一种声学黑洞加筋板隔声性能的参数化测试方法及系统

本发明涉及结构声学，尤其涉及一种声学黑洞加筋板隔声性能的参数化测试方法及系统。

背景技术：

1、加筋板具有质量轻、刚度高和承载性能好的特点，广泛应用于各类工程结构中。在声载荷作用下，加强筋会改变板体的局部刚度、振动响应及声能传递路径，进而影响结构的隔声性能。因此，在满足结构承载要求的基础上改善加筋板的隔声性能，具有重要的工程意义。

2、声学黑洞（acoustic black hole，abh）通过在板体局部设置幂律渐变减薄区域，使弯曲波向薄区聚集，从而影响结构的声学响应。已有研究表明，abh结构能够改变板体振动及声透射响应，为其应用于加筋板隔声设计提供了基础。现有技术中，已有将abh引入加筋结构的研究，例如通过试验与有限元分析研究其腔内降噪特性，或分析abh能量聚集与加强筋阻振作用对结构响应的影响。然而，上述研究主要关注振动响应、声辐射或腔内噪声，针对声波透射条件下abh加筋板隔声性能的系统性测试方法仍需进一步研究。

3、目前，声学黑洞加筋板隔声性能测试存在以下技术问题：（1）参数来源分散，不同测试工况难以统一，导致测试结果可比性差；（2）缺少从参数配置到模型构建再到性能测试的完整闭环流程，模型输入不规范；（3）缺乏系统性的参数筛选机制，难以高效确定目标频段的最优参数组合；（4）网格收敛判断、模型验证与参数测试之间的衔接不够紧密，影响测试效率和结果可靠性。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的声学黑洞加筋板隔声性能的参数化测试方法及系统。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

3、本发明的一个方面提供了一种声学黑洞加筋板隔声性能的参数化测试方法，包括：

4、s1，获取待测加筋板的基础结构参数、声学黑洞的排布参数、声学黑洞几何参数、局部阻尼参数，将所述基础结构参数设定为固定结构条件，将所述声学黑洞的排布参数、所述声学黑洞几何参数和局部阻尼参数设定为待测变量参数，并由所述固定结构条件与所述待测变量参数组合生成参数配置集；其中，所述参数配置集包括一个基准配置和多个待测配置，其中所述基准配置用于模型构建与验证，多个所述待测配置用于后续批量性能测试，所述基准配置与各所述待测配置共享相同的固定结构条件，且每个配置设置唯一配置编号；

5、s2，读取所述基准配置中的参数，构建声学黑洞加筋板结构-声场耦合模型，并经网格收敛判断、公开算例验证和实验验证后，锁定除声学黑洞几何参数、声学黑洞几何参数和局部阻尼参数以外的非待测模型条件，包括单元类型、网格方案、材料参数、声固耦合关系、边界条件和后处理方式，生成验证模型；所述验证模型保留声学黑洞排布、声学黑洞几何参数和局部阻尼参数的参数化替换接口，以使得不同的待测配置能够在所述验证模型中仅替换与声学黑洞相关的参数而保持其他模型条件完全一致；

6、s3，将所述参数配置集中的各所述待测配置通过所述参数化替换接口依次加载至所述验证模型，在完全相同的边界条件、声学激励、材料参数和网格方案下，仅替换声学黑洞排布参数、声学黑洞几何参数和局部阻尼参数，自动生成对应的待测模型并进行批量隔声性能计算，获得各待测配置对应的隔声性能结果；根据所述隔声性能结果，在所述统一的测试条件下比较各待测配置的隔声性能差异，确定推荐参数组合。

7、可选地，所述声学黑洞几何参数至少包括声学黑洞半径r、残余厚度ha和厚度幂指数m；所述声学黑洞区域的局部厚度采用幂律厚度函数描述：

8、

9、其中，h(r)为距声学黑洞中心径向距离r处的局部厚度，h0为基体板原始厚度，r为声学黑洞半径，ha为声学黑洞中心区域残余厚度，m为厚度幂指数。

10、可选地，所述声学黑洞加筋板结构-声场耦合模型采用有限元-半无限流体耦合方法建立，包括：

11、将所述基体板和所述加强筋设置为结构有限元子系统，赋予材料密度、弹性模量、泊松比和结构损耗因子，并建立所述基体板与所述加强筋之间的连接关系；

12、在所述声学黑洞加筋板的入射侧和透射侧分别建立半无限流体声学子系统，用于模拟板体两侧的自由声场；

13、在所述结构有限元子系统与所述半无限流体声学子系统之间建立声固耦合界面，以模拟结构振动与两侧流体声场之间的能量传递。

14、可选地，所述s2，所述读取所述基准配置中的参数，构建声学黑洞加筋板结构-声场耦合模型，并经网格收敛判断、公开算例验证和实验验证后，锁定除声学黑洞几何参数、声学黑洞几何参数和局部阻尼参数以外的非待测模型条件，生成验证模型包括：

15、s21，获取所述参数配置集中的基准配置中的基体板、加强筋、声学黑洞排布和局部阻尼参数，建立基体板几何体和加强筋几何体，并根据声学黑洞中心位置、半径、残余厚度及厚度幂指数生成声学黑洞渐变减薄区域；对于阵列结构，按照阵列行列数和单元中心位置重复生成多个声学黑洞单元，并对相邻单元之间的几何重叠进行检查；

16、s22，将基体板和加强筋设置为结构有限元子系统，赋予材料密度、弹性模量、泊松比和结构损耗因子，并建立基体板与加强筋之间的连接关系；在声学黑洞中心薄区和厚度过渡区采用能够表征厚度变化的壳单元或实体单元，当采用壳单元时，将幂律函数计算得到的局部厚度映射至对应单元；

17、s23，在声学黑洞加筋板的入射侧和透射侧分别建立半无限流体声学子系统，在入射侧设置声学激励，在透射侧设置声功率或声压响应输出，并在结构表面与两侧流体之间建立声固耦合界面；

18、s24，根据所述基准参数配置设置结构边界条件、声波入射方式、声场介质参数、计算频率范围及频率离散方式；分别建立至少两种候选结构边界条件，对每种候选边界条件下的声学黑洞加筋板模型进行隔声量计算，获得各候选边界条件下的计算曲线并暂存；

19、s25，在声学黑洞中心薄区及厚度过渡区域设置第一网格尺寸，在非声学黑洞区域设置大于第一网格尺寸的第二网格尺寸；依次生成多组由粗到细的网格方案，分别计算各网格方案在多个目标频段内的平均隔声量；若相邻两组网格方案在各目标频段内的平均隔声量差值均小于预设阈值，则判定网格收敛；否则继续减小网格尺寸；

20、s26，建立与公开文献中声学黑洞板算例相同的几何模型、材料参数、边界条件和声学激励，将文献给出的能量降噪指标转换为隔声量，并在相同频率点与模型计算结果进行比较；当计算结果能够再现公开算例隔声量的总体变化规律及幅值水平时，判定声学黑洞几何建模、声固耦合计算和隔声量后处理流程满足第一验证条件；

21、

22、其中，ec1和ec2分别表示源侧声腔和接收侧声腔在对应频带内的总能量；

23、s27，制作或选取与验证模型几何参数相对应的声学黑洞加筋板试件，将试件安装于声源室和接收室之间的测试洞口，密封试件边缘，并获取声源室平均声压级l1、接收室平均声压级l2、试件有效面积s、接收室体积v及混响时间t；根据双混响室测量数据计算实验隔声量r和计权隔声量rw，并将实验曲线与仿真曲线进行比较：

24、

25、

26、当仿真曲线与实验曲线的变化趋势一致，且计权隔声量差值及主要频段内的最大误差均满足预设要求时，判定模型满足第二验证条件；若不满足，则返回步骤s22至s25，调整材料损耗、边界条件、接触阻尼或网格设置后重新验证；

27、s28，在模型同时满足网格收敛条件、公开算例验证条件和实验验证条件后，锁定模型中的单元类型、网格方案、材料参数、声固耦合关系、边界条件和后处理方式，生成所述验证模型，所述验证模型保留参数化接口，用于加载不同所述待测配置并自动替换声学黑洞排布、几何参数和阻尼参数。

28、可选地，所述s3，将所述参数配置集中的各所述待测配置通过所述参数化替换接口依次加载至所述验证模型，在完全相同的边界条件、声学激励、材料参数和网格方案下，仅替换声学黑洞排布参数、声学黑洞几何参数和局部阻尼参数，自动生成对应的待测模型并进行批量隔声性能计算，获得各待测配置对应的隔声性能结果；根据所述隔声性能结果，在所述统一的测试条件下比较各待测配置的隔声性能差异，确定推荐参数组合包括：

29、s31，读取参数配置集中的各待测配置，将所述待测配置中的结构形式、声学黑洞排布、半径、残余厚度、厚度幂指数和阻尼损耗因子加载至所述验证模型，生成对应的待测模型；对每个所述待测模型执行几何有效性检查、网格有效性检查和参数完整性检查，检查通过后将所述待测模型加入计算队列；

30、s32，在相同材料参数、板体尺寸、边界条件和声学激励下，分别计算平板、普通加筋板、中心声学黑洞加筋板和全阵列声学黑洞加筋板的隔声量频率曲线；将普通加筋板作为基准结构，计算中心声学黑洞结构和全阵列声学黑洞结构相对于普通加筋板在各频率点及各目标频段内的隔声增益，确定声学黑洞阵列开始产生稳定隔声增益的频段；

31、s33，以全阵列声学黑洞加筋板为基础结构，固定除一个待测几何参数以外的其余参数，依次改变声学黑洞半径、残余厚度和厚度幂指数，计算各参数工况的隔声量频率曲线和频带平均隔声量；根据不同参数曲线在目标频段内的隔声增益以及在非目标频段内的性能损失，分别确定每个几何参数的候选优选值；

32、s34，在声学黑洞几何参数保持不变的条件下，依次加载无阻尼及不同损耗因子的阻尼配置，计算对应的隔声量频率曲线；比较局部阻尼对隔声谷值、目标频段平均隔声量和高频隔声性能的影响，并根据增益随损耗因子增加的变化率判断继续提高损耗因子是否具有有效附加收益；

33、s35，根据基准结构隔声量曲线确定至少一个隔声谷频率，分别提取普通加筋板与声学黑洞加筋板在该频率下的表面速度幅值分布；比较引入声学黑洞前后表面速度幅值分布的变化以及高响应区域的空间分布变化，据此判断声学黑洞对该隔声谷的改善作用；

34、s36，根据各待测配置在目标频段内的平均隔声量、非目标频段内的平均隔声量以及典型隔声谷的改善情况，筛选出至少一个目标频段优先组合和至少一个宽频性能优先组合作为候选参数组合；

35、s37，将筛选得到的候选参数组合加载至所述验证模型，生成优化型声学黑洞加筋板模型，并与普通加筋板和原始全阵列声学黑洞加筋板在完全相同的计算条件下进行对比，输出各结构的隔声量频率曲线、各目标频段平均隔声量、典型隔声谷改善量和表面速度响应，确定最终推荐参数组合；

36、s38，将所述最终推荐参数组合、隔声量频率曲线、频带平均隔声量、计权隔声量、典型频率表面速度分布以及各参数影响规律按照配置编号关联存储，生成可供结构设计或试件制造使用的测试结果数据包，所述测试结果数据包至少包括输入参数表、模型版本号、验证状态、计算条件、输出曲线、频带评价值及推荐参数组合。

37、可选地，所述s25中，所述第一网格尺寸和第二网格尺寸通过以下方式确定：

38、在所述声学黑洞中心薄区及厚度过渡区域设置第一网格尺寸，在所述非声学黑洞区域设置大于所述第一网格尺寸的第二网格尺寸；

39、依次生成至少三组由粗到细的网格方案，分别计算各网格方案在多个目标频段内的平均隔声量；

40、若相邻两组网格方案在各目标频段内的平均隔声量差值均小于预设阈值，则判定网格收敛，选取较粗一组网格方案作为最终网格方案；否则继续减小网格尺寸直至满足所述预设阈值。。

41、可选地所述s27具体包括：

42、制作或选取与待验证模型几何参数相对应的声学黑洞加筋板试件，将所述试件安装于声源室和接收室之间的测试洞口，密封试件边缘；

43、获取声源室平均声压级l1、接收室平均声压级l2、试件有效面积s、接收室体积v及混响时间t，计算实验隔声量r和计权隔声量rw：

44、

45、

46、将各候选边界条件下的计算曲线与实验曲线进行趋势比较，选取与实际安装状态最接近的边界条件作为最终模型边界条件；

47、将采用所述最终边界条件的仿真曲线与实验曲线进行比较，当仿真曲线与实验曲线的变化趋势一致，且计权隔声量差值及主要频段内的最大误差均满足预设要求时，判定模型满足实验验证条件；

48、在模型同时满足网格收敛条件、公开算例验证条件和实验验证条件后，锁定所述最终边界条件及全部非待测模型条件，生成所述验证模型。

49、可选地，根据各待测配置在目标频段内的平均隔声量、非目标频段内的平均隔声量及典型隔声谷改善情况筛选候选参数，将两个或两个以上候选参数组合后重新加载至所述验证模型进行隔声性能测试，并与普通加筋板及基准声学黑洞加筋板进行比较，确定推荐参数组合。

50、本发明的另一个方面提供了一种声学黑洞加筋板隔声性能的参数化测试系统，包括：

51、参数确定装置，用于获取待测加筋板的基础结构参数、声学黑洞的排布参数、声学黑洞几何参数、局部阻尼参数，将所述基础结构参数设定为固定结构条件，将所述声学黑洞的排布参数、所述声学黑洞几何参数和局部阻尼参数设定为待测变量参数，并由所述固定结构条件与所述待测变量参数组合生成参数配置集；其中，所述参数配置集包括一个基准配置和多个待测配置，其中所述基准配置用于模型构建与验证，多个所述待测配置用于后续批量性能测试，所述基准配置与各所述待测配置共享相同的固定结构条件，且每个配置设置唯一配置编号；

52、模型构建装置，用于读取所述基准配置中的参数，构建声学黑洞加筋板结构-声场耦合模型，并经网格收敛判断、公开算例验证和实验验证后，锁定除声学黑洞几何参数、声学黑洞几何参数和局部阻尼参数以外的非待测模型条件，包括单元类型、网格方案、材料参数、声固耦合关系、边界条件和后处理方式，生成验证模型；所述验证模型保留声学黑洞排布、声学黑洞几何参数和局部阻尼参数的参数化替换接口，以使得不同的待测配置能够在所述验证模型中仅替换与声学黑洞相关的参数而保持其他模型条件完全一致；

53、性能测试装置，用于将所述参数配置集中的各所述待测配置通过所述参数化替换接口依次加载至所述验证模型，在完全相同的边界条件、声学激励、材料参数和网格方案下，仅替换声学黑洞排布参数、声学黑洞几何参数和局部阻尼参数，自动生成对应的待测模型并进行批量隔声性能计算，获得各待测配置对应的隔声性能结果；根据所述隔声性能结果，在所述统一的测试条件下比较各待测配置的隔声性能差异，确定推荐参数组合。

54、可选地，

55、所述声学黑洞的几何参数至少包括声学黑洞半径r、残余厚度ha和厚度幂指数m；所述声学黑洞区域的局部厚度采用幂律厚度函数描述：

56、

57、其中，h(r)为距声学黑洞中心径向距离r处的局部厚度，h0为基体板原始厚度，r为声学黑洞半径，ha为声学黑洞中心区域残余厚度，m为厚度幂指数。

58、由此可见，通过本发明提供的声学黑洞加筋板隔声性能的参数化测试方法及系统，通过参数确定阶段获取基础结构参数、声学黑洞排布及几何参数、局部阻尼参数，形成包含基准配置和多个待测配置的参数配置集；基于有限元-半无限流体耦合方法建立声学黑洞加筋板声透射模型，通过网格收敛判断、公开算例验证和双混响室实验验证三重校验生成保留参数化接口的验证模型；将各待测配置加载至验证模型进行批量隔声性能测试，提取隔声量频率曲线、频带平均隔声量、计权隔声量和表面速度响应，根据隔声性能筛选推荐参数组合的方式，形成参数配置、模型验证与性能测试的贯通式参数化测试流程，实现了声学黑洞加筋板隔声性能的规范化、参数化测试，可高效确定目标频段的推荐参数组合，实现不同声学黑洞参数配置下隔声性能的统一、可比测试，并确定推荐参数组合。