Методи та шляхи з оцінки акустичного шуму в просторових конструкціях
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Пономаренко Є.С. Методи та шляхи з оцінки акустичного шуму в просторових конструкціях. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії у галузі знань 17 – Електроніка та телекомунікації за спеціальністю 171 – Електроніка. – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Міністерство освіти і науки України, Київ, 2026.
Дисертація присвячена визначенню підходів з аналізу акустичних параметрів шуму в просторових конструкціях через застосування, як спеціальних вимірювальних алгоритмів, так і на основі інструментів імітаційного моделювання. Зміст дисертаційного дослідження висвітлено у трьох розділах, де представлено та обґрунтовано основні отримані результати роботи. Актуальність дисертаційної роботи обґрунтовано у вступі, де наведено мету та основні задачі дослідження, описано методи дослідження, надано інформацію про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. Перший розділ дисертаційного дослідження присвячений огляду базових програмних підходів оброблення акустичних сигналів, у тому числі при створених шумових умов, та аналізу відомих методів зниження акустичного шуму. Додатково, в розділі наведено підходи щодо розрахунку основних характеристик акустичного поля, яке створюється джерелом шуму і візуалізація цього поля реалізовано через побудову акустичної голограми у ближньому полі. Зазначено, що перевагою застосування акустичних голограм є, те що візуалізація поля, яке виміряне на певній замкненій або відкритій поверхні навколо джерела в ближній зоні, містить повну інформацію про випромінювання, і цю інформацію можна реконструювати в будь-якій точці простору за допомогою хвильових рівнянь та методів прикладної акустики. Так, у першому розділі розглянуто підходи щодо побудови голограм на основі визначення акустичних параметрів поля джерела (акустичний тиск, коливальна швидкість, інтенсивність шуму, поле власних чисел) для випадків, коли саме джерело шуму є конструкцією двох видів – плоскої і циліндричної форм. Отримано аналітичні залежності для розрахунку основних характеристик звукового поля всередині обраних конструкцій та експериментально підтверджено співпадіння результатів за значеннями розподілу акустичного поля тиску з середньою похибкою 2,6 % для величини 𝑧 =3 мм в робочому діапазоні частот від 0 Гц до 4 кГц. В цілому, перший розділ дисертаційного дослідження характеризується наведенням особливостей отримання акустичних голограм ближнього поля шляхом використання розробленої схеми вимірювання, в якій основну роль відіграє масив мікрофонів. Другий розділ дисертаційного дослідження носить прикладний характер, і для обраної просторової конструкції засобами спеціального програмного забезпечення із застосуванням методу скінчених елементів наведено результати статичного аналізу з оцінкою деяких механічних та акустичних характеристик, за умови дії фіксованої направляючої сили. Додатково, проведено гармонічний та акустичний аналізи математичної моделі конструкції з доповненням всередині, у вигляді направленого джерела шуму, з метою визначення реакції конструкції на дію гармонічних навантажень в обраному діапазоні частот. Таким чином запропоновано алгоритм розв’язування прикладної задачі в середовищі ANSYS, який полягає у створенні 3D-моделі деформованого тіла просторової конструкції, для якої отримано результати модального, гармонічного та акустичного аналізів. Для розробленої в програмному пакеті ANSYS моделі пружної системи з особливими умовами закріплення в просторовій конструкції фюзеляжу літального апарату обчислено резонансні частоти (моди) коливань. В другому розділі дисертаційного дослідження для розробленої моделі просторової конструкції отримано в середовищі ANSYS розподіли коливальної швидкості на перших трьох резонансних частотах для випадків, коли в просторовій конструкції немає кільцевих пружніх елементів, і коли ці елементи є жорстко закріпленими у створеній просторовій конструкції прототипу форми відсіку літального апарату. Крім цього, на основі створеної математичної моделі з 5 розв’язувачів в середовищі програми ANSYS отримано результати розподілу коливальної швидкості для тої самої 3D-моделі, але частоти коливань обрано вручну з кроком 400 Гц в діапазоні від 400 Гц до 4000 Гц. Причому, для порівняння так само в розділі розглянуто випадки, коли включення у формі кільцевих елементів в просторовій конструкції спочатку відсутні, а потім їх додано за умови жорсткого кріплення останніх до конструкції. В третьому розділі дисертаційного дослідження основна увага зосереджена на оцінці параметрів звукоізоляції спеціальних конструкцій, які є основою при створенні приміщень відкритого типу. При цьому, за основу для просторової конструкції обрано, що матеріал її стін є скло з різними значеннями товщини та різним хімічним складом. Тобто, товщина перегородки просторової конструкції, як і матеріал скла, через значення коефіцієнта Пуассона є змінними величинами. За умовами проведеного дослідження вважається, що конструкція відкритого офісу являє собою складену подвійну прямокутну форму з прошарком із матеріалу полівінілбутираля, тобто з кожної сторони розміщено по дві секції скляних панелей. Проведена оцінка параметрів розповсюдження звуку всередині приміщення в обраному частотному діапазоні на основі використання чисельного методу скінчених елементів. На основі інструментів програми імітаційного моделювання реалізовано розрахунок значень коефіцієнта звукових втрат та значення коефіцієнта поглинання звукової енергії, яка проходить крізь матеріал подвійної стіни. Знайдено, що використання скляної перегородки з прошарком з полівінілбутираля дозволяє зменшити рівень шуму при проходженні його з основного приміщення “відкритого офісу” до приміщення оточення. У дисертації представлено наступні наукові результати: 1. Запропоновано алгоритм візуалізації основних характеристик акустичного поля (акустичний тиск, коливальна швидкість), яке створюється елементами плоскої чи циліндричної конструкції за допомогою голограми звукового поля в ближній зоні. 2. Отримані аналітичні залежності для розрахунку основних характеристик звукового поля для вказаних конструкцій та експериментально підтверджено співпадіння результатів з середньою похибкою розбіжності приблизно 2,6% для величини 𝑧 = 3 мм та приблизно 3,06% для величини 𝑧 =8 мм в діапазоні від 0 Гц до 4 кГц при визначенні розподілу поля акустичного тиску від джерела шуму. 3. Запропоновано, на основі програмних засобів імітаційного моделювання, алгоритм визначення розподілу коливальної швидкості типового елемента конструкції літального апарату, що являє собою об’єднання трьох систем з розподіленими параметрами (плоска пружна поверхня та дві пружні балки). 4. Запропоновано алгоритм розрахунку звукоізоляції замкненої огороджувальної конструкції складної геометричної форми, всередині якої може рухатись довільним чином джерело шуму. Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному. 1. Визначені практичні рекомендації з застосування акустичних голограм ближнього поля для оцінки акустичної шумового поля в об’ємній конструкції спеціального призначення для випадку, коли необхідно проаналізувати шумові сигнали, що знаходяться в низькочастотному діапазоні. 2. Створено 3D-модель конструкції з доповненням всередині у формі основи корпусу фюзеляжу літака, для якої проведено модальний аналіз на перших шести формах коливань, і додатково отримано результати акустичного та гармонічного аналізу цієї моделі конструкції за умови наявності направленого джерела шуму, для визначення реакції конструкції на дію гармонічних навантажень в обраному діапазоні частот. 3. Знайдено для елемента конструкції літального апарату, що являє собою об’єднання трьох систем з розподіленими параметрами (плоска пружна поверхня та дві пружні балки), що на першій моді коливань (109,89 Гц) спостерігається картина, коли максимальні значення коливальної швидкості зосереджено на бічних сторонах просторової конструкції. Так, на першій моді в центрі бічної сторони значення швидкості досягає значень приблизно 47 (мкм/c)/В і це є значно більшим ніж у випадку відсутності пружних балок для конструкції коли остання коливається на частоті третьої моди. Що ж стосується балочних систем на першій моді, то тут область підвищених значень спостерігається в нижній частині балки і в даному випадку, величина коливальної швидкості не перевищує межі приблизно 20 (мкм/c)/В, що до речі теж є більшим значенням ніж величина 14 (мкм/c)/В, яка отримана для конструкції без балок. 4. Розроблено геометричну конструкцію “відкритого офісу” (з скляних огороджувальних поверхонь) для якої створено модель імітаційного моделювання на основі інструментів прикладного додатку механічного моделювання програми ANSYS. Для проведення акустичного аналізу в основному приміщенні офісу розміщено джерело шуму, яке в рамках досліджень переміщується в основному приміщенні. Товщина перегородки, як і матеріал стін приміщення є змінними величинами. 5. За результатами оцінки звукоізоляції замкненої конструкції складної геометричної форми (товщина перегородки 20 мм, коефіцієнт Пуассона ν=0,25), всередині якої може рухатись довільним чином джерело шуму знайдено, що, на частоті випромінювання цього джерела шуму 1 кГцзадля забезпечення його найменшого впливу на зовнішнє оточення потрібно щоб воно знаходилось (вигляд зверху) у лівій частині основного приміщення просторової конструкції. При даному положенні джерела шуму значення коефіцієнта втрат складає 40 дБ, яке на 9 дБ є більшим, коли джерело шуму знаходиться з правої сторони і на 10 дБ є більшим, коли джерело шуму знаходиться всередині конструкції. Коли ж для матеріалу конструкції встановити коефіцієнт Пуассона ν=0,27, то для тої самої товщини перегородки 20 мм найліпше розташування джерела шуму з точки зору звукоізоляції буде коли, джерело розташовано в центрі конструкції. Для даного випадку коефіцієнт втрат дорівнюватиме 34 дБ, і це є на 4 дБ більше коли джерело розташовано у лівій частині приміщенні та на 8 дБ більше, коли джерело шуму розташовано у правій частині основного приміщення конструкції.
Опис
Ключові слова
акустична інформація, автоматизація, математична модель, голографія, акустичне поле, шум, ANSYS, акустика, звукоізоляція, конструкція, метод скінчених елементів, низькочастотний звук, моделювання, мікрофон, acoustic information, automation, mathematical model, holography, acoustic field, noise, acoustics, sound insulation, design, finite element method, low-frequency sound, modeling, microphone
Бібліографічний опис
Пономаренко, Є. С. Методи та шляхи з оцінки акустичного шуму в просторових конструкціях : дис. … д-ра філософії : 171 Електроніка / Пономаренко Євгеній Сергійович. - Київ, 2026. - 106 с.