吸声尖劈吸声系数的时域有限差分算法的数值仿真

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消声室是用来做声学测试的特殊实验室，其实质是在一个闭合空间内建立的自由声场。影响消声室性能的关键因素是截止频率，即吸声系数为0.99的最低频率，截止频率由安装在消声室墙壁上的吸声尖劈的声学性能决定。

研究人员可以通过有限元、边界元、COMSOL软件来预测吸声尖劈的吸声系数，但是现阶段尚没有基于时域有限差分算法 (FDTD) 的数值仿真软件。近期，中科院声学所的赵静博士、陈志菲博士等人提出了基于等效流体模型的时域有限差分 (EF-FDTD) 算法，准确地预测出垂直入射和斜入射下多孔材料的吸声系数，及不规则形状多孔材料的吸声系数。相关研究成果近期在线发表于Applied Acoustics。

吸声尖劈一般由刚性骨架的多孔材料构成，材料内的声波方程可以用等效流体模型来描述。研究人员首先将频域声波方程里的等效体积模量和等效密度设计为滤波器模型。然后结合Z变换的理论，将频域的声波方程经由Z域转换到时域，进而得到了基于等效流体模型的时域有限差分 (EF-FDTD) 算法。

针对两种不同形状的吸声尖劈，实验测试和预测的吸声系数如图所示。从图中可以看出，基于EF-FDTD算法预测的吸声系数与测量值非常接近，误差比较小。

两种吸声尖劈的吸声系数（图/中科院声学所）

本研究所提出的EF-FDTD算法可以准确模拟多孔材料所在空间的声场传播，可用于预测不同吸声尖劈的吸声系数。

本研究得到国家自然科学基金 (11774379)、国家重点研发计划 (2017YFC082240203) 资助。

参考文献：
ZHAO Jing, CHEN Zhifei, BAO Ming, Shinichi Sakamoto. Prediction of sound absorption coefficients of acoustic wedges using finite-difference time-domain analysis. Applied Acoustics, 2019. DOI: 10.1016/j.apacoust.2019.06.002

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2019.06.002

来源：中科院声学所，作者：中科院噪声与振动重点实验室 赵静。