Методи та шляхи з оцінки акустичного шуму в просторових конструкціях
| dc.contributor.advisor | Трапезон, Кирило Олександрович | |
| dc.contributor.author | Пономаренко, Євгеній Сергійович | |
| dc.date.accessioned | 2026-06-04T09:02:32Z | |
| dc.date.available | 2026-06-04T09:02:32Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Ponomarenko E.S. Methods and approaches for assessing acoustic noise in special-purpose structures. – A qualification scientific work as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 17 – Electronics and Telecommunications, specialty 171 – Electronics. – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to determining approaches to analyzing acoustic noise parameters in spatial structures through the use of both special measurement algorithms and simulation modeling tools. The content of the dissertation research is presented in three chapters, which present and justify the main results of the work. The relevance of the dissertation is justified in the introduction, which outlines the purpose and main objectives of the study, describes the research methods, and provides information about the scientific novelty and practical significance of the results obtained. The first section of the dissertation research is devoted to reviewing basic software approaches to acoustic signal processing, including those created under noisy conditions, and analyzing known methods for reducing acoustic noise. In addition, the section presents approaches for calculating the main characteristics of the acoustic field created by a noise source, and visualization of this field is implemented through the construction of an acoustic hologram in the near field. It is noted that the advantage of using acoustic holograms is that the visualization of the field measured on a specific closed or open surface around the source in the near field contains complete information about the radiation, and this information can be reconstructed at any point in space using wave equations and methods of applied acoustics. Thus, the first chapter discusses approaches to constructing holograms based on determining the acoustic parameters of the source field (acoustic pressure, vibration velocity, noise intensity, eigenvalue field) for cases where the noise source itself is a structure of two types – flat and cylindrical. Analytical dependencies for calculating the main characteristics of the sound field inside selected structures were obtained, and the coincidence of the results with an average error of 2,6% in the working frequency range from 0 Hz to 4 kHz was experimentally confirmed. In general, the first section of the dissertation research is characterized by the introduction of the features of obtaining near-field acoustic holograms using the developed measurement scheme, in which the microphone array plays a major role. The second section of the dissertation research is applied in nature, and for the selected spatial structure, using special software and the finite element method, the results of static analysis with an assessment of some mechanical and acoustic characteristics are presented, assuming the action of a fixed guiding force. Additionally, harmonic and acoustic analyses of the mathematical model of the structure with an addition inside, in the form of a directional noise source, were performed to determine the response of the structure to the action of harmonic loads in the selected frequency range. Thus, an algorithm for solving an applied problem in the ANSYS environment is proposed, which consists in creating a 3D model of a deformed body of a spatial structure, for which the results of modal, harmonic, and acoustic analyses are obtained. For the elastic system model developed in the ANSYS software package with special conditions for fastening in the spatial structure of the aircraft fuselage, the resonance frequencies (modes) of vibrations were calculated. In the second chapter of the dissertation research, for the developed model of the spatial structure, the distributions of the oscillation velocity at the first three resonance frequencies were obtained in the ANSYS environment for cases when there are no ring elastic elements in the spatial structure, and when these elements are rigidly fixed in the created spatial structure of the prototype of the aircraft compartment. In addition, based on the created mathematical model with 5 solvers, the results of the distribution of the oscillation velocity for the same 3D model were obtained, but the oscillation frequencies were selected manually with a step of 400 Hz in the range from 400 Hz to 4000 Hz. Moreover, for comparison, the section also considers cases where ring elements are initially absent from the spatial structure and are then added, provided that they are rigidly attached to the structure. The third section of the dissertation focuses on evaluating the sound insulation parameters of special structures, which form the basis for creating open-plan spaces. In this case, the spatial structure is based on the assumption that the walls are made of glass with varying thicknesses and chemical compositions. That is, the thickness of the partition of the spatial structure, as well as the material of the glass, are variable quantities due to the Poisson's ratio. According to the conditions of the study, it is assumed that the open office structure is a double rectangular shape with a layer of polyvinyl butyral material, i.e., there are two sections of glass panels on each side. The parameters of sound propagation inside the room in the selected frequency range were evaluated using the finite element method. Using simulation modeling tools, the sound loss coefficient and the sound energy absorption coefficient passing through the double wall material were calculated. It has been found that the use of a glass partition with a polyvinyl butyral interlayer reduces the noise level when it passes from the main room of an “open office” to the surrounding room. The dissertation presents the following scientific results: 1. An algorithm is proposed for visualizing the main characteristics of the acoustic field (acoustic pressure, vibration velocity) created by elements of a flat or cylindrical structure using a hologram of the sound field in the near zone. 2. Analytical dependencies for calculating the main characteristics of the sound field for the specified structures have been obtained, and the coincidence of the results has been experimentally confirmed with an average error of discrepancy of approximately 2.6% for a value of 3 mm and approximately 3.06% for a value of 8 mm in the range from 0 Hz to 4 kHz when determining the distribution of the acoustic pressure field from the noise source. 3. Based on simulation modeling software, an algorithm is proposed for determining the distribution of the vibration velocity of a typical aircraft structure element, which is a combination of three systems with distributed parameters (a flat elastic surface and two elastic beams). 4. An algorithm is proposed for calculating the sound insulation of a closed enclosing structure of complex geometric shape, inside which a noise source can move arbitrarily. The practical significance of the results obtained is as follows. 1. Practical recommendations have been developed for the use of near-field acoustic holograms to assess the acoustic noise field in a special-purpose volumetric structure when it is necessary to analyze noise signals in the low-frequency range. 2. A 3D model of the structure has been created with an addition inside in the form of the base of the aircraft fuselage, for which a modal analysis has been performed on the first six modes of vibration, and additionally, the results of acoustic and harmonic analysis of this model of the structure have been obtained under the condition of a directional noise source, to determine the response of the structure to harmonic loads in the selected frequency range. 3. It was found for an aircraft structural element, which is a combination of three systems with distributed parameters (a flat elastic surface and two elastic beams), that at the first mode of oscillation (109.89 Hz) there is a pattern where the maximum values of the oscillation velocity are concentrated on the sides of the spatial structure. Thus, at the first mode in the center of the side, the velocity reaches values of approximately 47 (μm/s)/V, which is significantly higher than in the absence of elastic beams for the structure when the latter oscillates at the frequency of the third mode. As for beam systems in the first mode, here the area of increased values is observed in the lower part of the beam, and in this case, the oscillation velocity does not exceed the limit of approximately 20 (μm/c)/V, which, incidentally, is also greater than the value of 14 (μm/c)/V obtained for a structure without beams. 4. A geometric design for an “open office” (with glass enclosing surfaces) was developed, for which a simulation model was created based on the tools of the ANSYS mechanical modeling application. To conduct an acoustic analysis, a noise source was placed in the main office room, which was moved around the main room during the research. The thickness of the partition, as well as the material of the room walls, are variable quantities. 5. Based on the results of the sound insulation assessment of a closed structure with a complex geometric shape (partition thickness 20 mm, Poisson's ratio ν=0.25), inside which a noise source can move arbitrarily, it was found that, at the radiation frequency of this noise source of 1 kHz, in order to ensure its least impact on the external environment, it must be located (view from above) in the left part of the main room of the spatial structure. In this position of the noise source, the loss coefficient is 40 dB, which is 9 dB higher than when the noise source is on the right side and 10 dB higher than when the noise source is inside the structure. When the Poisson's ratio ν=0.27 is set for the construction material, then for the same partition thickness of 20 mm, the best location of the noise source in terms of sound insulation will be when the source is located in the center of the structure. In this case, the loss coefficient will be 34 dB, which is 4 dB more when the source is located on the left side of the room and 8 dB more when the noise source is located on the right side of the main room of the structure. | |
| dc.format.extent | 106 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/81455 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | акустична інформація | |
| dc.subject | автоматизація | |
| dc.subject | математична модель | |
| dc.subject | голографія | |
| dc.subject | акустичне поле | |
| dc.subject | шум | |
| dc.subject | ANSYS | |
| dc.subject | акустика | |
| dc.subject | звукоізоляція | |
| dc.subject | конструкція | |
| dc.subject | метод скінчених елементів | |
| dc.subject | низькочастотний звук | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | мікрофон | |
| dc.subject | acoustic information | |
| dc.subject | automation | |
| dc.subject | mathematical model | |
| dc.subject | holography | |
| dc.subject | acoustic field | |
| dc.subject | noise | |
| dc.subject | acoustics | |
| dc.subject | sound insulation | |
| dc.subject | design | |
| dc.subject | finite element method | |
| dc.subject | low-frequency sound | |
| dc.subject | modeling | |
| dc.subject | microphone | |
| dc.subject.udc | 621.391.83 | |
| dc.title | Методи та шляхи з оцінки акустичного шуму в просторових конструкціях | |
| dc.title.alternative | Methods and approaches for assessing acoustic noise in special-purpose structures | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Ponomarenko_dys.pdf
- Розмір:
- 4.89 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: