Акустическое проектирование

Создание сложных конструкций с заданными виброакустическими характеристиками (акустическое проектирование) требует развития вычислительных технологий проектирования и методов испытаний. Актуальность задачи, например для кораблей или самолётов, обусловлена высокой ценой проектной ошибки, а её сложность – необходимостью обеспечить оперативный анализ вариантов конструкции, которые наилучшим образом соответствуют реальным условиям функционирования, и жесткими требованиями к точности прогноза.

В ИПФ РАН развит подход на основе взаимодействия масштабного физического моделирования, построения численных конечно-элементных моделей (КЭМ) и их экспериментальной верификации. При конструировании по эскизным чертежам создаётся численная модель прототипа, позволяющая детально исследовать виброакустические характеристики системы для разных конструктивных решений, изготавливается физическая геометрически подобная модель в заданном масштабном соотношении, обеспечивающая получение данных натурных измерений, возможность доводки параметров численной модели и проверки её рекомендаций. В результате достигается высокая степень соответствия прогноза с характеристиками реальной системы до её появления в полном масштабе.

Для обеспечения технологического цикла акустического проектирования разработаны и освоены несколько методов измерений, созданы инструментальная и испытательная базы, поддерживаются на высоком уровне вычислительные мощности и совершенствуются алгоритмические и программные средства численного анализа, а именно:

• использовался метод взаимности для исследования коэффициентов передачи переменных сил во внешнее поле, частот и акустически активных форм колебаний и эффективности применённых средств акустической защиты;
• разработана система вибродатчиков, гидрофонов и вибраторов со сбором данных и управлением возбуждением для испытаний модели с количеством измерительных каналов порядка 500;
• освоен вычислительный кластер на 256 процессорах для численных экспериментов на КЭМ с несколькими десятками миллионов узлов;
• создан алгоритм суперэлементных вычислений для ускорения расчётов по вариантам конструкций.

Использование новых расчётных алгоритмов позволило существенно расширить возможности акустического проектирования, в том числе успешно решать задачи акустической оптимизации конструкций по смешанным акустико-прочностным критериям с учётом пластических деформаций, что актуально для объектов с экстремальными динамическими и статическими нагрузками.
Расчётные методы, как выяснила экспериментальная проверка, оказались пригодны по точности для определения силы цели упругих тел с произвольной геометрией и внутренней структурой. В частности, появляется возможность выявлять влияние корпусных резонансов объекта и его внутренней структуры на поперечник рассеяния.

В настоящее время технология численного моделирования, разработанная в ИПФ РАН, позволяет осуществлять прямое численное моделирование без приближений, связанных с особенностями масштабирования, вибрационного и акустического полей в натурных объектах в достаточно широком частотном диапазоне.

Получаемая точность конечно-элементных моделей даёт возможность использовать их не только для расчёта уровня излучения, но и для решения обратных задач, когда в качестве исходных данных берутся результаты измерений:

• при поиске источников виброактивности с применением метода обращения волнового фронта, модифицированного для вибрационного поля (П.И. Коротин);
• при определении вклада отдельных механизмов в суммарное поле конструкции, если есть сигналы от сторонних источников (А.С. Суворов, П.В. Артельный).