声学仿真分析工具Acoustics 在Workbench中这样学 |
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作者:付亚兰 声学有限元仿真 主要用于模拟声压波在声介质中的生成、传播、辐射、吸收和反射。随着有限元软件的发展和人们对噪声问题的重视,声学有限元仿真在越来越多的行业得到广泛应用。 比如:汽车和轨道车辆中的降噪、机械设备中噪音的消除、建筑声学、声纳水下设备;助听器、扬声器、消声器的设计、物理勘探等等都在应用声学仿真进行工程指导,和设计验证优化。 本文就ANSYS声学分析的基本功能进行简单介绍,使大家能够对ANSYS声学的基本功能和特点有所了解。 一、声学有限元分析理论 ANSYS声学分析的理论基础是亥姆霍兹方程,亥姆霍兹方程假设了压力,密度波动非常小,并忽略了二次高阶项,因此也叫做线性波动方程。根据亥姆霍兹方程(线性波动方程)在声学(流体)领域建模: 在这基础上引入了空间非均质介质材料,质量源项,方程变为以下形式: 进一步整理可以得到矩阵形式如下: 这与结构分析的基本方程非常类似,因此可在频域上用特征值求解器求解。 二、ANSYS声学分析功能 ANSYS声学分析功能从R14.0版本开始开发,目前历经多个版本声学仿真功能已逐渐完善。 ANSYS声学分析功能主要分为三部分: 1、压力声学 ANSYS压力声学以亥姆霍茨方程和波动方程(平均流)为理论基础,用于分析声波的传播、振荡、散射、辐射。主要应用在消音器、扬声器、隔声、汽车降噪、声纳和水下声学。 2、热黏声学 ANSYS热黏声学以完全线性NS方程为理论基础,用于分析热黏声音损失。主要应用在迷你麦克风, 助听器设备等。 3、室内声学 ANSYS室内声学以声能扩散方程为理论基础,用于分析室内声场分布。主要应用在建筑声学、房间声学设计、音乐厅等。 在ANSYS中进行声学分析可以通过三种方式:经典ANSYS、Workbench和ACT插件。其中在ANSYS Workbench中直接进行声学分析是操作最简单方便的分析方式,其用户界面友好,前后处理器更稳健,同时也支持插入APDL命令流。ANSYS Workbench中的声学分析系统如下图所示。本文的声学分析功能仅基于ANSYS Workbench中的声学分析功能展开。 ANSYS Workbench的声学分析模块,支持仅计算纯声场或结构-声学耦合场。在分析系统的属性窗口中可以选择物理域,对于结构-声学耦合场分析,ANSYS能够自动探测出声学域,并进行FSI接触设置如下图所示。 1、声学模态分析 声学模态分析中提供了以下的声学边界条件,包括:压力、表面阻抗边界、波吸收边界、表面辐射边界、波吸收单元、自由液面。提供的声学载荷,包括:温度、阻抗层、静压力。 模态分析支持的载荷 模态分析支持的边界条件 对于结构-声学耦合场分析,可以对分析系统右键插入Create Automatic>FSI,实现自动识别并创建FSI。 声学模态分析中导入后的模型可以通过Physical Region对象定义模型树中的体是属于声学域还是结构域。对于声学域,可以使用额外的高级设置,用于指定声学域的物理属性。 当分析模型中不存在结构域时(纯声场分析时),可采用Block Lanczos法, 子空间法以及完全阻尼法特征求解器进行求解。当模型中存在结构域,必须使用非对称法或完全阻尼法特征值求解器进行求解。 2、声学谐响应分析 声学谐响应分析支持的声学激励,包括:质量源、表面速度、入射波源、管道端口、漫射声场。能够支持的声学载荷包括:温度、阻抗层以及静压。支持的声学边界条件包括:压力,阻抗边界,吸收表面,辐射边界,吸收单元,自由液面,热-粘性BLI边界,刚性墙,对称面,端口以及远场辐射面、转移导纳矩阵。如下图所示。 声学谐响应分析后处理结果可以通过两种获取方式:一种是在求解域内,基于有限元模型,可以查看声压和声压级、倍频程带声压级、粒子速度、温度、能量密度、振动表面的法向速度等云图;另一种是在求解域外,基于等效源理论,采用远场结果显示。 远场结果可以得到球面上的压强,相位,SPL和dBA、辐射声功率和声功率级、声源指向性与目标强度(TS)、远场麦克风、结构声等效辐射功率(ERP)、ERP和声功率级等。另外还能得到一些衍生结果如传递损耗,吸收系数,回波损耗。 声学谐响应分析支持的后处理结果 压力云图结果 声压级远场结果图 传递损耗结果曲线 3、 振动噪声耦合分析 纯声场的仿真模拟时常无法满足仿真需求,ANSYS支持完全耦合和单向耦合的振动噪声分析。单向结构声学耦合求解效率更高,但是声学在结构上的影响被忽略。 在单向结构声学耦合中,结构分析求解的结果被作为声学的激励源。可以通过Workbench项目原理图连接的方式或外部数据External Data来实现单向结构-声学耦合分析。这两种方式结构和声学网格都无需保证一致。如下图所示。 振动声学耦合分析中声学压力会作用在结构上,而声学压力所引起的结构振动,又可以作为一个激励,反作用于流场。如果需要考虑流体域与结构域的相互作用,那么必须考虑完全耦合的振动噪声分析。 三、声学分析案例 本案例为一个简化的扬声器纯声学模型,如下图所示,扬声器和板在计算中将被抑制,仅用于辅助创建流体域。此次分析目的是计算扬声器受激励后引起的计算域内外的声压级。下面介绍该声学分析案例的基本流程和一些关键设置。 1、创建几何流体域 (复制以下链接到浏览器打开,阅读完整全文) https://www.fangzhenxiu.com/post/97358/?inviteCode=z3cyn52KaDHYS 相关阅读推荐: 声学仿真软件汇总 https://www.fangzhenxiu.com/post/2133331/?inviteCode=z3cyn52KaDHYS |
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