下载文档原格式
具有弹性板的矩形封闭声腔结构-声耦合数值仿真分析摘要封闭声腔内的噪声控制问题具有重要的工程背景和研究意义。
本文运用有限元软件ANSYS建立了由五块弹性板和一个刚性壁面构成的矩形封闭声腔结构，在考虑弹性结构与腔内声场的耦合作用下，分析了在给定的结构约束条件下矩形封闭声腔腔内声场的前十阶声模态，并在此基础上进一步分析了，在弹性结构上施加简谐激励力后，封闭声腔腔内声场的声压分布情况以及声压随频率的变化规律。
最后，通过改变弹性板的边界条件，分析了边界条件对腔内声场特性的影响。
关键词声场；耦合；有限元；封闭声腔1 概述1.1研究背景与研究目的随着近代工业的发展，环境污染也随着产生，噪声污染就是环境污染的一种，已经成为对人类的一大危害。
噪声污染与水污染、大气污染、固体废弃物污染被看成是世界范围内3个主要环境问题，所以控制噪声污染已成为环境保护的重要内容。
噪声污染按声源的机械特点可分为：气体扰动产生的噪声、固体振动产生的噪声、液体撞击产生的噪声以及电磁作用产生的电磁噪声。
按照来源分，则可分为交通噪音、工业噪音、建筑噪音、社会噪音、家庭生活噪音污染。
1.2 封闭声腔结构-声耦合分析的一些求解过程有限元分析法当今最常见的是基于格林函数法的分析与研究，以封闭声腔为模型,在考虑流固耦合作用的基础上,结合流体格林函数和Helmholtz方程及其边界条件,导出了各阶声压模态对应的声压振幅响应公式;结合结构格林函数和板的振动方程及其边界条件,导出了各阶板模态对应的速度振幅响应公式。
Dowell[1]等建立了弹性薄板声腔系统的结构-声耦合理论模型，分析了耦合系统的固有特性，并进行了实验验证。
Kim[2]等人发展了Dowell的理论，在前人的基础上，用阻抗和导纳方法分析了结构-声耦合问题，但其却没有对系统耦合特性以及影响系统耦合程度的因素作具体研究。
1984年,美国通用汽车的Sung和Nefske[3]应用有限元方法对完整车身内部结构噪声进行了分析,并首次考虑了车身结构和声场的耦合作用。
矩形波导场结构的仿真一、实验目的：1.加深学生对矩形波导中电磁场分布的理解；2.加深学生对矩形波导工作模式与相关参数的理解；3.提高学生的软件仿真能力。
二、实验原理设金属波导的尺寸为a ×b ，传输TE mn 波时电磁场分量为：在截止波长 时，相关参数分别为工作波长波相位三、实验内容及步骤通过MATLAB 计算并绘制出任意时刻金属矩形波导内TEmn 模的电磁场分布图： 1.根据给定波导尺寸和工作频率计算出相关参数；2.根据一定的绘图精度确定电磁场的坐标点，并计算电场、磁场分量；3.分别绘制出电场和磁场场分量的分布图，将电场分布图叠加于磁场分布图上。
四、实验要求波导尺寸、工作频率，工作模式及精度由输入确定。
五、实验报告• 1.按照要求完成相关仿真，给出流程图和程序； • 2.对主要语句做中文注释； • 3.给出仿真的场分布图。
程序清单如下：clear;a=input('尺寸宽边'); %矩形波导尺寸a b=input('尺寸窄边'); %矩形波导尺寸b m=input('m'); %TEMmn 模工作模式设定 n=input('n');)cos()cos()cos()sin()sin()cos()()sin()cos()sin()(0)sin()cos()sin()()sin()sin()cos()(2222z t byn a x m H H z t b y n a x m H b n k H z t b y n a x m H a m k H E z t byn a x m H a m k E z t b y n a x m H b n k E m z m c y m c x z m c y m c x βωππβωπππββωπππββωπππωμβωπππωμ-=--=--==-=--=22)()(2b na m c +=λgcg λπβλλλλ2)(12=-=d=input('采样精度'); %采样精度Hm=input('幅值'); %Hz的幅值，可以为任意值f=input('工作频率'); %矩形波导的工作频率t=input('波传播时刻'); % 波传播t时刻的场结构图lc=2*((m/a)^2+(n/b)^2)^0.5; %TEMmn截止波长l=3*10^8/f; %波的工作波长lg=l/((1-(l/lc)^2)^0.5); %波导的波长c=lg; %传输方向，取波导传播的方向B=2*pi/lg; %相位常数的计算β=2*pi/λgw=B/(3*10^8); %角频率的计算u=4*pi*10^(-7);%内环最内层的电流值if(l>lc)return;%若工作波长大于截止波长，波不沿波导传播，则返回;elsex=0:a/d:a; %x轴方向的常分量，精度为a/dy=0:b/d:b; %y轴方向的常分量，精度为b/dz=0:c/d:c; %z轴方向的常分量，其精度为c/d[x1,y1,z1]=meshgrid(x,y,z); %三维空间图形绘制采样点函数Hx=-B.*a.*Hm.*sin(m*pi./a.*x1).*cos(n*pi*y1./b).*sin(w*t-B.*z1)./pi;%磁场在x轴上的分布函数Hy=-B.*a.*Hm.*cos(m*pi*x1./a).*sin(n*pi*y1./b).*sin(w*t-B.*z1);%磁场在y轴上的分布函数Hz=Hm.*cos(m*pi*x1./a).*cos(n*pi*y1./b).*cos(w*t-B*z1);%磁场在z轴上的分布函数%figure;quiver3(z1,x1,y1,Hz,Hx,Hy,'b');%绘制三维图以及线的颜色为深蓝色xlabel('传输方向');ylabel('波导宽边a');zlabel('波导窄边b');hold on;%继续x2=x1-0.001;%画x2图的与x1的间隔为0.001y2=y1-0.001;z2=z1-0.001;Ex=-w.*u.*a.*Hm.*cos(m*pi./a.*x2).*sin(n*pi./b.*y2).*sin(w*t-B.*z2)./pi;%电场在y轴上的分布函数Ey=w.*u.*a.*Hm.*sin(m*pi./a.*x2).*cos(n*pi./b.*y2).*sin(w*t-B.*z2)./pi;%电场在y轴上的分布函数Ez=zeros(size(z2));%电场在z轴上的函数，产生以0开始的矩阵，Ez=0%figure;quiver3(z2,x2,y2,Ez,Ex,Ey,'r');%画三维图形电场的分布图颜色为红色xlabel('传输方向');ylabel('波导宽边a');zlabel('波导窄边b');hold off;%结束endTEM10模矩形波导块结构仿真图：TEM02模矩形波导块结构仿真图：。
矩形波导仿真实例研究报告矩形波导仿真实例研究报告一、引言矩形波导是微波和毫米波传输中常用的传输线结构。
在信号传输过程中，可以通过对矩形波导的仿真研究来优化波导的设计和参数，从而提高传输效率和性能。
二、研究目的本文旨在通过对矩形波导进行仿真研究，探究波导内部的场分布和传输特性，验证矩形波导的稳定性和可靠性，为矩形波导的设计和应用提供理论依据。
三、仿真模型本次研究采用了商业仿真软件CST Studio Suite进行矩形波导的建模和仿真。
我们选择了典型的矩形波导结构，包括长方形金属管、金属矩形圈和相邻的支撑杆。
四、仿真结果与分析4.1 电场分布通过仿真，我们得到了矩形波导内部的电场分布情况。
可以观察到，在TE10模式下，电场分布呈现出纵向和横向的分布特征，电场强度最大值集中在波导的四个角落。
4.2 传输特性在仿真中，我们对矩形波导进行了传输特性的仿真分析。
通过改变波导的尺寸和材料参数，我们发现波导的传输特性会受到影响。
当波导尺寸和材料参数适当选择时，可以实现较低的传输损耗和较高的传输效率。
4.3 稳定性验证为验证矩形波导的稳定性，我们进行了温度变化下的仿真模拟。
结果表明，矩形波导在一定温度范围内仍能保持较好的传输性能。
然而，当温度超出波导所能承受的范围时，波导的稳定性会受到明显影响。
五、应用展望本文对矩形波导的仿真研究为矩形波导在微波和毫米波传输中的应用提供了理论依据和指导。
矩形波导具有传输损耗低、传输效率高和抗干扰能力强等优点，在航空航天、通信、雷达等领域具有广泛应用前景。
六、结论通过对矩形波导进行仿真研究，我们得出了以下结论：首先，矩形波导的电场分布呈现出明显的纵向和横向分布特征。
其次，在适当的尺寸和材料参数下，矩形波导具有较低的传输损耗和较高的传输效率。
最后，矩形波导在一定范围内具有较好的稳定性，但在高温或低温环境下可能会失去传输特性。
七、致谢感谢CST Studio Suite提供了优秀的仿真软件和技术支持，使本次研究取得圆满成功。
矩形波导的设计讲解矩形波导模式和场结构分析第⼀章绪论1.1选题背景及意义矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截⾯形状为矩形的长⽅形的⾦属管。
若将同轴线的内导线抽⾛，则在⼀定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。
矩波导加⼯⽅便，具有损耗⼩和双极化特性，常⽤于要求双极化模的天线的馈线中，也⼴泛⽤作各种谐振腔、波长计，是⼀种较常⽤的规则⾦属波导。
矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。
其中主要有三种常⽤模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。
在不同⼯作模式下，截⽌波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种⼯作模式的⽤途也不相同。
导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电⼒线的疏密来表⽰场得强与弱。
本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常⽤模式，并利⽤MATLAB 和三维⾼频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。
1.2国内外研究概况及发展趋势由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究⽅法，采取重叠的研究⽅法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。
时域有限差分法就是实现直接对电磁⼯程问题进⾏计算机模拟的基本⽅法。
在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进⾏了⼤量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作⽤下的理论。
另外，对于物体的电特性，理论上具有⼏乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带内的频率成分在区主要作⽤。
英国物理学家汤姆逊(电⼦的发现者) 在1893 年发表了⼀本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩⾦属壁管⼦(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预⾔波长可与矩柱直径相⽐拟, 这就是微波。
他预⾔的矩波导传输, 直到1936 年才实现。
实验二 矩形波导仿真与分析一、实验目的：1、 熟悉HFSS 软件的使用；2、 掌握导波场分析和求解方法，矩形波导高次模的基本设计方法；3、 利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。
二、预习要求1、 导波原理。
2、 矩形波导模式基本结构，及其基本电磁场分析和理论。
3、 HFSS 软件基本使用方法。
三、实验原理由于矩形波导的四壁都是导体,根据边界条件波导中不可能传输TEM 模,只能传输TE 或TM 模。
这里只分析TE 模(Ez=0)对于TE 模只要解Hz 的波动方程。
即采用分离变量，并带入边界条件解上式，得出TE 模的横向分量的复振幅分别为（1）矩形波导中传输模式的纵向传输特性①截止特性波导中波在传输方向的波数β由式9 给出222000220z z c z H H k H x y ∂∂++=∂∂式7000220002200020002()cos()sin()()sin()cos()()sin()cos()()cos()sin()z x c c z y c c y x H c x y H c H n m n E j j H x y k y k b a b H m m n E j j H x y k x k a a b E m m n H j H x y Z k a a b E n m n H j H x y Z k b a b ωμωμπππωμωμπππβπππβπππ∂⎧==⎪∂⎪⎪∂==-⎪∂⎪⎨⎪=-=⎪⎪⎪==⎪⎩式822222c c k k ππβλλ=-=-式9式中k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。
要使波导中存在导波,则β必须为实数,即k 2＞k 2c 或λ＜λc(f ＞f c ) 式10如果上式不满足,则电磁波不能在波导内传输,称为截止。
故k c 称为截止波数。
矩形波导中TE 10模的截止波长最长,故称它为最低模式,其余模式均称为高次模。
由于TE 10模的截止波长最长且等于2a,用它来传输可以保证单模传输。
矩形压缩谐振腔内基底对电场影响的仿真模拟刘繁;李国伟;马志斌;汪建华【摘要】The plasma used for microwave plasma chemical vapor deposition diamond in a rectangular resonant cavity has poor stability and uniformity. The Ansoft software is used to simulate the electric field in the rectangular compression resonant cavity and optimize the device. In the simulation, it assumed that all the boundaries were defined as ideal electric conductor in addition to the microwave input port; microwave with plane wave form was got through the rectangular waveguide and coupled to the microwave resonant cavity; The result of electric field distribution in resonant cavity was achieved through the Maxwell' s equations solved by high frequency structure simulator which suited for the model. The electric field distribution in cavity was simulated in different parameters that the substrate radii were 11 mm, 13 mm, 15 mm, 17 mm and the depths of substrate inserted in the reaction cavity were1. 5 mm, 2 mm, 2. 5 mm, 3 mm, 4 mm, respectively. Numerical simulation results show that electric field strength in the compression resonant cavity is about 817 V /m which is almost double compared with that in standard waveguide cavity. The electric field strength inside the cavity is concentrated when the substrate radius is 13 mm and the depth of substrate inserted in the reaction cavity is 2 mm.%针对微波等离子体化学气相沉积金刚石过程中,矩形谐振腔中激发的等离子体稳定性和均匀性差的问题,提出通过用Ansoft软件对矩形压缩谐振腔进行模拟计算来优化设计谐振腔的方法.模拟中,假设除了微波输入端口以外,所有的边界都定义为理想电导体；微波能以平面波的形式,通过矩形波导被耦合到微波谐振腔内；再用高频结构仿真器联合求解满足模型条件的麦克斯韦方程组,得出谐振腔中的电场分布结果.分别模拟了基底深入谐振腔内高度为1.5、2、2.5、3、4 mm和基底半径为11、13、15、17 mm时,腔体内的电场分布.数值模拟结果表明,压缩谐振腔内的最大电场强度为817 V/m左右,较压缩之前的电场强度增高了近一倍,且基底深入谐振腔高度为2 mm,基底半径为13 mm左右时,装置内电场强度较集中.【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2013(035)001【总页数】4页(P51-54)【关键词】谐振腔;高频结构仿真器;基底尺寸;电场模拟【作者】刘繁;李国伟;马志斌;汪建华【作者单位】武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北武汉430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北武汉430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北武汉430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】O411.30 引言微波等离子体化学气相沉积广泛用于功能薄膜、纳米材料的制备中［1－2］，微波等离子体谐振腔中电场对等离子体的激发与稳定运行有重要的影响［3－4］.谐振腔中，特别是基片附近的电场对沉积过程及材料结构的影响非常重要，有必要对微波谐振腔以及内部的电磁场分布进行研究，从而提高装置的稳定性.本实验采用Ansoft仿真软件［5］对谐振腔内的电场分布进行模拟计算，根据模拟结果对微波等离子体矩形单模谐振腔的结构进行优化设计.同时，归纳出不同基底尺寸情况下电场强度及分布的变化规律，以寻求基底高度及半径的最佳尺寸，从而设计稳定高效且能产生高均匀度微波等离子体的装置.1 谐振腔设计与模型建立本实验装置主要由微波源、波导、反应腔及附属系统和微波调谐系统组成.其中，微波反应器由矩形压缩谐振腔、石英管、短路活塞等部分组成.矩形波导内电磁场分布较规律，目前微波等离子体化学气相沉积矩形单模谐振腔大部分是直接采用的标准矩形波导结构.图1 微波矩形压缩谐振腔等离子体装置结构示意图Fig.1 Schematic view of a microwave plasma device with compression rectangular cavity在常压微波等离子体射流装置的研制过程中，为了更利于等离子体的激发，需要尽可能的增大耦合到谐振腔中的微波电场.可以从设计特殊结构的谐振腔这方面来进行考虑.对于谐振腔的结构，大多数装置都是采用结构单一的规则矩形波导，尽管这种类型的谐振腔有着加工简单、内部电磁场分布较简单的优点，但对谐振腔内的微波电场耦合却不能满足最大化的要求，因此，对谐振腔的结构进行优化设计能提高微波能量的利用率，更有利于微波等离子体的激发.通常采用的压缩谐振腔有阶梯型压缩谐振腔和渐变型压缩谐振腔两种结构，本实验中采用的是呈渐变型压缩这种方式.波导的封闭特性决定了电磁波无法向外部空间进行辐射，而对矩形波导窄边进行压缩可以实现能量集中.图1为实验室研制的矩形压缩谐振腔微波等离子体装置的结构示意图，在矩形谐振腔电场最强的区域，在宽边中心处插入一可上下调节的基底结构，微波等离子体在基底上部被激发.2 理论基础采用标准BJ26的矩形波导，波导管尺寸为86.4mm×43.2mm，波导内部传输模式为TE10模，使用的微波频率为2.45GHz.设计谐振腔部位为渐变型压缩结构，对矩形波导谐振腔的窄边进行压缩.谐振腔内部同样仅有TE10模式存在，为一单模矩形谐振腔.通过求解满足模型条件的麦克斯韦方程组，即可得出其中的电磁场分布［6］.3 仿真分析利用高频电磁场有限元软件高频结构仿真器（HFSS）模拟矩形压缩谐振腔的内部电磁场以及不同基底尺寸下基底附近的电场强度及分布.在模拟时，假设波导为理想导体，并且微波能以平面波的形式通过波导传送到反应腔内进行耦合.3.1 矩形压缩谐振腔内电场模拟图2为矩形压缩谐振腔内微波传输方向的驻波数，其中选取的剖面与矩形波导中波的传输方向平行并经过矩形波导宽边中线.模拟可得，在微波等离子体装置中，如图2所示，矩形压缩谐振腔内有一个半驻波分布，并且最大电场强度为817 V ／m左右，而在图中最左端的半驻波分布可以看到，结构无变化的矩形波导中的最大电场强度约为462V／m.其中在矩形压缩谐振腔处的电场强度要比未经压缩的矩形谐振腔内的电场强度高出一倍大小，等离子体的激发效率将会大大提高.但是在实际操作中会存在一些不可避免的能量损耗，因此实际需要的微波功率要大于计算值.图2 微波传输方向上分布的半驻波数Fig.2 The semi－standing wave on the microwave transmission direction3.2 基底尺寸的设计当谐振腔的结构固定时，基底尺寸以及基底在矩形谐振腔内的位置对是否能激发稳定均匀的等离子体起着至关重要的作用.用Ansoft软件对不同基底尺寸下矩形压缩谐振腔的内部电磁场分布进行计算模拟，在此基础上对基底尺寸与电磁场的强度及分布规律进行归纳，得到激发微波等离子体最佳条件下的基底尺寸.图3为矩形压缩谐振腔内的电场强度随基底高度变化的曲线图.横轴为归一化的径向距离并且所选取的平面位于基片台上方5mm处，从图中可以看出，标有正方体，三角符，竖线，圆，星号的实线分别表示基底深入矩形压缩谐振腔内的高度为1.5，2，2.5，3，4mm.由图可以得出，当基底深入矩形压缩谐振腔内的高度为2mm 时，电场强度相对较高.根据计算模拟，明显可以得知，基底深入矩形压缩谐振腔过长或过短都不利于微波等离子体的激发.图3 基底深入谐振腔不同高度与电场强度分布的关系图Fig.3 Distribution of electric field strength with different height of substrate图4 不同基底半径与电场强度分布的关系图Fig.4 Distribution of electric field strength in different radii of substrate图4为矩形压缩谐振腔内的电场强度随基底半径变化的曲线图.横轴为归一化的径向距离并且所选取的平面位于基片台上方5mm处，从图中可以看出，标有正方体，三角符，叉线，圆的实线分别表示谐振腔内的基底半径为11，13，15，17 mm.由图可以得出，当谐振腔内的基底半径为13 mm时，电场强度相对较高.3.3 谐振腔内电场模拟图5为微波频率为2.45GHz时，矩形压缩谐振腔内的电场分布图，通过颜色的对比可以得出谐振腔内不同位置的电场分布，由此可以看出，矩形压缩谐振腔处的电场强度相对最强.图5 矩形压缩谐振腔内的电场分布图Fig.5 The electric field distribution in thecompression rectangular cavity4 结语本文利用高频结构仿真器软件（HFSS）模拟了一个矩形压缩谐振腔的微波等离子体装置内的电场分布，并根据模拟结果讨论了矩形压缩谐振腔的结构和基底尺寸对电场的影响.结果表明：在选用矩形压缩谐振腔的情况下，基底尺寸的变化对谐振腔内的电磁场强度影响较大，且基底深入谐振腔2mm左右，基底半径为13mm 左右时，更有利于均匀等离子体的激发，这为微波等离子体炬的数字化设计打下了基础.参考文献：［1］Wu Z Y，Xu Y Y，Zhang X L，et al Microwave plasma treated carbon nanotubes and their electrochemical biosensing application［J］.Talanta 2007，72：1336－1341.［2］Koidl P，Klages C P.Optical application of polycrystalline diamond ［J］.Diamond and Related Materials.1992（1）：1065－1074.［3］Zuo S S，Yaran M K，Grotjohn T A.Investi－gation of diamond deposition uniformity and quality for free standing film and substrate applications ［J］.Diamond and Related Materials.2008，17：300－305. ［4］Tachibana T，Ando Y，Watanabe A.Diamond films grown by a 60－kW microwave plasma chemical vapor deposition system ［J］. Diamond and Related Materials.2001（10）：1569－1572.［5］谢拥军，王鹏.Ansoft HFSS基础及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2007.［6］廖承恩.微波技术基础［M］.北京：国防工业出版社，1984.。
