01 声学仿真之驻波比(管道声学)

专注于仿真分析和振动分析

00 导读

    本文通过有限元仿真手段研究了声波在管道中的传播规律。涉及到声压极大值，极小值，驻波比，声压反射系数，声强反射系数，吸声系数等概念。

01 研究背景

管道声学是声学理论中非常重要的内容。声波在管道中传播的重要特点是平面波形式，当然这是有条件的，需要波长足够大(相对管道的横向尺寸)。

02 几何模型

几何模型如下图所示。圆截面直管道。

03 材料模型

本文使用到的所有材料参数如下。

    空气。

04 网格划分

    网格局部如下图所示。对于声学网格，如果使用二阶单元，为保证求解精度，最大网格尺寸应该小于最小波长的1/6。

05 声学条件

    定义Port，并指定声压峰值为1Pa的平面波。

06 求解频点

    求解1000Hz纯音的结果。

07 分析结果(右端闭口)

    声压级如下图所示。最大声压级为96.99dB，最小声压级为 -20.933dB。根据声压级的定义公式，反推对应的声压，96.99dB = 2Pa ，-20.933dB=2.54E-6Pa。声压极大值为2Pa，声压极小值为2.54E-6Pa。

    驻波比G=2/2.54E-6=7.87E5。

    声压反射系数绝对值|rp|=0.999997。

    声强反射系数ri=0.999995

    吸声系数alpha=0.000005，约等于0。

    已知刚性面吸声系数为0，反射系数为1，声压极大值为2Pa，仿真结果精度高。

08 分析结果(右端开口)

     右端开口。

    声压级如下图。最大声压级为90.969dB，最小声压级为90.969dB。根据声压级的定义公式，反推对应的声压，90.969dB = 1Pa。

    驻波比G=1，声压反射系数绝对值|rp|=0，声强反射系数ri=0，吸声系数alpha=1。和理论解完全一致。

09 总结

    对于闭口管和开口管，对比理论解，仿真解是准确可靠的。