声学仿真与应用——Simcenter Acoustics基础培训

声学是一门古老的物理学科，与人们的日常生活息息相关。除了理论分析和试验测试之外，基于物理和数学模型的虚拟仿真分析技术正在扮演越来越重要的角色，并在研究的广度和深度方面发挥了越来越重要的作用，声学仿真已经成为人们研究声学、认识自然的重要手段。于是，声学仿真工具的熟练使用通常是影响产品设计周期的重要因素。因此，能科组织了本次的声学仿真与应用——Simcenter Acoustics基础培训，旨在为声仿真工程师提供一种优秀的仿真工具和提升声仿真实际操作能力。

一、前言

在物理特性方面，声波是因媒质的密度变化引起的压力传播。而引起媒质密度变化的诱因有许多，如结构振动、流体绕流、甚至是温度引起的力场变化等等。这些声辐射机理和声源分布特别复杂，这给声辐射预 和低噪声设计带来不少的难题。西门子作为全球著名的工业软件供应商，在2012年收购了LMS产品，其中也包括在声学仿真领域一直享有盛誉的LMS virtual.lab Acoustics，并通过软件集成和整合形成了Simcenter预测性分析平台。

该仿真平台中的Simcenter Acoustics通过集成和继承virtual lab声仿真功能，成为了世界上第一款集成“CAD+结构/声学前处理+全频段声振分析+试验验证+仿真数据管理”的声学仿真分析工具。其声学仿真技术优势（即四个世界第一）主要包含有：1）FEM-AML和FEMAO自适应技术设定了声学仿真分析的新标准；2）BEM方法是公认的业界标杆FM-BEM/H-Matrix求解超大模型；3）有限元、边界元、声线法、统计能量法（频域+时域）解决方案最完整，核心求解器最先进；4）试验和仿真技术有机结合最快速有效地解决复杂NVH工程问题。除此之外，该模块还具有Simcenter统一分析平台的优势：能实现多物理场联合仿真实现复杂产品设计、虚拟仿真能与试验有机结合提高仿真精度、虚拟仿真与数据管理结合提高设计效率，从而减少企业资源投入、缩短产品设计周期。

由于集成后的全新前后处理界面，声仿真工程师对新的操作方式和求解模型选择不熟悉，有可能会影响声仿真效率。有鉴于此，本系列Simcenter Acoustics声仿真基础培训开设了6个课时的培训，内容如下：

·声学基本概念与声学仿真基础、软件界面介绍

·声学有限元法的应用（1）——声模态与声振耦合分析

·声学有限元法的应用（2）—— ATV、PML/AML结构振动声辐射仿真

·声学边界元法的应用（1）——模态计算与振动声辐射

·声学边界元法的应用（2）——振动声辐射对比与贡献量分析

·气动声学与随机声学仿真——风扇模型声学仿真、湍流激励随机声学仿真

二、声学基本概念与声学仿真基础、软件界面介绍

2.1 声学基本概念与声学仿真基础

声学工程师在做声仿真设计前，需要清楚地了解声学的物理特性、噪声的衡量方法，甚至需要熟悉仿真对象的噪声能量量级、频谱特征、声源机理、传播特性以及与声信号处理等。如果这些知识了解得越清楚，声仿真效率将会越高，而且出错风险也就越低。

2.2 Simcenter Acoustics软件界面介绍

Simcenter Acoustics软件秉承着NX的界面风格，分为快速访问工具条、功能区、上边框条、资源条、导航栏和图形区。本次培训不单单对这些软件界面按钮的功能做了介绍，也结合声仿真流程对常用的建模、 格划分、边界条件、材料属性赋予、求解设置以及后处理操作做了阐述。

2.3 通过该次培训所获得的收益

·通过简要的介绍了解了Simcenter Acoustics声仿真软件，以及该软件的主要特点；

·通过声学基本概念和声学仿真模拟的介绍，探讨了声仿真之前需要做的哪些知识储备；

·通过Simcenter Acoustics界面介绍和仿真流程介绍，熟悉了该软件进行声仿真的流程；

·通过Simcenter Acoustics前后处理的介绍，对比了它与Virtual lab. Acoustics的区别，让老用户更好的上手操作。

三、声学有限元法的应用（1）——声模态与声振耦合分析

3.1 声学有限元方法

·声学有限元理论与数值方法

·声学有限元方法的选取

>常见的封闭空间的声场计算，如声模态；

>导入的 格模型为体 格；

>FEM+PML/AML处理外声场问题；

>不封闭空间的声场也可以用内外场FEM+特殊的边界条件设置完成。

其中， 格尺寸要求：

3.2 箱体声模态仿真

·Simcenter Acoustics声模态仿真流程

>导入FEM文件；

>定义求解模型为声学；

>声 格设定及材料属性赋予，声媒质为空气；

>求解设置为100Hz-2500Hz，20阶；

>后处理，对比计算结果与理论结果。

其中，箱体声模态理论公式为：

3.3 箱体声振耦合仿真

·Simcenter Acoustics声振耦合仿真流程

>导入FEM文件，体 格和面 格；

>定义求解模型为声振；

>声 格设定及材料属性赋予，声媒质为空气；结构为AL2014，厚度为2mm；

>单极子声源载荷，功率为0.1W；

>定义声振交界面；

>求解设置为，离散频率点，200Hz，400Hz…2000Hz;

>后处理，2D，3D图。

3.4 通过该次培训所获得的收益

·通过简要的介绍了解了声学有限元理论和声学有限元方法的选取；

·通过实际操作了解了Simcenter Acoustics声模态仿真细节；

·通过实际操作了解了Simcenter Acoustics声振耦合仿真细节；

四、声学有限元法的应用（2）—— ATV、PML/AML结构振动声辐射仿真

4.1 ATV、PML/AML方法理论基础

·ATV、MATV方法

·ATV、MATV方法的选取

>常用于多转速工况的噪声计算；

>激励位置和方向确定时，MATV方法计算响应时可对模态参与因子做线性处理；

>激励力位置发生变化时，可使用ATV，使用MATV需要重新计算模态参与因子不能做线性处理；

>结构声辐射表面大变形时不可使用；

·PML/AML方法

·PML/AML方法的选取

>AML自动匹配声辐射边界条件，软件将根据物理模型自动定义吸收层和吸收系数；

>PML要求有一定的匹配层，需要自己画匹配层 格；

>无限元处理外声场要求边界画成椭球或球型；

>对于近场声仿真，可采用传统有限元处理方法，也存在明显弊端；

4.2 ATV仿真流程介绍

通过一个齿轮箱的案例介绍了Simcenter Acoustics ATV的操作流程以及相应的界面设置。

4.3 FEM+AML箱体声散射仿真

·FEM+AML箱体声散射仿真流程

>导入FEM文件，体 格和场点 格；

>定义求解模型为声振；

>声 格设定及材料属性赋予，声媒质为空气；场点 格赋予为PMIC；

>在场点 格的一边，向Y方向辐射平面波，实部为1MPa，虚部为0MPa；

>定义在球体外表面定义AML平面；

>求解设置为，线性频率，100Hz—200Hz，步长为10Hz;

>后处理，3D图等。

4.4 通过该次培训所获得的收益

·通过简要的介绍了解了ATV/MATV、PML/AML等方法和选取条件；

·通过流程介绍了解了Simcenter Acoustics 齿轮箱ATV声仿真流程；

·通过实际操作了解了Simcenter Acoustics箱体FEM+AML声散射仿真细节；

五、声学边界元法的应用（1）——模态计算与振动声辐射

5.1 边界元方法介绍

·边界元方法的选取

>封闭或不封闭空间，尤其是不封闭空间声场；

>导入的声 格模型为面 格；

>与结构声振耦合，结构辐射面、障板或者自由液面等建模清晰；

>辐射面贡献量分析；

>边界元法对 格同样有1/6波长的要求，常用边界元 格数量不宜超过5万。

5.2 结构模态计算

·箱体结构模态计算——干模态

>将箱体结构 格导入，建立FEM文件；

>赋予结构 格属性为AL2014，厚度为2mm；

>边界条件为：将箱体的8个角点固定；

>设定求解类型为SOL103 实体特征，Lanczos；

>求解获得箱体模态文件：
box_structure_f_sim1-solution_1.op2。

5.3 箱体声振耦合分析

·BEM箱体声振耦合分析——箱体双侧为水的情形

>导入FEM文件和结构 格，有限元装配， 格检查以及模态结果关联；

>定义求解模型为BEM和间接声振；

>声 格设定及材料属性赋予，声媒质为水；

>定义载荷，在箱体结构表面选取一点，设定Fy=1N；

>求解设置为，10-100Hz, 步长为10Hz;

>后处理，3D图等。

5.4 通过该次培训所获得的收益

·通过简要的介绍了解了声学边界元方法和选取条件；

·通过实际操作了解了Simcenter Acoustics 计算箱体干模态计算；

·通过实际操作了解了Simcenter Acoustics双侧为水的情形下箱体声振耦合分析；

六、声学边界元法的应用（2）——振动声辐射对比与贡献量分析

6.1 单侧与双侧为水的箱体FEM和BEM振动声辐射对比

采用前面几次培训的操作流程，计算单点载荷下声学有限元FEM和声学边界元BEM，对比两种方法的计算结果，探讨声学仿真设计的问题。

双侧为水的箱体FEM（左）和BEM（右）声仿真

6.2 其他声仿真相关前后处理

·主要演示以下前后处理

>动态图和模态阻尼加载；

>障板和对称板、 格法向等其他声仿真可能涉及到的操作。

>模态的贡献量、平板声功率贡献量；

>分析方案设置功能的使用；

>X-Y导航器的使用;

6.3 通过该次培训所获得的收益

>通过实际操作了解了声学有限元法单双侧水下箱体声仿真流程；

>通过实际操作了解了声学边界元法单双侧水下箱体声仿真流程；

>通过实际操作了解了Simcenter Acoustics声学相关的其他前后处理操作。

七、气动声学与随机声学仿真——风扇模型声学仿真、湍流激励随机声学仿真

7.1 气动声学理论基础

·声类比方法

·FW-H方程物理意义

>第一项单级子源（也称为厚度噪声）完全由运动物体的几何形状和结构表面法向速度来决定；

>二项偶极子源（也称为载荷噪声）是由结构表面的流体动力产生的脉动压力分布；

>第三项四极子源考虑了非线性效应，比如非线性波传播，当地声速的变化、激波的产生、流场中涡量与湍流的变化等。

7.2 随机振动声学介绍

>气动噪声中湍流边界层对结构的激励，可以将其看成确定性信号，也可以将其看作随机信号；

>考虑流体迁移性影响时需要考虑时域的PSD来进行计算；

>平板或类似平板结构表面湍流可采用Corcos模型计算湍流边界层激励；

7.3 围壳流激振动声仿真

基于模态叠加法舰船水下流激励结构振动辐射声仿真包括结构有限元模态分析、流场CFD分析及声学有限元（或边界元）分析，结构有限元分析主要为了获得振动系统固有属性，流场CFD分析主要为了获得激励，然后基于模态叠加法完成声场仿真计算。

·将流体压力脉动映射转移到围壳 格上，计算脉动压力的功率谱密度（PSD）；