声学结构相互作用
声学互动会创造声音
声学是声音的物理学 - 大气压力上方和下方声压的非常小而快速变化的感觉。我们将这些变化描述为在空间和时间上传播的压力波。波峰和槽分别代表最大压力和最小值。
当振动的结构物体打扰携带声压波的气体或液体（流体）时，会产生声音。所讨论的振动物体可能是板，膜或固体。此过程也称为声学结构相互作用。流体介质中的压力波还会在固体中产生振动。相互作用是双向的，尽管有时，沿一个方向的相互作用占主导地位。一个日常的例子是音响系统中的扬声器锥。
声学结构相互作用涉及从两个不同领域的物理学耦合：声学和结构力学。在某些应用中，流体中的声压波和固体的振动都足够强，可以显着影响彼此，从而导致双向耦合。
声学互动的一个示例
在扬声器中，语音线圈的结构位移施加了扬声器锥膜的振动。这会导致周围空气的压力变化，并产生听众听到的声音信号。
如果您观察到低音扬声器锥体以非常低的频率产生声音，则可能会注意到它会来回移动。当它向前移动时，锥体会在其前面压缩空气增加气压。随后它向后移动，超越了初始位置，还原气压。圆锥体的持续运动导致波浪在声音速度下以高压和低压的形式辐射。扬声器锥体周围的空气也影响了锥体运动，例如，就所谓的添加质量而言。在设计和优化扬声器时，需要考虑这些效果。
在其他情况下，培养基中的声压波用于在固体中产生振动，例如在超声成像或非破坏性阻抗测试中。
振动的粘性和热阻尼
热损失
当声音在小结构中传播（例如小传感器和接收器）时，热损失和粘性损失就会发挥作用。这会导致声波削弱，或者衰减，但最重要的是，结构振动受到阻尼。这些效果通常在响应测量值中观察到，在响应测量值中，共振受到阻尼（用高Q值舍入）并频率下降。包括这些效果在内是必不可少的，例如，建模微型传感器MEMS麦克风。这些损失机制的研究属于热声学，声学领域的子集。粘度和热传导效应通常会导致声学边界层结构壁附近的明显损失（能量耗散）。
当声学信号（例如声纳信号）在长距离内传输并减弱时，体积热传导和粘度也可能导致损失。在空气中，重要的是要仅在非常高的频率下考虑大量损失，但是在音频频率下可以忽略它们。
耦合
在经典的声学中，在求解Helmholtz方程或标量波方程时，物理假设是流体是无粘性的和等体的。在这种情况下，固体壁上存在滑动条件，耦合对表面正常进行。因此，声 - 固体耦合是一种多物理现象，其中声压会导致固体负载，而结构加速度则令人兴奋，令人兴奋（固体壁的正常加速度）。
当对包括粘性和热损耗的流体进行建模时，必须在固体表面指定机械和热条件。必须适用无滑动条件，以确保速度的连续性；固体的运动等于流体的运动。最后，通常假定温度下的声波动在壁上是等温的（固体中的热传导要比流体中大得多）。这些条件导致了紧密耦合的多物理问题。对于谐波扰动，可以将其视为流体结构相互作用（FSI）在频域中。
多孔材料
压力波和结构振动紧密相连的另一个区域是声音在多孔材料中传播时。饱和流体中的压力波动与多孔材料中的不同弹性波（剪切和纵向）相互作用。由于毛孔的尺寸通常很小，因此在这里引入阻尼的损失。此外，多孔结构域可以与纯固体结构或纯流体结构域耦合，从而引入多种多物理耦合。
有几种描述多孔材料中波传播的方法。最详细的内容之一是求解生物剂方程。他们解释了弹性波矩阵中弹性波的耦合传播和饱和孔流体中的压力波。这包括孔隙流体的阻尼效果。另一种方法是将多孔基质和饱和孔流体视为均质的等效流体。在这种情况下，仅对压力波进行建模，包括描述性损失。损失模型的范围从基于测量的纯经验模型到分析或半分析现象学模型。示例包括Delany-Bazley-Miki或Johnson-Champoux-Allard车型。
发布：2014年11月6日最后修改：2017年2月21日