声场松弛特性后，提出了建立在声场松弛特性上的松弛判据，用来判定结束辐射度运算的时间。研究表明，在房间界面吸声系数不是非常高、房间形状也不是特别不规则的情况下，相比前人通常使用的能量判据，松弛判据能有效地缩短运算时间。作为对声场松弛的深入研究，第三章提出了声场松弛性质、提出并证明了与之相关的松弛扩展定理。运用松弛扩展定理，可以把一开始局限于房间界面上所有点处的声能衰变上的松弛性质拓展到更一般的情况，例如，房间中任意一组受声点处的声能衰变具有的松弛性质。第三章最后对一个给定房间中松弛角的衰变特性进行了研究。研究表明，给定房间中松弛角衰变率并不唯一，而是与房间中初始声能分布有关。第四章在一个界面高度扩散反射的模型房间中对辐射度方法进行了实验研究。针对两个声学参量――稳态声压级SPL与稳态混响声压级SPLr一一进行了实测结果与仿真计算结果的对比，其中参量SPLr是前人的实验研究中未曾涉及过的。结果表明两个参量随受声点变化的规律与辐射度方法仿真计算的结果高度一致。作为辐射度方法在建筑声学问题上的应用，第五章研究具有扩散反射界面的球形空间的声场特性。首先把辐射度方法的数值计算结果与前人的解析结果进行了对比印证。数值计算结果证明，在一个具有扩散反射界面、界面吸声系数均匀分布的球体中，位于球心的无指向性稳态点声源在球中引起的混响声场确实是理想扩散声场。文章进一步把界面镜面反射与界面扩散反射的球体中的声场进行对比，来深入探讨具有扩散反射界面的球体中的声场特性，诸如球体中镜面反射界面引起的声聚焦被扩散反射界面所消除的效应。当声源偏离球心时，一般而言，难以通过解析方法计算脉冲响应来进行声场研究，而本文则采用辐射度方法对这种情况下的声场进行了研究，计算分析了若干声学参量在球体中的分布。例如，计算表明，当声源偏离球心时，扩散反射界面仍然消除了球体可能引起的声聚焦效应。第六章对具有扩散反射界面的圆柱形城市空间的声学特性进行了研究。研究围绕几个因素的变化而展开。因素包括处于广场中心声源高度、圆柱形广场空间的平面尺度大小、地面吸声系数的变化、侧墙吸声系数不均匀分布，以及地面具有镜面或扩散反射特性等。通过对脉冲响应的仿真，计算与分析了若干声学参量在广场中的分布。该研究对理解此类空间的声学特性提供了参考。例如，研究表明，扩散反射的环形侧墙没有形成声聚焦的现象；广场一般具有较大的尺度，则来自侧墙的长延时前次反射声会引起对音质有重要影响的早期衰变时间EDT在广场中的大幅变化，特别是当地面吸声较强，而侧墙反射强烈时..……
全文目录文摘英文文摘第一章 绪论1.1室内声场的计算机仿真1.2前人对声学辐射度方法的研究1.2.1声学辐射度方法简介1.2.2辐射度方法与其他算法的结合1.2.3辐射度方法的在声场仿真中的具体应用1.2.4结束辐射度运算的判据1.3小结1.4本文的主要内容第二章 辐射度方法的原理与计算机算法实现2.1与时间相关的渲染方程2.2辐射度方程2.2.1扩散反射界面2.2.2镜面反射界面2.2.3受声点处的声能2.3辐射度方法的计算机算法2.3.1稳态问题2.3.2瞬态问题与时间相关的辐射度运算问题2.4声学辐射度方法的并行实现2.4.1“Gathering”算法2.4.2“Shooting”算法2.4.3“Matrix”算法2.4.4一些讨论2.4.5算例2.5小结第三章 声场松弛与辐射度方法3.1声场松弛的概念3.2声场松弛的测度3.3具有均匀吸声界面的不同矩形房间的声场松弛特性3.4基于声场松弛特性的辐射度运算结束判据3.4.1能量判据3.4.2一个简单的松弛判据3.4.3松弛判据和能量判据的比较3.4.4基于松弛角衰变的松弛判据3.5早期声能分布对声场松弛的影响3.6声场松弛概念的进一步扩展3.7小结第四章 辐射度方法的实验研究4.1 C.Cianfrini等人的工作4.2本文的实验设计4.3声衰变4.4声学参量的对比研究4.5小结第五章 球形空间中的声学特性5.1球体中的扩散声场5.2镜面反射界面的球体中声源位于球心时的声场5.3扩散反射界面的球体中声源位于球心时的声场5.4扩散反射界面的球体中声源偏离球心时的声场5.5小结第六章 圆柱形广场空间的声学特性6.1一个典型算例及声源高度的影响6.2平面尺度的影响6.3吸声系数影响6.4镜面反射地面6.5小结结论与进一步工作的展望结论进一步工作的展望参考文献附录A 线性时不变系统、施罗德积分与辐射度附录B 松弛扩展定理的证明附录C 本文的计算机程序简介附录D 第五章中的彩图
相似论文,97页,TU113.1 TU201.6,75页,TU113.1 TU201.6,161页,TU113,110页,TU113.1 TU201.6,76页,TU113.1 TU201.6,76页,TU113.1 TU201.6,68页,TU113.1 TU201.6,71页,TU114 TU113.1,82页,TU115 G48,106页,TU113.1 TU201.6,93页,TU113.1 TU201.6,96页,TU113.1 TU201.6,95页,TU113.1 TU201.6,87页,TU113.1 TU201.6,92页,TU113.1 TU201.6,125页,TU113.1 TU201.6,95页,TU113.1 TU201.6,118页,TU113.1 TU201.6,52页,TU113.1,108页,TU113.1 TU201.6中图分类:
> TU112.28 > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑基础科学 > 建筑物理学 > 建筑声学其他分类:
> TP391.9 > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理(信息加工)
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机器辐射声场分析的新型计算方法研究（可编辑）
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e9超声清洗声场的声场特性及测量方法研究36-9
Ｏ１２３４５６７８；ｔｈｅｓｑｕａｒｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｖｅｌｏ；图４－９振动系统机械损耗与底面振速的关系曲线；４．２．３单换能器清洗系统的声功率；得到介电损耗与电压的关系以及系统机械损耗与振速的；水负载，测量输入电功率、端电压以及底板固定点的振；当加入水的体积不同，有效机械负载阻就不同，实验中；的圆形硬塑料片水平置于不同深度来改变负载状况；图４－ｔＯ（
Ｏ１２３４５６７８ｔｈｅｓｑｕａｒｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ（１０‘ｍ２／ｓ２１图４－９振动系统机械损耗与底面振速的关系曲线４．２．３单换能器清洗系统的声功率得到介电损耗与电压的关系以及系统机械损耗与振速的关系后，对于一定的水负载，测量输入电功率、端电压以及底板固定点的振速，根据测量得到的关系曲线计算出介电损耗功率和系统机械损耗功率，并将其从输入电功率中减去即为此时的辐射声功率，而辐射声功率和输入电功率的比值为该负载下的电声效率。当加入水的体积不同，有效机械负载阻就不同，实验中我们将一个直径５ｃｍ的圆形硬塑料片水平置于不同深度来改变负载状况。声波在管中传播时由于水面或者硬塑料片都将反射声波从而容易形成驻波，在大振幅下水表面还会产生波动，并且大功率下水中会有空化产生，因此声负载是不稳定的。第三章中我们也看到，实验中所采用的逆变式发生器的输出电压基本以０．０２ｓ的周期变化，为此我们设定功率分析仪的采样率为ｌＭ／ｓ，采集时长为Ｏ．１ｓ，也就是每０．１ｓ计算一次结果，保证为声压波形包络周期的整数倍。同时对激光测振仪的输出也设定为每０．Ｉｓ显示一次结果，并且在同步情况下测量和读取数据，保证结果的重复性和准确性。测量时保持工作频率稳定（２５．３２ｋＨｚ±０．０１ｋＨｚ），改变输入电功率，在不同的负载情况下的测量结果如图４．１０所示，图（ａ）、图（ｂ）、图（ｃ）分别为系统的电声效率、换能器介电损耗功率占输入电功率的百分比以及系统机械损耗功率占输入电功率百分比随输入电功率的变化情况。各图中“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”为向管中加入１Ｌ水并分别将硬塑料片置于水面下２ｃｍ、１０ｃｍ以及管底向上５ｃｍ时的测量结果。实验中换能器最大输入有功功率５０Ｗ，以下所有输入电功率均表示有功功率。图４－ｔＯ（ａ）～（ｃ）中开始部分（输入电功率小于７Ｗ）变化较大，主要是由于此时振速过小，信号的信噪比较低，从而测量误差较大的缘故。从图４－１０（ａ）可以看出，当负载状况不同时，系统的电声效率也不同，但由于整个系统体积较小，所以负载的变化不大，整个振动系统的电声效率在８５％～９５％之间变化，平均达到９０％。图４－ｌＯ（ｂ）、（ｃ）显示在实验中的负载条件下，介电损耗功率仅占输入电功率的Ｏ．８％、１．４％，所占比例很小，而系统机械损耗功率占输入电功率的百分比在８％～１５％之间变化。一般使用于超声清洗的换能器Ｑ值较高，对于高Ｑ值的换能器，内机械损耗更重要；而对于低Ｑ值的换能器，介电损耗更为重要【６“。可以看出我们的实验结果和这一结论一致。掌一．皇！Ｅ∞望苗３０５１０１５２０２５３０３５４０４５ＳＯ５５ｔｈｅｉｎｐｕｔｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒ【ｗ）图４－ｌｏ（ａ）系统电声效率随输入电功率的变化曲线协¨他＂吣¨¨呲∞０５１０１５２０２５３０３５●Ｏ４５５０５５ｔｈｅｉｎｐｕｔｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒ（Ｗ）图４－ｌＯ（ｂ）介电损耗功率占总输入电功率的百分比随输入电功率的变化曲线０５１０１５２０ｔｈｅｉｎｐｕｔｅｌｅｃｔｒｉｃ～乏一２５３０３５４０４５５０嚣念５５ｐｏｗｅｒ（Ｗ）图４－ｌＯ（ｃ）系统机械损耗功率占总输入电功率的百分比随输入电功率的变化曲线４．３大功率低频空化声场声功率与声压的关系４．３．１大功率清洗声场测量探头的选择在第一章中我们比较了各种测量方法，认为压电水听器是最有可能发展为定量测量大功率声场的接收元件，因为其制作工艺成熟，具有稳定性高等优点。对于清洗来说水听器更是不可替代，由于它能测量空化所产生的并在超声清洗中占主导地位的机械效应。水听器将接收到的声压转换成电信号输出，根据已知校准的灵敏度，即可定量算出声压值。我们可以笼统的将清洗声场中的能量分为声波能量和空化能量，在低频时空化能量占主要部分，在高频时声波能量占主要部分。空化一般有两种即稳态空化和瞬态空化，在声场中表现为气泡的微小振动产生的辐射力和微声流及气泡崩溃发出的冲击波，空化产生的噪声谱频带很宽，可以达到上ＭＨｚ，所以在用水听器测量大功率超声场时一般要满足以下几个要求：（１）频带宽，并且在整个频带内要有平坦的频响曲线，保证能不失真的测量到高频的空化信号。（２）灵敏度高，能感应到微小的振动和冲击。（３）防空化及化学腐蚀，坚固耐用，能在恶劣的环境下工作。此外一般水听器的尺寸要小，以免测量时对声场产生较大的影响，特别对测量声场的能量分布或者测量实验室用声化学反应器的声场，尺寸要求尽量小。对于大功率超声清洗声场，频带和灵敏度是最主要的指标，因为如果频带低则对于空化产生的高频信号就测量不到或者不能准确测量，而如果水听器的灵敏度低就不能很好的感应到空化产生的微小振动。测量空化声场时不同水昕器的比较将在下一章进行研究。一般商用清洗设备尺寸较大，水听器的尺寸要求可以适当放宽。所以严格来讲，一般的水听器是不适合于测量空化声场的。４．３．２低频空化声场中声功率和声压的关系对于超声清洗设备的生产者和使用者来说，更关心的是声场中空化强度的强弱，因为其决定着清洗效率以及对被洗件的损伤程度，与超声空化强度直接相关的声学量是在清洗槽中的声能量以及工作频率，其中频率与空化阈值有密切的关系，其决定空化泡成长的时间，频率越高空化泡崩溃前的成长时间越少；而声能量决定空化泡的膨胀率，声能量越大空化泡膨胀的越快。液体中的空化强度和输入到液体中的声能量有关，而声能量又和声压有关，可见研究声压和声能量的对应关系具有一定意义。由于大功率空化声场很复杂，声场中的声压和声强并无小信号自由平面波声场中的那种简单关系，理论计算往往和实验结果出入很大，下面将通过实验来研究输入声功率和声压之间的关系。首先向单换能器圆管清洗系统中加入１Ｌ水，水高为２３ｃｍ，用铝箔腐蚀法来观察管中的声场能量分布状况。输入声功率为ｌＯＷ，铝箔放入管中ｌＯｓ后结果如图４．１１所示。从图中铝箔被腐蚀的情况可以看出，整个声场能量几乎都集中在以换能器前端面为底的圆柱内，而且在底面向上将近１３ｃｍ的范围内，声场强度逐渐减弱且没有出现驻波，在１３ｃｍ和水面的距离内出现了明显的驻波，由于水面为软边界所以为声压波节，结果和声学基本理论一致。基于第二章对超声清洗机理的讨论，我们认为在超声清洗中，加于清洗件上的所有压力均对清洗效果有贡献，所以只要能测量出声场中某个位置所有力的大小，就直接反映出该处的清洗效果。为了研究大功率空化声场输入声功率和声压的关图４．１１铝箔腐蚀法观测管内声场系，我们采用了宽频带高灵敏度的圆形平面压电探头测量声场，该接受探头在高达１Ｍ｝ｋ频带内均具有较平坦的频响曲线，其外部使用防空化的材料封闭，为了得到高的灵敏度其尺寸做的较大，直径约６ｃｍ，但若用于测量商用清洗设备的声场是可以接受的，它用整个平面感应压力，接近于实际清洗时被洗件受冲刷的情况。实验装置如图４―１２，先向管中加入１．５Ｌ自来水，保持水温为２０。Ｃ，系统频率为２６．３２ｋＨｚ±０．０１ｋＨｚ，将宽频带探头水平置于某一位置，调节输入电压，分别测量输入到换能器的电功率、换能器两端电压、底板振速以及探头的输出电压有效值，根据前面测量的介电损耗和系统机械损耗曲线，可以算出发生器在不同输入电压时清洗系统内的声功率，从而得到声功率和声压之间的关系。考虑到空化产生的随机性，短时测量结果离散性将很大，不易得出有意义的结果，实验中每个测量结果均为３０ｓ平均所得，是对空化场的统计测量。上辇┃－┃ｌ辇匹功Ｅ┃振仪２实验装置示意图３为在不同距离时测量的单换能器清洗系统辐射声功率与声压之间的有将时这，播传的量能于利不，大很减衰声加附的起引性线非及以射散，高他其或能热成化转量能的分部少很有仅，位地导主占应效械机的化空振波。位４０地要次占应效械机，化空包含各类专业文献、各类资格考试、专业论文、文学作品欣赏、生活休闲娱乐、高等教育、幼儿教育、小学教育、外语学习资料、行业资料、e9超声清洗声场的声场特性及测量方法研究36等内容。　
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