有限元素法在声振耦合分析应用—以耳罩为例-台湾声学学会.doc

有限元素法在聲振耦合分析應用—以耳罩為例 盧士一、陳秋蓉 行政院勞委會勞工安全衛生研究所台北縣汐止市橫科路407巷99號(02xt212 E-mail：sylu@mail.iosh.gov.tw 摘要 耳罩為噪音場所工作者避免聽力受損經常使用到的防護具。耳罩均用適當的緩衝材料使外殼與面頰密合，佩戴後由於外殼的阻隔達到聲音衰減的功能。由於緩衝材料必須軟質且有彈性能有好的密合度，當暴露於外部噪音時，因此能提供良好的密閉，阻絕空氣音的傳入。然而，耳罩外殼因外部的噪音以致引起振動，外殼的振動同時造成聲音傳至內部空間進入人耳，影響耳罩之防音性能。一般而言，質量愈重且剛性大的材質，愈不易產生振動，也就能提供較佳的聲音衰減效果，但質量愈重亦增加耳罩佩戴的不舒適感。本研究以有限元素法分析耳罩的聲振耦合現象，探討以有限元素分析軟體預估耳罩內部聲場的可能性與限制。 關鍵詞：有限元素法、聲振耦合、耳罩 Abstract Earmuffs are usually used in noisy workplace to protect the user from noise induced hearing loss. Sound insulation is achieved when earmuff is sealed to the head using an appropriate cushion therefore blocking the sound. Since the cushion needs to be soft to allow for a good seal, it also allows the shell to vibration when exposed to external sound. However, the vibration of shell radiates sound into the shell cavity, and adverse sound insulation. Generally speaking, heavier shells with stiff cushions are more difficult to vibration and therefore provide better sound attenuation but uncomfortable. This study is to analyze structure-acoustic coupling phenomena using FEM, and investigate the feasibility and limitation of prediction on sound field inside of earmuff. Keywords: FEM, Structural-acoustic coupling, Earmuff 一、簡介 聲音就是環境中空氣質點的振動並以波的方式傳播，透過聲波方程式的數學模型可描述聲音傳播的現象。但是，求解一個聲場環境的聲波方程式，即使簡單的理想聲場環境已不容易，對於接近實際情況的較複雜聲場幾乎是不可能達成。因此，一些近似的數值分析法必須被用來求解。以數值分析模擬聲場的方法，大致分為兩類[1,2,3]：幾何聲學法(Geometric methods)，包括音線法(Ray tracing method)、音柱法(Beam tracing method)、影像聲源法(Image source method)等；波動聲學法(Wave-based methods)，包括有限元素法(Finite element method)、有限微分法(Finite differential method)、邊界元素法(Boundary element method)等。幾何聲學法是以音線為基礎，在檢視聲音的行為時，必須計算聲場的脈衝響應(Impulse response)，聲場環境中的聲音與物件的相互影響有反射、漫射、繞射等現象。其中有些方法在模擬聲音傳播時，包括計算早期的反射以及以統計法近似後期的迴響。所有的幾何聲學法有一個共同的特點，就是考慮從音源至受音區域間所有的聲音路線。音線法將音源輻射出來的聲音視為許多條的音線，每條音線前進途中遭遇物體時，部份能量被吸收後再被反射前進，直到能量小於某值或反射次數大於某值後停止。每當音線通過受音區域則代表一個脈衝響應的貢獻量，加總所有音線的貢獻量得到音源至受音區域的脈衝響應。此一方法易於執行，但有空間因為音線限制無法模擬的缺失，此一缺點在採用音柱法可避免。音柱法將音源的聲音視為不同於音線法的音線，而以角柱體方式輻射。角柱體以音源為頂點與底的形狀