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声学仿真分析工具Acoustics 在Workbench中这样学

3月前浏览27424

本文摘要(由AI生成):

本文主要介绍了ANSYS声学分析的基本功能,包括压力声学、声学谐响应分析和热黏声学。ANSYS声学分析功能主要分为三部分:压力声学、声学谐响应分析和热黏声学。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,另一种是在求解域外,基于等效源理论,采用远场结果显示。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。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。

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

基于扬声器和板的结构模型,在Space Claim中创建一个流体域和一个PML边界层域。如下图所示。PML边界层用于在无限大的空气流体域中截取一个有限空气域,假设输出波向这个域外传播没有任何反射。

2、设置声学域

设置里面的流体域为声学域,如下图所示。设置外层的PML边界层的物理属性为声学域,并设置其人工匹配层为PML。

声学域设置

PML层设置

3、施加声学激励

在扬声器面上施加声学激励,施加质量源激励大小为0.01kg/mm2,如下图所示。

声学激励设置

4、单元要求及求解设置

对于声学域的网格划分推荐每个波长内至少6个高阶单元或12个低阶单元,而PML层的厚度至少为四分之一波长,并且在一个模型中不要混合使用高阶单元和低阶单元。

设置此次分析的求解频率范围为0到3000Hz。选择模型所有面,设置所有面单元大小为0.01m。在求解频率范围内,该单元大小满足声学求解要求。

5、计算及结果后处理

查看球半径为1m处的远场声压级,得到远场声压级图,如下图所示。

采用切面Section plane查看模型内部的压力分布及声压级分布,得到3000Hz时整个模型的声压分布云图和声压级分布云图如下图所示。

声压分布云图(3000Hz)

声压级分布云图(3000Hz)

四、总结

ANSYS Acoustic具有强大的声学有限元求解器,能够提供完备的声学单元库和复杂声学材料模型,支持单向振动-声学耦合分析,也可以对振动声学完成耦合模型提供耦合的声-结构交界面。并且能够兼容高性能计算,支持多物理域应用,可以进行多物理场耦合声学计算。

Workbench中的声学分析系统中已经内置一些声学激励、边界条件以及声学后处理工具,其用户界面友好,操作简单方便,同时支持APDL命令流插入,可以作为用户首选的声学仿真分析工具。 

振动船舶汽车Acoustics新能源消费电子声学
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-03-28
最近编辑:3月前
付亚兰
硕士 | 结构工程师 签名征集中
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6条评论
嫑这样子
签名征集中
1年前
请问怎么在正方体外面再画一个正方体啊
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QiCheng.Huang
签名征集中
1年前
付老师,方便提供下联系方式吗?想请教一些问题
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何贻海
有志者,事竟成!
3年前
感谢分享!
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仿真秀0109105612
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4年前
老师,您好,我想问一下,声学激励的质量源激励值和声压是怎么样的转换关系呢?谢谢!
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仿真秀0309165806
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4年前
老师你好,我按照你的步骤自己操作软件的时候,在选择mass source 的面时选中在声学域内的单元就会发生错误,若不设置mass source 则会在solution 时提示错误One or more bodies do not have a physics specification. 选中问题部件就是声学域内的部件,检查材料也已经设置好。请问出现这样的问题有可能是哪些地方设置错误呢?
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金良波
签名征集中
4年前
付老师,您的讲稿哪里可以下。请告知下,谢谢
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