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预测声屏障插入损失的抛物方程方法研究
| 论文题名： | 预测声屏障插入损失的抛物方程方法研究 |
| 关键词： | 交通噪声;预测声屏障;插入损失;结构设计;抛物方程法 |
| 摘要： | 声屏障可以有效地降低交通噪声和工业噪声对环境的影响。在将声屏障用于环境噪声控制的实际过程中，事先准确预测声屏障的插入损失可以有效地指导声屏障的几何尺寸和安装位置的选择以及声屏障的结构设计过程。 声屏障插入损失的常用预测方法包括解析法、近似法、边界元法(BEM)，但是上述这三类方法仅适合用于声速和地面阻抗等参数为常数的均匀环境中的插入损失预测。在实际情况下，这些参数常不稳定（即非均匀环境），例如，顺风时声速随着高度的增加而增加。忽略声速、地面阻抗等因素而直接使用上述三类方法进行预测会导致一定的误差。抛物方程方法具有兼容非均匀性的优点，可以用于更为接近实际的户外环境。Salomons首次提出将有限差分抛物方程(Crank-Nicholson Parabolic Equation: CNPE)用于非均匀环境中的声屏障的插入损失预测，但是Salomons建立的方法在声屏障与声源距离较近时会产生较大误差，并且对于声屏障距离接收点较远的情况，该方法计算网格点的数目巨大，计算所需时间长。这两个缺点限制了该方法的应用。本文针对这两个缺点开展研究，建立完善的用于预测声屏障插入损失的抛物方程方法。 本文首先介绍了声屏障插入损失计算方法的研究进展，以及有/无声屏障时计算位于阻抗面上方的点源辐射声场的解析方法。解析方法的结果可以为检验抛物方程方法的有效性和准确性提供参考。然后，介绍了CNPE方法的理论，并通过分析发现CNPE方法在声源距离声屏障较近的情况下会产生较大误差的原因在于CNPE方法所使用的Gauss初始场仅适用于小仰角（10度以内）范围内的声波。为解决Gauss初始场引起的问题，本文推导了可以用于较大仰角声波的更高阶数的Gauss初始场。通过数值仿真对比了不同阶数的初始场在CNPE方法中的效果。结果表明:4阶初始场是最适合CNPE方法的初始场，将该初始场与CNPE方法相结合，可以准确预测当声屏障与声源距离较近时的插入损失。最后，针对CNPE方法在接收点与声屏障距离很远的情况下计算效率很低的缺点，提出了基于格林函数抛物方程(Green's function parabolic equation: GFPE)的插入损失计算方法，并通过数值仿真验证了GFPE方法的正确性及其预测声屏障插入损失的可行性。CNPE和GFPE两种方法所需计算时间的对比表明GFPE方法可以明显的提高计算效率，尤其是在频率较高的情况下，GFPE方法的计算速度优势更加明显。 |
| 作者： | 汪术龙 |
| 专业： | 机械电子工程 |
| 导师： | 张永斌 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 合肥工业大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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