《振動噪音科普專欄》甚麼是「聲振耦合」和「聲固耦合」?


這個單元的主題:甚麼是「聲振耦合」和「聲固耦合」?這是兩個常聽到名詞,從字義上來看「聲振耦合」,「」當然是聲音,「」就是結構的振動,「聲振耦合」就是結構的振動和聲音的耦合(coupling)效應。

那麼「聲固耦合」呢?顧名思義,其中的「」當然也是聲音,「」就是指固體的結構,「聲固耦合」也是結構與聲音的耦合(coupling)效應。所以,「聲振耦合」和「聲固耦合」可以說是相通的!

那麼,甚麼是「聲振耦合」和「聲固耦合」呢?這個單元就從系統模型(system model)的角度談起,分析的「系統模型」可以概分為:

1.      純結構系統(structure-only):只單獨考慮結構的振動響應,忽略流體」、「介質(media)的效應。
2.      純聲場系統(acoustic field only):只單獨的考慮系統音場的流體」、「介質響應,忽略結構體的振動效應。
3.      結構聲場耦合系統(structural acoustic coupling system):同時考慮結構的振動響應,以及結構與流體」「介質間的耦合效應,並探討所引發的聲音響應。因此,結構聲場耦合系統」的分析,就是聲振耦合」和「聲固耦合」分析。

本單元以迴轉式壓縮機(rotary compressor)為例,來說明前述三種「系統模型」的差異。

參閱圖示為一個典型的「壓縮機」結構連接了「吐出管」及「吸入管」。「壓縮機」的本體包含了轉子及定子的馬達(motor),以及壓縮室的泵(pump),泵對冷媒壓縮,得到高壓低溫的冷媒由「吐出管」排出進行熱交換的「冷凍空調循環」,低壓高溫的冷媒再由「吸入管」回到「壓縮機」的「儲液瓶(accumulator)或稱「過濾瓶」。

本單元就以「儲液瓶」為例,說明以上三種「系統模型」的分析模型以及分析結果。參閱圖示,可觀察對應的三個「分析模型」示意圖以及結構系統「模態」動畫圖示,概要說明如下:

1.      純結構系統(structure-only):只單獨的考慮結構的振動響應,忽略流體」、「介質(media)的效應。而結構假設為撓性體(flexible body)、或彈性體(elastic body)。進行模態分析」可以求得結構的「振動模態」,包括:「自然頻率」及對應的「模態振型」,在此結構振動分析的「模態振型」物理意義是結構的「位移模態振型」。
2.      純聲場系統(acoustic field only):只單獨的考慮系統音場的流體」、「介質響應,忽略結構體的振動效應。其中,結構假設為剛體(rigid body)。系統的音場指的是流體」、「介質」,例如:空氣、水、冷媒等。在此儲液瓶」為例,其外殼、內管、擋板等結構體,假設為不會有彈性變形的「剛體」結構。「儲液瓶」內部空間有「流體」、「介質」就是冷媒。進行模態分析」可以求得純音場的「聲音模態」,包括:「自然頻率」及對應的「聲音壓力模態振型」。在此純音場模態分析的「模態振型」物理意義,是冷媒「介質」的「聲音壓力模態振型」;而在結構振動分析的「模態振型」物理意義是「儲液瓶」結構的「位移模態振型」。
3.      結構聲場耦合系統(structural acoustic coupling system):同時考慮結構的振動響應,以及結構與流體」「介質間的耦合效應,並探討所引發的聲音響應。其中,結構假設為撓性體、或彈性體。和結構接觸的流體」、「介質」,例如:空氣、水、冷媒等,也都納入系統模型之中。在此儲液瓶」為例,其外殼、內管、擋板等結構體,假設為會有彈性變形的「彈性體」結構,也同時考慮「儲液瓶」內部空間有冷媒的「流體」、「介質」,在外部空間有空氣的「流體」、「介質」,此「系統模型」就納入「結構流體間的耦合效應。進行模態分析」可以同時求得結構的「振動模態」,以及音場的「聲音模態」。

有關結構的「振動模態」,以及音場的「聲音模態」,讀者可參考先前單元:【振動有「振動模態」,聲音有「聲音模態」嗎】,以及幾個不同打擊樂器的結構「振動模態」,以及音場「聲音模態」之探討:【圓盤結構的振動模態及音場模態?】、【簡諧倍頻音板結構的振動模態及音場模態?】、【鐵磬打擊樂器之聲音頻譜與結構振動模態及音場模態特性】。

這個單元在探討「聲振耦合」和「聲固耦合」的差異,其實就是結構聲場耦合系統」,我們介紹了三種「系統模型(system model)

1.      純結構系統(structure-only)
2.      純聲場系統(acoustic field only)
3.      結構聲場耦合系統(structural acoustic coupling system)

三種「系統模型主要的差異在:

1.      結構:假設為撓性體(flexible body)/彈性體(flexible/elastic body),或是假設為剛體(rigid body)純音場分析」係假設結構為「剛體」;而「純結構分析」及「結構與音場耦合分析」則假設結構為「彈性體」。
2.      流體」、「介質」:其效應是否納入「系統模型」?「純結構分析」不納入「介質」效應。「純音場分析」及「結構與音場耦合分析」則納入「介質」效應。
3.      模態分析」:對「系統模型進行模態分析」,可以求得結構的「振動模態」,以及音場的「聲音模態」。要注意:結構振動模態分析的「模態振型」,物理意義是結構的「位移模態振型」。在音場模態分析的「模態振型」物理意義,是「介質」的「聲音壓力模態振型」。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2020.02.22

文章粉絲團連
YouTube影片連結 
訂閱電子報 








0 意見:

張貼留言