بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به محدودیتهای روشهای تحلیلی از قبیل المان محدود و المان مرزی درتحلیل های صوتی - ارتعاشی در محدوده فرکانسهای بالا، روش انرژی آماری بهعنوان روشی نوین جهت تحلیلهای صوتی - ارتعاشی در فرکانسهای بالا به کار گرفته میشود. این روش مبتنی بر میانگینگیری از جریان انرژی صوتی و ارتعاشی در بخش های مختلف سازه - زیرسیستم ها - و ایجاد ارتباط بین آنهاست .
در این مقاله ابتدا به معرفی اجمالی روش انرژی آماری پرداخته خواهد شد. سپس روند تحلیل صوتی یک پوسته محافظ سونار به روش انرژی آماری و با استفاده از نرم افزار VA One ارائه خواهد شد. در گام بعد به بررسی اثر ضخامت بر عملکرد صوتی پوسته محافظ سونار و همچنین اثر جنس بر رفتار صوتی پوسته محافظ سونار پرداخته خواهد شد. در پایان نتایج بدست آمده از تحلیل جنس و ضخامت برای مواد و ضخامت های مدنظر مورد بررسی قرار میگیرد. این نتایج حاکی از آن است که به طور کلی اثر ضخامت و اثر جنس برای پوسته محافظ سونار باید بر اساس بازه فرکانسی عملیاتی سونار انتخاب شود. هرچند در بیشتر موارد، عبوردهی صوت توسط پوسته های کامپوزیتی بهتر از پوسته های فلزی است.
1. مقدمه
تحلیل صوتی- ارتعاشی در فرکانسهای بالا برای انواع سازههای در معرض ارتعاش اهمیت زیادی دارد. انواع سازههای موجود در صنایع مختلف ازجمله صنایع هوافضا و دریا در معرض ارتعاشات در محدوده فرکانسی بالا هستند. این ارتعاشات اغلب منجر به ناهنجاریهای صوتی از قبیل ایجاد سر و صدا و یا نویز در سازه میشوند که میتواند عواقب مکانیکی زیانبار برای سازه و همچنین عواقب زیستی زیانبار برای افراد داشته باشد. از اینرو بهبود عملکرد صوتی و ارتعاشی سازهها اهمیت بسزایی پیدا کرده است.
همچنین بررسی رفتار صوتی از قبیل عبور دهی امواج صوتی، بازتاب امواج و ... نیز برای برخی از سازهها از قبیل بدنه زیردریاییها اهمیت زیادی دارد. روش انرژی آماری بهعنوان روشی تحلیلی برای ایجاد ارتباط بین ارتعاشات موجود در یک سازه با امواج صوتی ایجادشده از آن سازه در فرکانسهای بالا توسعه یافته است. نخستین بار لیون1 در سال 1975 در کتابی مستقل به شرح روش انرژی آماری برای سیستمهای دینامیکی پرداخت.
نظریات لیون سالهای بعد توسط دانشمندانی چون هادگس2 و وودهاوس3 توسعه پیدا کرد.[2] در دو دهه اخیر محققان و دانشمندان زیادی به تکمیل و توسعه تئوری انرژی آماری پرداختهاند بهطوریکه امروزه این روش بهعنوان روشی مورد قبول برای تحلیلهای صوتی - ارتعاشی در فرکانسهای بالا مورد استفاده قرار میگیرد. با تمام این تفاسیر روش انرژی آماری بهعنوان روشی جدید شناخته میشود و استفاده از آن در صنعت هنوز فراگیر نشده به گونهای که فعالیتهای صورت گرفته با استفاده از این روش از تعدادی محدود فراتر نرفته است.
نرمافزارهای مبتنی بر روش انرژی آماری نیز از سال 1997 وارد بازار شدند که اولین آنها نرمافزار AutoSea بود. امروزه نرمافزارهای دیگری از قبیل VA One و Actran از این روش برای تحلیلهای صوتی - ارتعاشی در فرکانس بالا استفاده میکنند. ازجمله کارهای انجامشده با استفاده از این روش نیز میتوان به بررسی خواص آکوستیکی پوشش یک نوع ماهواره توسط ناسا [4] و همچنین بررسی انتشار صوت ناشی از ارتعاش موتور خودرو به داخل اتاق خودرو اشاره کرد.[5] در کشور ما نیز در تعداد محدودی از مقالات به استفاده از این روش در تحلیلهای صوتی ارتعاشی پرداختهاند
2. روش انرژی آماری
همانطور که گفته شد روش انرژی آماری بهعنوان روشی مناسب برای تحلیلهای صوتی ارتعاشی در فرکانسهای بالا، مبتنی بر میانگینگیری از جریان انرژی بین زیر سیستمهای مختلف مسئله میباشد . در این روش یک مدل به زیرسیستمهای مختلف تقسیم میشود. هر بخش از مدل که دارای خواص صوتی - ارتعاشی یکسان باشد به عنوان یک زیرسیستم در نظر گرفته میشود. سپس با ایجاد ارتباط بین زیرسیستمهای مختلف و با استفاده از روابط جریان انرژی بین زیرسیستمها به بررسی نحوه انتقال صوت ناشی از ارتعاش و یا بلعکس در یک مدل پرداخته خواهد شد. در روش انرژی آماری برآورد دقیق و قابلاعتنا از سطح واکنش صوتی ارتعاشی یک سیستم نیازمند تخمین دقیق سه پارامتر است. این سه پارامتر عبارتند از:
-1 چگالی مودال اختصاصی برای هر زیرسیستم
-2 فاکتور اتلاف کوپلینگ - درجه کوپلینگ - بین دو زیرسیستم
-3 فاکتور اتلاف داخلی
چگالی مودال عبارت است از تعداد مودها در فرکانس واحد برای هر زیرسیستم. فاکتور اتلاف کوپلینگ نیز عبارت است از میزان هدر رفت انرژی صوتی یا ارتعاشی بر اثر اتصال دو زیرسیستم و در موضع اتصال دو زیرسیستم با یکدیگر. فاکتور اتلاف داخلی هم عبارت است از میزان هدر رفت انرژی در داخل هر زیرسیستم که ممکن است بر اثر عوامل متعددی از قبیل عدم عایقکاری مناسب زیرسیستم باشد. در ادامه با ارائه مثال به توضیح اجمالی روش انرژی آماری پرداخته خواهد شد.
شکل.1 شماتیک روش انرژی آماری
مطابق شکل 1 در صورتی که مدل مشتمل بر دو زیرسیستم باشد برای دو زیرسیستم 1 و 2 و انرژی داخلی هر زیرسیستم و توان ورودی به هر زیر سیستم - تحریک - می باشد . فرکانس زاویه ای ، فاکتور اتلاف داخلی زیرسیستم 1 وفاکتور اتلاف داخلی زیر سیستم 2 می باشد. همچنین فاکتور اتلاف کوپلینگ برای انتقال صوت یا ارتعاش از زیرسیستم 1 به 2 و فاکتور اتلاف کوپلینگ برای انتقال صوت یا ارتعاش از زیرسیستم 2 به 1 می باشد. بنابراین اتلاف انرژی ناشی از عوامل داخلی در زیر سیستم 1 و اتلاف انرژی ناشی از عوامل داخلی در زیرسیستم 2 است. به علاوه رابطه مربوط به اتلاف انرژی هنگام انتقال صوت یا ارتعاش از زیرسیستم 1 به زیر سیستم 2 می باشد. رابطه نیز مربوط به اتلاف انرژی حین انتقال از زیرسیستم 2 به زیرسیستم 1 می باشد. با محاسبه پارامتر های معرفی شده و ترم های انرژی و ایجاد ارتباط بین آنها تحلیل انرژی آماری برای یک مدل صورت خواهد پذیرفت.
در این روش زیرسیستمها از حیث خواص صوتی-ارتعاشی به دو گروه زیرسیستمهای سازهای و حجمهای آکوستیک تقسیم میشوند. زیرسیستمهای سازهای از قبیل تیر، ورق، صفحات مختلف، استوانه جدار نازک و... هستند. حجمهای آکوستیک هم به محیطهایی مشتمل بر سیال مانند یک اتاق که صوت قابلیت انتشار در آن را دارد اطلاق میشود. پارامترهای انرژی آماری برای المانهای سازهای و حجمهای آکوستیک بهصورت مجزا و از روابط تئوری و آزمایشگاهی به دست میآیند
3. تحلیل صوتی پوسته محافظ سونار به روش انرژی آماری
در این بخش به بیان روند تحلیل صوتی یک پوسته محافظ سونار پرداخته می شود. برای این کار یک نیمکره به شعاع 1 متر در ضخامتهای 6 میلی متر، 20 میلیمتر و 30 میلیمتر برای مواد مختلف مورد تحلیل قرارگرفته است تا عملکرد بهینه پوسته محافظ سونار در بازه فرکانسی 500 تا 10000 هرتز به دست بیاید.
3,1 معرفی مدل
مدل متشکل از دو نوع زیرسیستم است. زیرسیستم اول از نوع سازه و همان پوسته محافظ سونار است. زیرسیستم دوم نیز سیال نیمه نامحدود و از نوع حجم آکوستیک است. بنابراین برای تحلیل صوتی پوسته محافظ سونار، این پوسته را با یک تحریک آکوستیک از نوع دیفیوژن در بازه 500 تا 10000 هرتز مرتعش کرده و فشار صوت منتقلشده ناشی از ارتعاش پوسته در فاصله یک متری از پوسته خوانده میشود.
