声结构相互作用

结构力学声结构相互作用

声结构互动会产生声音

声学是声音的物理 - 在大气压高于和低于大气压的声压的非常小和快速变化的感觉。我们将这些变化描述为在空间和时间中传播的压力波。波峰和槽分别代表压力最大值和最小值。

Loudspeaker driver schematic.

">扬声器驱动程序的图。

扬声器驾驶员原理图。

扬声器驾驶员原理图。

当振动结构物体扰乱带有声压波的气体或液体(流体)时,产生声音。所讨论的振动对象可以是板,膜或固体。该过程也被称为声结构相互作用。流体介质中的压力波也产生固体的振动。互动是双向的,但有时,一个方向上的相互作用是主导的。一个日常例子是声音系统中的扬声器锥。

声结构相互作用涉及物理来自两个不同领域的耦合:声学和结构力学。在一些应用中,流体中的声压波和固体的振动足够强,以显着影响彼此,导致双向耦合。

声学结构相互作用的一个例子

在扬声器中,音圈的结构位移施加扬声器锥膜的振动。这导致周围空气中的压力变化,并通过收听器创建声音信号。

如果您观察到低音扬声器锥体,因为它以非常低的频率产生声音,您可能会注意到它可以来回移动。当它向前移动时,锥体将空气压缩在它面前,从而越来越多气压。然后重新移动,超出其初始位置减少气压。锥体的持续运动导致波在声音速度下交替的高压和低压辐射。扬声器锥周围的空气也影响锥体运动,例如,就所谓的添加质量而言。在设计和优化扬声器时,需要考虑这些效果。

vibrating micromirror.

">模型描绘振动微镜。

变形和速度波动振动微镜

变形和速度波动振动微镜

在其他情况下,介质中的声压波用于在固体中产生振动,例如在超声成像或非破坏性阻抗测试中。

振动粘稠和热阻

热和粘性损失

当声音在小型结构中传播时,热和粘性损失发生在游戏中,例如小型传感器和接收器。这导致声波削弱,或衰减但最重要的是,结构振动是阻尼的。通常在响应测量中观察这些效果,其中谐振被阻尼(以高Q值舍入)并在频率上移位。例如,当模拟微型传感器时,包括这些效果是必不可少的MEMS麦克风。这些损失机制的研究落下热声学,声学字段的子集。粘度和热传导效应通常导致声边界层中结构壁附近的显着损失(能量耗散)。

块状热导通和粘度也会导致声学信号(例如,例如,SONAR信号)在长距离传输并且被削弱时损耗。在空中,重要的是仅在非常高的频率下考虑散装损失,但它们可以在音频频率下忽略。

联轴器

在经典声学中,当求解亥姆霍兹方程或标量波动方程时,物理假设是流体是无粘性的和等式的。在这种情况下,固体壁上存在滑动条件,并且耦合是正常的。因此,声学固体耦合是多体性现象,其中声压导致固体上的负荷,结构加速度激励流体(实心壁的正常加速)。

当流体被建模,包括粘性和热损失,必须在固体表面上指定机械和热条件。必须申请空缺状况,确保速度的连续性;固体的运动等于流体的运动。最后,通常假设温度中的声波动在壁上是等温(热导通在流体中的固体大得多)。这些条件导致紧密耦合的多体问题问题。对于谐波扰动,它可以被认为是流体结构相互作用(FSI)在频域中。

多孔材料

压力波和结构振动紧密连接的另一个区域是在声音以多孔材料传播时。饱和流体中的压力波动与多孔材料中的不同弹性波(剪切和纵向)相互作用。因为孔的尺寸通常很小,所以在这里存在损耗,在这里引入系统中的阻尼。此外,多孔结构域可以与纯固体结构或纯的流体畴偶联,引入多个多体耦合。

有几种方法可以描述波浪在多孔材料中的传播。其中一个最详细的涉及求解生物方程。它们考虑了弹性波在弹性多孔基质中的弹性波和饱和孔流体中的压力波的耦合传播。这包括孔隙液的阻尼效果。另一种方法是将多孔基质和饱和孔隙流体视为均匀的当量流体。在这种情况下,只有压力波被建模,包括描述性损失。损耗模型可以根据对分析或半衰老现象学模型的测量来源的纯实体模型;例子包括Delany-Bazley-Miki或Johnson-Champoux-Allard模型。

发布时间:2014年11月6日
最后修改:2017年2月21日