도파관 유한요소 및 경계요소 방법을 이용한 복잡한 평판의 구조 음향 특성 해석

Abstract

Many large structures such as ships, offshore structures and railway vehicles are composed of double plates with complex cross sections. In order to analyze the vibration and noise of such structures, it is necessary to understand the vibro-acoustic behaviour of double plates with complex cross-sections as basic elements. In this study, to mitigate the difficulty of analysis, a double plate with a complex cross section is simplified to a waveguide structure with a constant cross-section in the longitudinal direction. In this study, the vibration and sound radiation of a strip plate (a plate having long length compared to its width) are numerically analyzed. The waveguide finite element and boundary element method which is effective for the vibration and noise analysis of waveguide structures with a constant cross-sectional shape is used. Since the waveguide finite element / boundary element method analyzes by modeling only two-dimensional cross sections, the size of the model to be handled is small and the computation speed is high. First, numerical results of the radiation efficiency and sound transmission loss of a simple strip plate are compared with the theoretical results. The vibro-acoustic behaviour of single and double strip plates with the stiffeners are then discussed. In the case of the double strip plate, an air layer exists between the upper plate and the lower plate, and the inner air layer affects the vibration and sound radiation of the double strip plate. Therefore, the effects of the inner air cavity are examined when the double strip plate are coupled with the inner air cavity. In fact, large structures consist of panels that are much more complex than simple double panel structures. Therefore, the complex shaped aluminium extruded panel used in the floor of the railway vehicle is chosen as an example of the complex shaped extruded panels. The wave propagation characteristics of the extruded panel are examined through the dispersion diagram. For mechanical excitation, the characteristics of the radiation efficiency according to the point force of the two types (strip excitation and stiffener excitation) are analyzed and the difference between the two types is discussed in detail. In the case of acoustic excitation, the acoustic transmission characteristics are examined. The validity of the numerical results is confirmed by comparing the numerical results with those from the 1.5 m long finite plates. |선박이나 해양 구조물, 철도차량 등과 같은 대형 구조물들은 복잡한 단면을 갖는 이중 평판으로 구성되어 있다. 이러한 구조물의 진동 및 소음 현상을 해석하기 위해서는 기본요소로써 복잡한 단면을 갖는 이중 평판의 구조-음향 특성을 이해하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 해석의 어려움을 완화하고자 복잡한 단면을 갖는 이중 평판을 단면이 길이방향으로 일정하고 길이가 무한한 도파관 구조물로 단순화시켜 다루고자 한다. 본 연구에서는 무한 길이 띠 평판(폭에 비해 길이가 아주 긴 평판)의 진동 및 소음 특성을 수치해석 하였다. 수치해석 기법으로 단면의 형상이 길이 방향으로 일정한 도파관 구조물의 진동 및 소음해석에 효과적인 도파관 유한요소/경계요소(waveguide finite element and boundary element) 방법을 사용한다. 도파관 유한요소/경계요소법은 2차원 단면만을 모델링하여 해석하므로 다루어야 하는 모델의 크기가 작고 연산속도가 빠르다는 장점이 있다. 우선 단순 띠 평판의 진동 및 소음 특성을 수치해석하고 이 결과를 이론해석 결과와 비교함으로써 수치해석의 타당성을 확인한다. 그 후 보강재를 갖는 단일 띠 평판 및 이중 띠 평판의 진동 및 소음 특성에 대해 살펴본다. 이중 띠 평판의 경우 상부 평판과 하부 평판 사이에 공기층이 존재하고 내부 공기층은 이중 띠 평판의 진동 및 소음 특성에 영향을 미치게 된다. 따라서 이중 띠 평판이 내부 공기와 연성 되었을 때 평판의 진동 및 소음에 미치는 영향에 대해 살펴본다. 실제 대형 구조물은 단순한 이중패널 구조가 아닌 훨씬 더 복잡한 구조로 구성된 패널로 이루어져 있다. 따라서 실제 압출패널 모델과 동일한 단면을 갖는 무한길이 압출패널의 진동 및 소음특성에 대해서 살펴본다. 분산선도를 통해 주파수 대역에 따른 압출패널의 파동 전파 특성에 대해 살펴본다. 기계적 가진에 대해서는 두가지 유형(스트립 가진, 보강재 가진)의 점 하중에 따른 방사효율의 특성을 해석하고 두 유형의 차이에 대해 자세히 살펴본다. 음향학적 가진의 경우 음향 투과 특성에 대해 살펴본다. 수치해석 결과를 1.5 m 길이의 유한판으로부터 실험한 결과와 비교하여 수치해석 결과의 유효성을 확인한다.