物体表面微振动的声传播计算方法及装置、介质、设备与流程

1.本技术涉及机械领域，尤其是涉及到一种物体表面微振动的声传播计算方法及装置、介质和设备。


背景技术：

2.在机械设计及制造领域，由于工件在使用过程中可能存在微小的振动，而这种振动会推动周围的介质运动，从而产生声波，对整个机械结构的使用产生影响。因此，需要对声传播进行计算，确定其带来的影响是否会影响机械结构的使用寿命或者导致机械结构无法使用。在现有的声传播计算方法中，只关注于常规尺寸的结构的振动，而忽略了大型工件表面的微小振动，而这种微小的振动同样会产生声波，对机械结构造成负面影响。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术提供了一种物体表面微振动的声传播计算方法及装置、介质和设备，解决了现有方法忽略大型工件表面的微小振动，从而导致机械结构的寿命以及质量降低等问题。
4.根据本技术的一个方面，提供了一种物体表面微振动的声传播计算方法，包括：
5.建立目标三维模型，并对所述目标三维模型进行网格剖分，其中，所述目标三维模型包括目标物体以及声传播域；
6.在所述目标物体的表面加载微振动，并对所述目标物体进行仿真，得到目标声波。
7.可选地，所述在所述目标物体的表面加载微振动，包括：
8.获取微振动参数，并根据所述微振动参数，在所述目标物体的表面对应的网格中加载微振动，其中，所述微振动参数包括：微振动振幅、微振动圆频率、微振动持续时长以及微振动初始相位。
9.可选地，所述对所述目标物体进行仿真，得到目标声波，包括：
10.在微振动频率以及所述微振动振幅下，对所述目标物体进行仿真，得到所述目标声波在每个所述网格内的声音特性。
11.可选地，对所述目标三维模型进行网格剖分，包括：
12.根据所述目标声波的波长确定边长范围，并在所述边长范围内确定网格边长；
13.根据所述网格边长，利用有限元网格生成工具对所述目标物体以及所述声传播域进行网格剖分。
14.可选地，所述利用有限元网格生成工具对所述目标物体以及所述声传播域进行网格剖分，包括：
15.利用所述有限元网格生成工具，将所述目标物体的表面划分成多个平面网格；
16.利用所述有限元网格生成工具，将所述声传播域划分成多个立体网格。
17.可选地，所述声音特性包括声压以及声强。
18.可选地，所述目标物体装设于风洞内，所述声传播域的形状与所述风洞的形状相
对应。
19.根据本技术的另一方面，提供了一种物体表面微振动的声传播计算装置，所述装置包括：
20.建模模块，用于建立目标三维模型，并对所述目标三维模型进行网格剖分，其中，所述目标三维模型包括目标物体以及声传播域；
21.仿真模块，用于在所述目标物体的表面加载微振动，并对所述目标物体进行仿真，得到目标声波。
22.可选地，所述仿真模块用于：
23.获取微振动参数，并根据所述微振动参数，在所述目标物体的表面对应的网格中加载微振动，其中，所述微振动参数包括：微振动振幅、微振动圆频率、微振动持续时长以及微振动初始相位。
24.可选地，所述仿真模块用于：
25.在微振动频率以及所述微振动振幅下，对所述目标物体进行仿真，得到所述目标声波在每个所述网格内的声音特性。
26.可选地，所述建模模块用于：
27.根据所述目标声波的波长确定边长范围，并在所述边长范围内确定网格边长；
28.根据所述网格边长，利用有限元网格生成工具对所述目标物体以及所述声传播域进行网格剖分。
29.可选地，所述建模模块用于：
30.利用所述有限元网格生成工具，将所述目标物体的表面划分成多个平面网格；
31.利用所述有限元网格生成工具，将所述声传播域划分成多个立体网格。
32.可选地，所述声音特性包括声压以及声强。
33.可选地，所述目标物体装设于风洞内，所述声传播域的形状与所述风洞的形状相对应。
34.根据本技术又一个方面，提供了一种介质，其上存储有程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现上述物体表面微振动的声传播计算方法。
35.根据本技术再一个方面，提供了一种设备，包括存储介质和处理器，所述存储介质存储有计算机程序所述处理器执行所述计算机程序时实现上述物体表面微振动的声传播计算方法。
36.借由上述技术方案，本技术利用建模仿真计算的方法，建立大型工件及其声传播域的三维模型，并对其进行网格剖分，分别在大型工件表面的每个网格上加载特点振幅以及频率的微振动，通过仿真软件来模拟大型工件的微振动发出目标声波，进而计算声传播域中每个网格处的声音特性，解决了现有方法忽略大型工件表面的微小振动，从而导致机械结构的寿命以及质量降低等问题。
37.上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。
附图说明
38.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
39.图1示出了本技术实施例提供的一种物体表面微振动的声传播计算方法的流程示意图；
40.图2示出了本技术实施例提供的另一种物体表面微振动的声传播计算方法的目标物体以及声传播域示意图；
41.图3示出了本技术实施例提供的另一种物体表面微振动的声传播计算方法的流程示意图；
42.图4示出了本技术实施例提供的另一种物体表面微振动的声传播计算方法的流程示意图；
43.图5示出了本技术实施例提供的另一种物体表面微振动的声传播计算方法的流程示意图；
44.图6示出了本技术实施例提供的另一种物体表面微振动的声传播计算方法的目标物体的网格示意图；
45.图7示出了本技术实施例提供的另一种物体表面微振动的声传播计算方法的声传播域的网格示意图；
46.图8示出了本技术实施例提供的另一种物体表面微振动的声传播计算方法的声传播计算结果示意图之一；
47.图9示出了本技术实施例提供的另一种物体表面微振动的声传播计算方法的声传播计算结果示意图之二；
48.图10示出了本技术实施例提供的一种物体表面微振动的声传播计算装置的结构框图。
具体实施方式
49.下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
50.在本实施例中提供了一种物体表面微振动的声传播计算方法，如图1所示，该方法包括：
51.步骤101，建立目标三维模型，并对目标三维模型进行网格剖分，其中，目标三维模型包括目标物体以及声传播域；
52.步骤102，在目标物体的表面加载微振动，并对目标物体进行仿真，得到目标声波。
53.本技术实施例提供的物体表面微振动的声传播计算方法，用于表面微小振动的大型物体的声传播分析。其中，目标物体即为表面微小振动的大型物体，不限于转动机械、往复机械等。
54.可以理解的是，物体振动会推动周围的介质如空气等运动，从而产生声波，对整个机械结构的使用产生影响。基于此，本技术根据目标物体的微笑振动，通过仿真计算，确定目标声波的强弱，判断是否会影响机械结构的质量。
55.在具体应用场景中，本技术实施例采用建模仿真计算的方法确定目标声波的强
弱。具体地，首先利用建模工具建立目标三维模型，其中，目标三维模型包括目标物体以及声传播域，目标物体为表面微小振动的物体，声传播域为包含传播介质的三维区域。可以理解的是，声传播域可以为任意形状，声传播域至少与目标物体的一部分相接触。在具体建模过程中，建模工具不拘泥于某一种三维软件，例如solidworks，ug等均可实现目标三维模型的建立。
56.由于建模工具与仿真工具可能不是同一个软件，因此，在建立目标三维后，对目标三维模型进行网格剖分，划分得到网格后，再利用仿真工具在每个网格中进行目标声波的计算，确定每个网格处的声波参数。其中，划分的网格不局限于某一种网格形状，可以为任意形状。在具体网格剖分过程中，不拘泥于某一种有限元网格生成工具，例如gmesh软件等均可实现目标三维模型的网格剖分。
57.在网格剖分后，即可进行仿真操作。具体地，利用仿真工具在目标物体的表面加载微振动，此时目标物体响应于被施加的微振动，其表面振动产生声波也即目标声波，并借由介质传播。仿真工具通过对这一过程的仿真，确定该声波在不同位置处的参数。其中，微振动是振幅为微米级别的振动。
58.其中，目标物体可装设于风洞内，声传播域的形状与风洞的形状相对应。图2示出了本技术实施例的微振动体(也即目标物体)和声传播域的示意图，如图所示，在该实施例中，目标物体为轴，其形状为圆柱体，装设于管道中，声传播域是包裹住目标物体的一个三维形状。在该实施例中，声传播域的形状与管道相对应，因此声传播域也为圆柱体。
59.可选地，在本技术实施例中，在目标物体的表面加载微振动，包括如下步骤：
60.获取微振动参数，并根据微振动参数，在目标物体的表面对应的网格中加载微振动，其中，微振动参数包括：微振动振幅、微振动圆频率、微振动持续时长以及微振动初始相位。
61.在该步骤中，根据微振动参数在目标物体表面加载微振动。可以理解的是，目标物体在不同位置例如波峰以及波谷位置处的振动也不相同，根据微振动参数计算微振动函数，进而在目标物体表面的每个网格中加载与微振动函数相应的微振动。其中，微振动函数如下：
62.d＝asin(ωt+θ)
63.其中，a微振动振幅(微米级)，ω为微振动圆频率，t为微振动持续时间，θ为微振动初始相位。上述微振动参数可根据历史经验确定，也可根据仿真实验等获取，或可根据机械结构的设计图纸计算得到。
64.进一步地，作为上述实施例具体实施方式的细化和扩展，为了完整说明本实施例的具体实施过程，提供了另一种物体表面微振动的声传播计算方法，如图3所示，方法包括如下步骤：
65.步骤201，三维建模，包括微振动体和声传播域；
66.步骤202，微振动体表面进行面网格剖分；
67.步骤203，声传播域进行体网格剖分；
68.步骤204，在微振动体表面加载微振动d＝asin(ωt+θ)；
69.步骤205，声传播计算。
70.在步骤201-205中，首先利用建模工具建立微振动体(也即目标物体)以及声传播
域的三维模型，然后分别对微振动体的表面以及声传播域进行网格剖分，进而在每个网格中进行仿真计算。具体地，在微振动体表面的每个网格中加载微振动，利用仿真工具进行声传播计算，得到目标声波在声传播域的每个网格处的声音特性。
71.可选地，在本技术实施例中，对目标物体进行仿真，得到目标声波，包括如下步骤：
72.在微振动频率以及微振动振幅下，对目标物体进行仿真，得到目标声波在每个网格内的声音特性。
73.在该步骤中，求解在微振动频率以及微振动振幅下的目标声波。可以理解的是，由于目标物体振动产生目标声波，因此目标声波的声音特性取决于目标物体的振动特性，例如，目标物体的微振动幅度越大、频率越高，则产生的目标声波越强，对整个机械结构造成的影响也就越大。基于此，可根据目标物体的振动特征来求解目标声波。具体地，微振动频率可根据微振动圆频率计算得到，具体计算公式为
74.可选地，在本技术实施例中，如图4所示，对目标三维模型进行网格剖分，包括：
75.步骤301，根据目标声波的波长确定边长范围，并在边长范围内确定网格边长；
76.步骤302，根据网格边长，利用有限元网格生成工具对目标物体以及声传播域进行网格剖分。
77.在步骤301-302中，分别利用有限元网格生成工具对目标物体以及声传播域进行网格剖分。在具体剖分过程中，网格的形状可以为任意形状，网格的边长基于目标声波的波长确定。可以理解的是，由于目标声波在一个波长周期内存在波峰以及波谷，因此，至少需要每隔四分之一波长采样才能实现目标声波的波形拟合。基于此，确定边长范围为不大于目标声波的波长的四分之一，在这样的范围内确定网格边长，可以保证一个波长周期至少跨过四个网格，在每个网格内进行仿真计算，避免计算得到的目标声波的波形失真。
78.例如，若目标声波的频率为170hz，此时声速为340m/s，那么可确定目标声波的波长为340/170＝2m/s，则边长范围为不大于2/4＝0.5m，也即网格的边长至少为0.5m。
79.优选地，可综合分析目标声波的波长以及仿真精度要求，进而确定网格边长。具体地，由前述分析可知，边长范围可取值为不大于目标声波的波长的四分之一，此时网格边长为不大于波长的四分之一的数值。在此基础上，网格边长越小，则仿真精度越高，偏差越小，但计算量越大，消耗的计算资源越多且计算效率越低；网格边长越大，则仿真精度越低，偏差越大，但计算量越小，消耗的计算资源越小且计算效率越高。因此综合分析计算负荷以及仿真精度要求，确定网格边长，在满足精度要求的基础上提高计算效率。
80.可选地，在本技术实施例中，如图5所示，利用有限元网格生成工具对目标物体以及声传播域进行网格剖分，包括：
81.步骤401，利用有限元网格生成工具，将目标物体的表面划分成多个平面网格；
82.步骤402，利用有限元网格生成工具，将声传播域划分成多个立体网格。
83.在步骤401-402中，分别利用有限元网格生成工具对目标物体以及声传播域进行剖分。其中，由于目标物体表面振动产生声波并在声传播域中传播，因此仅对目标物体的表面以及声传播域进行剖分，而不处理目标物体内部。在具体剖分过程中，由于目标物体的表面是二维的，因此将其划分成多个平面网格，平面网格可以是三角形、四边形，也可以是其他多边形；由于声传播域是三维的，因此将其划分成为多个立体网格，立体网格可以是四面
体、六面体，也可以是其他多面体。平面网格与立体网格连接起来，声波从平面网格传播至立体网格，由于存在波峰以及波谷，因此不同网格处的声音特征可能不同。基于此可分别计算每个网格处对应的声音特性，以完成声传播的计算。
84.其中，可选地，平面网格的边长与立体网格的边长可以相同，也可以不同。
85.图6以及图7分别示出了本技术实施例的目标物体网格示意图以及声传播域网格示意图，如图所示，目标物体为圆柱体，其表面划分成若干四边形的网格；声传播域也为圆柱体，划分成若干立方体。
86.可选地，在本技术实施例中，声音特性包括声压以及声强。
87.具体地，声波可包含多种不同的特性，在本技术实施例中，通过建模仿真计算，得到目标声波的声压以及声强，进而可利用声压以及声强分析目标物体微振动对整个机械结构的影响。其中，声压以及声强越大，则影响越大；反正则影响越小。
88.可设置声压阈值以及声强阈值，若仿真计算得到的声压大于声压阈值或声强大于声强阈值，则认为目标物体微振动带来的影响较大，因此可重新调整设计方案，直至对机械结构的影响较小。
89.其中，图8以及图9示出了声传播域中各点的声压以及声强计算结果，在图8以及图9中，不同颜色代表不同的声压以及声强，颜色最深处表示声波的波峰，圆柱体一端的环状表示声波的波谷。在图9所示的水平和竖直剖面图中，存在一个中空结构，此处为目标物体所在位置，由于仅对目标物体表面以及声传播域进行网格划分以及仿真计算，因此目标物体内部未参与计算，不显示该位置的声压以及声强计算结果。
90.应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
91.进一步地，作为上述物体表面微振动的声传播计算方法的具体实现，本技术实施例提供了一种物体表面微振动的声传播计算装置，如图10所示，该装置包括：建模模块以及仿真模块。
92.建模模块，用于建立目标三维模型，并对目标三维模型进行网格剖分，其中，目标三维模型包括目标物体以及声传播域；
93.仿真模块，用于在目标物体的表面加载微振动，并对目标物体进行仿真，得到目标声波。
94.在具体的应用场景中，可选地，仿真模块用于：
95.获取微振动参数，并根据微振动参数，在目标物体的表面对应的网格中加载微振动，其中，微振动参数包括：微振动振幅、微振动圆频率、微振动持续时长以及微振动初始相位。
96.在具体的应用场景中，可选地，仿真模块用于：
97.在微振动频率以及微振动振幅下，对目标物体进行仿真，得到目标声波在每个网格内的声音特性。
98.在具体的应用场景中，可选地，建模模块用于：
99.根据目标声波的波长确定边长范围，并在边长范围内确定网格边长；
100.根据网格边长，利用有限元网格生成工具对目标物体以及声传播域进行网格剖
分。
101.在具体的应用场景中，可选地，建模模块用于：
102.利用有限元网格生成工具，将目标物体的表面划分成多个平面网格；
103.利用有限元网格生成工具，将声传播域划分成多个立体网格。
104.在具体的应用场景中，可选地，声音特性包括声压以及声强。
105.在具体的应用场景中，可选地，目标物体装设于风洞内，声传播域的形状与风洞的形状相对应。
106.需要说明的是，本技术实施例提供的一种物体表面微振动的声传播计算装置所涉及各功能模块的其他相应描述，可以参考上述方法中的对应描述，在此不再赘述。
107.基于上述方法，相应的，本技术实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述物体表面微振动的声传播计算方法。
108.基于这样的理解，本技术的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施场景所述的方法。
109.基于上述如图1至图9所示的方法，以及图10所示的虚拟装置实施例，为了实现上述目的，本技术实施例还提供了一种设备，具体可以为个人计算机、服务器、网络设备等，该电子设备包括存储介质和处理器；存储介质，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序以实现上述如图1至图9所示的物体表面微振动的声传播计算方法。
110.可选地，该电子设备还可以包括用户接口、网络接口、摄像头、射频(radio frequency，rf)电路，传感器、音频电路、wi-fi模块等等。用户接口可以包括显示屏(display)、输入单元比如键盘(keyboard)等，可选用户接口还可以包括usb接口、读卡器接口等。网络接口可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如蓝牙接口、wi-fi接口)等。
111.本领域技术人员可以理解，本实施例提供的一种电子设备结构并不构成对该电子设备的限定，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
112.存储介质中还可以包括操作系统、网络通信模块。操作系统是管理和保存电子设备硬件和软件资源的程序，支持信息处理程序以及其它软件和/或程序的运行。网络通信模块用于实现存储介质内部各控件之间的通信，以及与该实体设备中其它硬件和软件之间通信。
113.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本技术可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现，也可以通过硬件实现。
114.本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的单元或流程并不一定是实施本技术所必须的。本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的单元可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的单元可以合并为一个单元，也可以进一步拆分成多个子单元。
115.上述本技术序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本技术的几个具体实施场景，但是，本技术并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本技术的保护范围。

技术特征：
1.一种物体表面微振动的声传播计算方法，其特征在于，所述方法包括：建立目标三维模型，并对所述目标三维模型进行网格剖分，其中，所述目标三维模型包括目标物体以及声传播域；在所述目标物体的表面加载微振动，并对所述目标物体进行仿真，得到目标声波。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述目标物体的表面加载微振动，包括：获取微振动参数，并根据所述微振动参数，在所述目标物体的表面对应的网格中加载微振动，其中，所述微振动参数包括：微振动振幅、微振动圆频率、微振动持续时长以及微振动初始相位。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述目标物体进行仿真，得到目标声波，包括：在微振动频率以及所述微振动振幅下，对所述目标物体进行仿真，得到所述目标声波在每个所述网格内的声音特性。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述目标三维模型进行网格剖分，包括：根据所述目标声波的波长确定边长范围，并在所述边长范围内确定网格边长；根据所述网格边长，利用有限元网格生成工具对所述目标物体以及所述声传播域进行网格剖分。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用有限元网格生成工具对所述目标物体以及所述声传播域进行网格剖分，包括：利用所述有限元网格生成工具，将所述目标物体的表面划分成多个平面网格；利用所述有限元网格生成工具，将所述声传播域划分成多个立体网格。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述声音特性包括声压以及声强。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标物体装设于风洞内，所述声传播域的形状与所述风洞的形状相对应。8.一种物体表面微振动的声传播计算装置，其特征在于，所述装置包括：建模模块，用于建立目标三维模型，并对所述目标三维模型进行网格剖分，其中，所述目标三维模型包括目标物体以及声传播域；仿真模块，用于在所述目标物体的表面加载微振动，并对所述目标物体进行仿真，得到目标声波。9.一种存储介质，其上存储有程序或指令，其特征在于，所述程序或指令被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。10.一种电子设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法。

技术总结
本申请公开了一种物体表面微振动的声传播计算方法及装置、介质和设备。方法包括：建立目标三维模型，并对目标三维模型进行网格剖分，其中，目标三维模型包括目标物体以及声传播域；在目标物体的表面加载微振动，并对目标物体进行仿真，得到目标声波。本申请的方法解决了现有方法忽略大型工件表面的微小振动，从而导致机械结构的寿命以及质量降低等问题。而导致机械结构的寿命以及质量降低等问题。而导致机械结构的寿命以及质量降低等问题。


技术研发人员：王睿 刘长胜 杨树华 卢傅安 肖忠会 罗劲 刘德重 谷城
受保护的技术使用者：沈阳透平机械股份有限公司
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/24