结构力场与压力声场耦合的数值计算方法及装置与流程

本发明涉及结构力学场，尤其是涉及一种结构力场与压力声场耦合的数值计算方法及装置。

背景技术：

1、在超声波流量计中，压电换能器既可以做执行器(发射声波)，又可以做接收器(接收声波)。当对其输入电信号时，压电换能器的压电结构层的伸张和收缩带动结构层的形变，施加到发射器的输入电压信号导致压电换能器发生机械变形，从而，这种机械变形也会在流体中产生声波。当执行器产生的声波在流体中传播达到接收器后，发生相反的过程：机械负载因正压电效应而转换成电信号。

2、因此，当压电换能器应用在流体流量计的时候，由于上述效应可以即产生一种压电感应的结构力场；同时由压力产生在流体中引起的震动也会产生一种对应的压力声场。但是现有技术中往往仅能会对其中的结构力场进行建模计算，并不能对二者之间的耦合作用进行研究，从而会导致对结构力场和压力声场的求解准确度低的问题存在。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构力场与压力声场耦合的数值计算方法、装置及电子设备，以缓解上述的技术问题。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种结构力场与压力声场耦合的数值计算方法，该方法应用于压电换能器，该方法包括：建立压电换能器的三维模型作为压电换能器模型，并获取压电换能器模型的基准参数矩阵；基于基准参数矩阵构建压电换能器模型的力场结构方程和声场声压方程；获取压电换能器模型的力场结构参数和声场声压参数；基于力场结构参数和声场声压参数对力场结构方程和声场声压方程进行交替求解，直至力场结构方程和声场声压方程均收敛，分别得到压电结构的位移向量和声场的声压向量。

3、进一步地，其中，三维模型包括压电结构层、匹配层、流体层，匹配层设置于压电结构层与流体层之间；匹配层用于截断流体层中传播的声波；建立压电换能器的三维模型作为压电换能器模型包括：获取压电换能器的物理参数，并基于物理参数构建压电换能器的压电结构层模型和流体层模型；其中，物理参数包括：压电换能器各层的声阻抗值、杨氏模量以及密度；在流体层模型与外部接触一侧，构建一个虚拟域作为匹配层。

4、进一步地，建立压电换能器模型还包括：约束匹配层模型的壁面为固定；约束压电结构层模型在边界法线的方向上位移为零，在边界切线方向上可以自由移动，并定义压电换能器的压电材料的机械阻尼参数。

5、进一步地，压电换能器的压电材料的机械阻尼参数如下式表示：

6、β＝2ξi/ωi

7、其中，β为机械阻尼参数，ωi为压电换能器模型模态i的固定角频率，ξo为压电换能器模型振型i的振动阻尼比，即实际阻尼和临界阻尼的比值。

8、进一步地，获取三维模型的基准参数矩阵包括：建立压电换能器模型的基准矢量坐标系，并确定基准矢量坐标系的基准矢量；获取压电换能器模型各参数的原始矢量矩阵；用基准矢量与各参数的原始矢量矩阵相乘以得到各参数对应的基准参数矩阵。

9、进一步地，力场结构参数包括：压电结构刚度矩阵和压电结构载荷向量；压电换能器模型的力场结构方程如下式表示：

10、[k]{u}＝{f}

11、其中，[k]为压电结构刚度矩阵，{u}为压电结构的位移向量，{f}为压电结构载荷向量。

12、进一步地，声场声压参数包括：流体质量矩阵、压电结构与流体的耦合刚度矩阵、压电结构的速度向量以及声源向量；上述声场声压方程如下式表示：

13、[m]{p}+[k']{v}＝{q}

14、其中，[m]为流体质量矩阵，{p}为声场的声压向量，[k']为压电结构与流体的耦合刚度矩阵，{v}为压电结构的速度向量，{q}是声源向量。

15、进一步地，基于力场结构参数和声场声压参数对力场结构方程和声场声压方程进行交替求解包括：基于初始获得的力场结构参数求解力场结构方程，得到压电结构的位移向量；利用压电结构的位移向量作为压电结构的速度向量，求解声场声压方程，得到声场的声压向量；将得到的声压向量作为力场结构方程载荷向量，对力场结构方程进行求解，并重复上述步骤直至力场结构方程和声场声压方程均收敛。

16、第二方面，本发明实施例还提供了一种力场与声场耦合的数值计算装置，装置用于执行上述的方法，该装置包括：模型建立模块，用于建立压电换能器的三维模型作为压电换能器模型，并获取压电换能器模型的基准参数矩阵；方程构建模块，用于基于基准参数矩阵构建压电换能器模型的力场结构方程和声场声压方程；参数获取模块，用于获取压电换能器模型的力场结构参数和声场声压参数；求解模块，用于基于力场结构参数和声场声压参数对力场结构方程和声场声压方程进行交替求解，直至力场结构方程和声场声压方程均收敛，分别得到压电结构的位移向量和声场的声压向量。

17、第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一项的方法。

18、本发明实施例带来了以下有益效果：

19、本发明实施例提供的一种结构力场与压力声场耦合的数值计算方法，该方法应用于压电换能器，该方法包括：建立压电换能器的三维模型作为压电换能器模型，并获取压电换能器模型的基准参数矩阵；基于基准参数矩阵构建压电换能器模型的力场结构方程和声场声压方程；获取压电换能器模型的力场结构参数和声场声压参数；基于力场结构参数和声场声压参数对力场结构方程和声场声压方程进行交替求解，直至力场结构方程和声场声压方程均收敛，分别得到压电结构的位移向量和声场的声压向量。可以通过对于压电换能器所产生的结构力场和压力声场进行耦合研究，并对相关向量进行计算，从而可以提高对结构力场和压力声场的求解的准确度。

20、本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

21、为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

技术特征：

1.一种结构力场与压力声场耦合的数值计算方法，其特征在于，所述方法应用于压电换能器，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的结构力场与压力声场耦合的数值计算方法，其特征在于，其中，所述三维模型包括压电结构层、匹配层、流体层，所述匹配层设置于所述压电结构层与所述流体层之间；所述匹配层用于截断流体层中传播的声波；所述建立压电换能器的三维模型作为压电换能器模型包括：

3.根据权利要求2所述的结构力场与压力声场耦合的数值计算方法，其特征在于，所述建立压电换能器模型的过程还包括：

4.根据权利要求3所述的结构力场与压力声场耦合的数值计算方法，其特征在于，所述压电换能器的压电材料的机械阻尼参数如下式表示：

5.根据权利要求1所述的结构力场与压力声场耦合的数值计算方法，其特征在于，所述获取所述三维模型的基准参数矩阵包括：

6.根据权利要求1所述的结构力场与压力声场耦合的数值计算方法，其特征在于，所述力场结构参数包括：压电结构刚度矩阵和压电结构载荷向量；

7.根据权利要求6所述的结构力场与压力声场耦合的数值计算方法，其特征在于，所述声场声压参数包括：流体质量矩阵、压电结构与流体的耦合刚度矩阵、压电结构的速度向量以及声源向量；

8.根据权利要求6或7所述的结构力场与压力声场耦合的数值计算方法，其特征在于，所述基于所述力场结构参数和所述声场声压参数对所述力场结构方程和所述声场声压方程进行交替求解包括：

9.一种结构力场与压力声场耦合的数值计算装置，其特征在于，所述装置用于执行上述权利要求1-8中的方法，所述装置包括：

10.一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有可在所述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计算机程序时实现上述权利要求1-8任一项所述的方法。

技术总结
本发明实施例提供的一种结构力场与压力声场耦合的数值计算方法、装置及电子设备，该方法应用于压电换能器，该方法包括：建立压电换能器的三维模型作为压电换能器模型，并获取压电换能器模型的基准参数矩阵；基于基准参数矩阵构建压电换能器模型的力场结构方程和声场声压方程；获取压电换能器模型的力场结构参数和声场声压参数；基于力场结构参数和声场声压参数对力场结构方程和声场声压方程进行交替求解，直至力场结构方程和声场声压方程均收敛，分别得到压电结构的位移向量和声场的声压向量。可以通过对于压电换能器所产生的结构力场和压力声场进行耦合研究，并对相关向量进行计算，从而可以提高对结构力场和压力声场的求解的准确度。

技术研发人员：蒋彦华,谭龙,刘干文,王振杰
受保护的技术使用者：宁波水表（集团）股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15