声-结构相互作用

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声-结构相互作用产生声音

声学是研究声音的物理学分支。声音是一种感觉,人们通过声音可以感受到声压在大气压上下非常微小而快速的变化。我们将这些变化描述为压力波在空间和时间上的传播,其中波峰和波谷分别表示压力的最大值和最小值。

扬声器驱动器示意图。

扬声器驱动器示意图。

扬声器驱动器示意图。

当振动结构体对传递声压波的气体或液体(流体)产生干扰时,便会产生声音。这里所说的“振动物体”可以是板、膜或者固体,这一过程也称为声-结构相互作用。流体介质中的压力波也会在固体中产生振动,这种相互作用是双向的,尽管有时表现为在某个方向上的作用占主导地位。一个常见的示例是音响系统中的扬声器纸盆。

声-结构相互作用涉及两个不同学科领域的物理场耦合:声学和结构力学。在某些应用中,流体中的声压波和固体的振动都非常强烈,产生显著的相互影响,由此形成双向耦合。

声-结构相互作用示例

在扬声器中,音圈的结构位移使扬声器纸盆膜片发生振动。这会引起周围空气的压力发生变化,从而产生能够让人听到的声音信号。

当低音扬声器纸盆发出频率非常低的声音时,仔细观察就能发现它在前后移动。当纸盆向前移动时,它会压缩前面的空气,从而增加 空气压力;当它向后移动并越过初始位置后,便会减小 空气压力。纸盆的连续运动就产生了波,并使波在交替的高压和低压下以声速向外传播。扬声器纸盆周围的空气也会影响纸盆的运动;例如,附加质量便是其中一个影响因素。在扬声器的设计和优化过程中,我们需要考虑各种因素的影响。

描述一块振动微镜的模型。

振动微镜的变形和速度波动。

振动微镜的变形和速度波动。

在其他情况下,介质中的声压波可以用来使固体产生振动,例如,超声成像和无损阻抗测试等。

振动的粘滞阻尼和热阻尼

热损耗和粘滞损耗

当声音在微小结构(如小型换能器和接收器)中传播时,会发生热损耗和粘滞损耗。这会使声波减弱(或者说衰减 ),但最重要的是,结构振动会因此发生衰减。在响应性测量中很容易观察到此类效应,其中谐振会发生衰减(用高 Q 值舍入),使得频率下降。在 MEMS 麦克风等微型换能器设备的建模过程中,我们必须要考虑这些效应。对这类损耗机制的研究属于热声学范畴,这是声学领域的一个分支。在声边界层内,粘度和热传导效应通常会导致结构壁附近产生明显的损耗(能量耗散)。

当声信号(例如声呐信号)经过长距离传输并减弱时,本体热传导和粘度也会引起损耗。对于声音在空气中传播的情况,只有在频率非常高时才需要考虑本体损耗,而在音频范围内则可以忽略这类损耗。

耦合

在经典声学中,求解亥姆霍兹方程或标量波动方程所依据的物理假设是,流体为无粘等熵流体。在这种情况下,固体壁上应用了滑移条件,并在该表面的法向上实现耦合。因此,声-固耦合是一种多物理场现象:其中,声压对固体施加载荷,而结构加速度(固体壁的法向加速度)会持续对流体产生激励作用。

在流体建模过程中,如果要包含粘滞损耗和热损耗,则必须指定固体表面的机械条件和热条件。必须施加无滑移条件,以确保速度的连续性;固体的运动与流体的运动相等。最后,在声学波动对温度的影响方面,我们通常假设壁为等温壁(固体的导热性远高于流体)。在这些条件的约束下,就形成了一个紧密耦合的多物理场问题。而对于谐波扰动,则可以将其视为频域中的流-固耦合(FSI)

多孔材料

压力波与结构振动紧密相关的另一个领域是,声音在多孔材料中的传播。在多孔材料中,饱和流体内的压力波动会与不同的弹性波(剪切波和纵向波)发生相互作用。由于孔的尺寸通常很小,因此会发生损耗,在系统中引入阻尼。此外,多孔域还能与纯固体结构或纯流体域进行耦合,形成多元的多物理场耦合。

目前,有多种方式可以用来描述波在多孔材料中的传播。其中一种最为精细复杂的方法需要求解 Biot 方程,其中考虑了弹性多孔基体中的弹性波以及饱和孔隙流体中的压力波的耦合传播,并包含了孔隙流体的阻尼效应。另一种方法是将多孔基体与饱和孔隙流体视为均匀的等效流体。在这种情况下,只需为压力波建模,并包含对损耗的描述。这类损耗模型既可以是基于测量的纯经验模型,也可以是解析或半解析性的唯象模型,例如 Delany-Bazley-Miki 模型或 Johnson-Champoux-Allard 模型。

发布日期:2014 年 11 月 6 日
上次修改日期:2017 年 2 月 21 日