混响室的仿真、分析与优化
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建筑声学设计课程仿真实验报告一、实验目的建筑声学设计课程仿真实验旨在通过模拟实际建筑环境中的声学现象,让我们深入理解声学原理在建筑设计中的应用,掌握声学设计的基本方法和流程,提高对声学问题的分析和解决能力。
二、实验原理建筑声学主要涉及声音的传播、反射、吸收和散射等方面。
声音在封闭空间中传播时,会与墙壁、天花板、地板等表面发生相互作用。
这些表面对声音的吸收和反射特性会影响室内的声学效果,如混响时间、声压分布、语言清晰度等。
吸收系数是衡量材料对声音吸收能力的重要参数。
不同材料的吸收系数不同,通过合理选择和布置吸声材料,可以调整室内的声学环境。
此外,房间的形状、尺寸和比例也会对声学特性产生影响。
例如,过长或过宽的房间可能会导致声音聚焦或回声等问题。
三、实验设备与软件本次实验使用了专业的声学仿真软件,如_____。
该软件能够建立三维建筑模型,并模拟声音在其中的传播和反射情况。
同时,还配备了高性能计算机,以保证仿真计算的速度和准确性。
实验中使用的测量设备包括声级计、麦克风等,用于采集实际声音数据进行对比和验证。
四、实验步骤1、模型建立首先,根据给定的建筑平面和空间尺寸,使用仿真软件创建三维模型。
在模型中准确设定墙壁、天花板、地板等结构的材料属性,包括其吸收系数、反射系数等声学参数。
2、声源设置在模型中设置声源的位置、类型和强度。
常见的声源类型有扬声器、人声等。
通过调整声源参数,模拟不同类型和强度的声音在建筑空间中的传播。
3、声学参数计算运行仿真软件,计算室内的声学参数,如混响时间、早期反射声、直达声与混响声的比例等。
4、结果分析对仿真计算得到的结果进行分析,观察声音在空间中的传播模式、声压分布情况以及声学参数是否满足设计要求。
5、优化设计如果声学参数不满足要求,对建筑模型进行调整,如改变材料、调整房间形状和尺寸、增加吸声装置等,然后重新进行仿真计算和分析,直到达到理想的声学效果。
五、实验结果与分析1、混响时间混响时间是衡量室内声学环境的重要指标之一。
混响室内电场的蒙特卡洛模拟及其实验验证李昱;赵翔【摘要】The reverberation chamber(RC) plays an important role in the electromagnetic compatibility(EMC) test,and its probabilistic-statistical model can effectively and quickly analyze the random field environment in the reverberation chamber.Based on the plane-wave integral(PWI) representation and the mode expansion method(MEM) respectively,the electric field within a reverberation chamber is constructed by means of Monte Carlo(MC) simulation.A simple RC is set up under the laboratory environment to validate the simulation results.The electric fields within the working volume of the RC are measured at different frequencies and their probability density functions(PDFs) are in good agreements with the simulated ones.So it is concluded that the PWI and MEM are completely equivalent in describing the stochastic field in the working volume of the RC.%混响室在电磁兼容测试中发挥着重要的作用,其概率统计模型可以有效、快速地对混响室内的随机场环境进行建模和分析.基于平面波积分表达式和模式叠加理论,采用蒙特卡洛方法模拟了混响室中的电场分布.在实验室环境下搭建了小型、简易的混响室,对仿真结果进行了验证.在不同频率下测得的混响室工作区域内电场幅值的概率密度函数与2种概率统计模型下的仿真结果吻合良好,证明了平面波积分模型与模式叠加模型在描述混响室工作区域内场的特性时是完全等效的.【期刊名称】《无线电工程》【年(卷),期】2017(047)007【总页数】4页(P58-61)【关键词】平面波积分表达式;模式叠加;蒙特卡洛模拟;概率密度函数;混响室【作者】李昱;赵翔【作者单位】四川大学电子信息学院,四川成都 610065;四川大学电子信息学院,四川成都 610065【正文语种】中文【中图分类】O441.4混响室在电磁兼容测试领域的应用受到越来越广泛的关注。
独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。
本人签名日期关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。
学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释;本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。
非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。
本人签名导师签名日期日期混晌室的仿真、分析与优化摘要作为一种新型的电磁兼容测试场地,混响室近年来发展迅速,得到越来越多的关注。
这是由于相比于传统的测试场地,混响室在工程造价、测量时间、有效模拟复合场等许多方面优点突出。
混响室要求在屏蔽腔体内产生空间均匀、各向同性、随机极化的电磁环境用于受试设备的测量。
产生这种电磁环境的方案有很多,但是实际建造的混响室中运用最多的还是机械搅拌法。
混响室的结构设计中,搅拌器的设计是一个难点。
合理的设计搅拌器会改善混响室的场均匀性、降低最低可用频率。
本文详细介绍了混响室的工作原理、FEM法及电磁场的仿真软件HFSS,用HFSS构建了一个混响室模型,并设计了三组实验,来分析比较不同的搅拌器形状、个数、大小对混响室性能的影响。
实验分析的结果对于实际的混响室设计具有一定的参考意义。
关键词:混响室有限元法场均匀性搅拌器SIMULATIoNANDANALYZATIoNoFREVERBERATIoNCHAMBERABSTRACTAsanewtypeofEMCtestsite,reverberationchamberhasbeendevelopedveryfastinrecentyearsandgotmoreandmoreattentionbecauseitsoutstandingadvantagesovertraditionaltestsitesinthefollowingterms:costs,measurementtimeandeffectivenessinsimulatingcomplexEMfield.TheEMfieldinthereverberationchambermustbestatisticallyuniformandstatisticallyisotropic.TherearemanymethodstogeneratethiskindofEMfield,whilethemechanicalstirringmethodismostoftenused.chamberdesign.ProperstirdesignThedesignofstirsisthemostdifficultpointincanimprovetheuniformityofEMfieldandreducethelowestusablefrequency.Inthispaper,theprincipleofreverberationchamber,theEMfieldcalculationmethod(FEM)andthepopularsimulationEMsimulationsoftwarearefirstdetaileddescribed.ThenachambermodelisconstructedusingtheHFSSsoftware.Theparametersofstirs(includingshape,numberandsize)mayaffecttheperformanceofthereverberationchamber,whichiSanalyzedthroughthreeexperiments.Theconclusionfromthesimulationresultsprovidesagoodreferencefortheactualchamberdesign.KEYWORDS:reverberationchamberFEMuniformitystir第一章概述传统的电磁兼容测量场地都是在规范的电磁波传输条件下进行测量,如GTEM小室中的场是单模横电磁波,开阔场与半电波暗室则是模仿自由空间的电磁场。
612020年第6期 安全与电磁兼容引言随着电磁学的发展,传统的微波暗室测量环境已不能满足研究者的所有测量需求,某些测试中需要观察待测设备在一定电场中的性能表现,这时就需要在混响室的测量环境中进行测量。
混响室是所有边界都能进行反射、在一个区域内形成统计均匀场的一种测试环境。
常见的混响室有声学混响室和电波混响室,电波混响室即统计均匀场为电场。
混响室是通过搅拌器的不断旋转,使得金属屏蔽腔内某一区域的场强值在时间域上呈统计均匀,从而产生一个可控的均匀场强区。
这种测试环境用于测试电子元器件在特定场强下的辐射响应、辐射敏感度等,由于能耗低、高场强的特性,广泛应用于电子、机械、军事、航空航天等领域。
1 混响室的场强均匀性1.1 混响室IEC 61000-4-21[1]给出了混响室的原理、设计要求、校准方法和测试方法等。
混响室通常由搅拌器、驱动电机、收发天线、电场探针、滤波器、测量设备、控制设备等组成,图1为混响室的结构组成示意图[1]。
本文主要从搅拌器设计方面来优化混响室的性能。
1.2 搅拌器的作用与原理搅拌器是对混响室性能影响最大的器件,分为机械搅拌器和源型搅拌器。
机械搅拌器的应用更为普遍,通常由马达、金属轴、金属板构成。
金属板在马达的驱动下绕固定轴旋转。
常用的金属板材有镀锌钢板和铝板,可根据特定的设计拼接成特殊形状。
待测区域的场强均匀性是混响室的重要指标,是需要满足的测试条件。
根据统计电磁场理论,场强均匀摘要阐述了混响室性能评价方法、机械搅拌器的作用与工作原理。
利用电磁计算仿真软件分析了“Z”型搅拌器的长度和折叠数目对混响室场强均匀性指标的影响。
结果表明,在混响室内部空间允许的条件下,搅拌器投影长度越长、折数越多,对应的混响室性能越好。
关键词电磁兼容;混响室;场强均匀性AbstractThe evaluation method of the reverberation chamber performance and the function and principle of the mechanical stirrer are presented. The electromagnetic calculation simulation software is used to analyze the influence of the length and the number of folds of the Z-style stirrer on the uniformity of field strength in the reverberation chamber. It is found that the longer the projection length of the stirrer and the more the number of stirrer folds, the better the performance of the reverberation chamber under the condition that the space allows.KeywordsEMC; reverberation chamber; uniformity of field strength混响室“Z”型搅拌器的设计优化Design Optimization of Z-style Stirrer in Reverberation Chamber1浙江大学信息与电子工程学院2北方工程设计研究院有限公司河北省电磁环境技术创新中心李可1 魏兴昌1 宋立军2 张福荣2 王凯斌2赵占良2 李尔平1图1 标准中的混响室结构62SAFETY & EMC No.6 2020性可用待测区域顶点最大场强的标准差来表示。
独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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(保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释;本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。
非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。
本人签名导师签名日期日期混晌室的仿真、分析与优化摘要作为一种新型的电磁兼容测试场地,混响室近年来发展迅速,得到越来越多的关注。
这是由于相比于传统的测试场地,混响室在工程造价、测量时间、有效模拟复合场等许多方面优点突出。
混响室要求在屏蔽腔体内产生空间均匀、各向同性、随机极化的电磁环境用于受试设备的测量。
产生这种电磁环境的方案有很多,但是实际建造的混响室中运用最多的还是机械搅拌法。
混响室的结构设计中,搅拌器的设计是一个难点。
合理的设计搅拌器会改善混响室的场均匀性、降低最低可用频率。
本文详细介绍了混响室的工作原理、FEM法及电磁场的仿真软件HFSS,用HFSS构建了一个混响室模型,并设计了三组实验,来分析比较不同的搅拌器形状、个数、大小对混响室性能的影响。
实验分析的结果对于实际的混响室设计具有一定的参考意义。
关键词:混响室有限元法场均匀性搅拌器SIMULATIoNANDANALYZATIoNoFREVERBERATIoNCHAMBERABSTRACTAsanewtypeofEMCtestsite,reverberationchamberhasbeendevelopedveryfastinrecentyearsandgotmoreandmoreattentionbecauseitsoutstandingadvantagesovertraditionaltestsitesinthefollowingterms:costs,measurementtimeandeffectivenessinsimulatingcomplexEMfield.TheEMfieldinthereverberationchambermustbestatisticallyuniformandstatisticallyisotropic.TherearemanymethodstogeneratethiskindofEMfield,whilethemechanicalstirringmethodismostoftenused.chamberdesign.ProperstirdesignThedesignofstirsisthemostdifficultpointincanimprovetheuniformityofEMfieldandreducethelowestusablefrequency.Inthispaper,theprincipleofreverberationchamber,theEMfieldcalculationmethod(FEM)andthepopularsimulationEMsimulationsoftwarearefirstdetaileddescribed.ThenachambermodelisconstructedusingtheHFSSsoftware.Theparametersofstirs(includingshape,numberandsize)mayaffecttheperformanceofthereverberationchamber,whichiSanalyzedthroughthreeexperiments.Theconclusionfromthesimulationresultsprovidesagoodreferencefortheactualchamberdesign.KEYWORDS:reverberationchamberFEMuniformitystir第一章概述传统的电磁兼容测量场地都是在规范的电磁波传输条件下进行测量,如GTEM小室中的场是单模横电磁波,开阔场与半电波暗室则是模仿自由空间的电磁场。
为了满足这些规范化的条件,对这些测量场地中的地板、墙壁、吸波材料等都有严格的要求,使得这些场地造价昂贵。
同时,随着科技的发展,电子类产品的集成度越来越高,系统内电磁环境越来越复杂。
在对一些大型的受试设备进行电磁兼容测试时,常常需要产生高强度的高频电磁场以模拟实际的工作环境,对于开阔场地和半电波暗室来讲,这就需要增益非常高的功率放大器。
作为一种新型的电磁兼容辐射测量场地,混响室突破传统的思路,它使用机械搅拌器在屏蔽腔体内产生空间均匀、各项同性、随机极化的电磁环境用于受试设备的测量,很好的解决了前面的问题。
混响室近年来发展迅速,受到越来越多的重视就在于,与传统的测量场地相比它在造价、测量时间、有效模拟复合场等许多方面优点突出。
1.1混响室的发展历史最早在1968年,Dr.H.A.Mendes就提出了将空腔谐振用于电磁辐射测量的思想。
1971年,美军发布了MIL.STD1377,接受使用混晌室用于电缆和屏蔽材料屏蔽效能的测试。
但在这之后的十多年罩,这种测量方法并未得到更多的关注。
直到20世纪80年代,随着军工产品、汽车、航空工业产品的辐射抗扰度要求越来越高,希望对大体积的受试设备(EUT)获得高频电磁场。
对于开阔场地或半电波暗室等传统的测量环境,这就要求十分高的功率放大器。
此外,在电缆、电缆连接器或屏蔽材料的屏效能测试方面,也需要更经济有效的方法。
这些需求使得混晌室重获新生。
1986年,美国国家标准局(NationalBureauofStandards)的Dr.MikeLCrawford及其小组为混响室的发展奠定了基础。
到80年代末,混响室开始为各国际标准所接受。
1987年3月,CISPR/A/(Sec.)82(CISPR16一l《无线电骚扰与抗扰度测量设备规范》的草稿)描述了作为辐射总功率测量的混响室。
规定了混响室的结构及性能试验(搅拌效率及耦合衰减)。
后来,这些内容基本上未作修改地纳入CISPR/A/(See.)83(CISPR16—2《无线电骚扰与抗扰度测量方法》的草稿)列入了在混响室内测量辐射发射的方法,并指出其优点。
主要如:内外电磁环境的隔离、在大体积下获得高电平的场、宽的频率覆盖、少量的仪器更换即可测辐射发射又可测辐射抗扰度,以及不要求EUT位置旋转等。
第一个专门规范混响室的标准是美国通用汽车公司1993年6月发布的标准GM9120P《辐射电磁场抗扰度(混响室)》。
1999年发布的美国军用标准MIL—STD.461E《电磁干扰辐射和敏感度控制要求》也接受了混响室这一测量场地。
近年来,IEC/TC77B与CISPR/A组成了一个联合工作组,致力于起草关于混响室的标准,并于2003年8月发布了一个正式版本:IEC61000.4.21《混响室试验法》。
1.2混响室的发展现状近年来,混响室的研究工作得到了迅速发展,有关混响室论文逐年增加,论文涉及理论分析、测量方法以及新的设计方案等方面。
混响室的理论研究主要侧重于描述室内场空间分布的统计规律,这方面的理论发展有助于靠近墙壁处和低频时的场均匀性的估计,也有助于混响室设计的发展和校准方法的优化。
而混响室中采用的测量方法也主要是基于场空间分布统计均匀性估计原理,通过边界的测量给出直接场的均匀性估计。
一般而言,混响室是在高品质因素(Q)的屏蔽壳体内配有机械的搅拌器(ModeStirrer),用以连续地改变内部的电磁场结构,在屏蔽腔体内产生空间均匀,各项同性,随机极化的电磁环境用于受试设备的测量。
这种实现方法我们称为机械搅拌法,它是实际建造的混响室中采用最多的方法,也是为大多数标准所接受的方案。
但是这种方法有一定的缺陷,它的工作频率下限一般不容易做得很低,影响了测量范围。
不少学者也提出了一些颇有新意的设计方案,这些方案有的通过改变屏蔽室的体积,有的通过改善墙体的反射特性来实现混响室要求的电磁环境。
例如有人提出摆动墙(MovingWall)方案。
利用墙的摆动,使空腔内体积不断变化,从而连续改变空腔的谐振条件而达到混晌的目的。
也有人提出将建筑声学中对声波的Schroeder漫射体用于电磁波,从而改善屏蔽室内的谐振。
他们建了一个7.5(1)·5(w)+5(h)m3的屏蔽室数学模型,并用电磁场的数值分析方法分别计算带有或不带有漫射体的屏蔽室内的场分布,证明Schroeder漫射体有效改善了室内场的均匀性。
还有一些方案像固有混响室、波纹墙混响室等也颇有新意,并且能在一定程度改善低频特性。
1.3本论文的目的和内容在采用机械搅拌法的混响室的结构设计中,搅拌器的设计是一个难点。
合理的放置搅拌器的位置,选择搅拌器的个数,设计搅拌器的形状与大小可以有效改善混响室的场均匀性、降低最低可用频率。
本文用HFSS构建了一个混响室模型,并设计了三组实验,来分析比较不同的搅拌器形状、个数、大小对混响室性能的影响。
实验分析的结果对于实际的混响室设计具有一定的参考意义。
攫抖嚣图2.1混响室结构模型图2.2是一个实际的混响室的内部结构,搅拌器的旋转可以连续的改变腔内电磁场的分布,图23是放置搅拌器前后的内部场强分布。
图2.2实际的混响室内部结构9图2,3放置搅拌器前后的混响室内部场强分布混响室内任意位置的能量密度的相位、幅度、极化均按某一固定的统计分布规律随机变化。
在混响室内的测量可以视为一个随机过程。
受试设备(EUT)对场的平均响应,是在搅拌器至少旋转一周的时间内响应的积分。
混响室提供的电磁环境是:空间均匀、各向同性、随机极化。
它要求室内能量密度各处一致,在所有方向的能量相同,所有的波之间相位角以及他们的极化是随机的。
当然这些特性都是统计学意义上的。
想获得混响室的精确数学模型是不太现实的,一些学者建立了各种近似模型,如统计模型、确定性模型、平面波模型和热力学模型等。
使用这些模型可以计算混响室的一些重要参数。
2.2混响室主要特性及参数2.2.1模密度混响室的一个基本特性就是模的数目和它在不同频率上的分布。