聲學(xué)領(lǐng)域常用數(shù)值模擬方法和\u000B相關(guān)仿真軟件介紹

2016-11-17 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展使得數(shù)值模擬已經(jīng)成為理論研究和實(shí)驗(yàn)(或觀測(cè))研究之外的又一種研究手段,并廣泛應(yīng)用在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。本文將對(duì)聲學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的常用數(shù)值模擬方法及相關(guān)仿真軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

聲學(xué)領(lǐng)域中基于物理原理的數(shù)學(xué)模型:

有限元(FEA )
邊界元(BEA )
聲線法(RAY&BEAM TRACIN G)
統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA )
雜交方法 Hybrid Method

1. 有限元法和邊界元法

基于波動(dòng)方程
適用于中低頻段
模態(tài)密度小

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2. 統(tǒng)計(jì)能量法和聲線聲錐法

統(tǒng)計(jì)能量法基于能量流法
聲線聲錐法基于幾何聲學(xué)v適用于中高頻段
模態(tài)密度大

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聲學(xué)仿真軟件:

1. 基于有限元法的聲學(xué)軟件

有限元模型是將求解區(qū)域劃分為有限個(gè)單元網(wǎng)格, 用有限的網(wǎng)格去逼近連續(xù)的媒質(zhì)
有限元方法適用于室內(nèi)噪聲分析。
可以運(yùn)用有限元模擬各種聲學(xué)介質(zhì),譬如流體、穿孔板等。計(jì)算固有頻率,聲模態(tài),計(jì)算在頻域、時(shí)域上的空腔的聲模態(tài)和聲振耦合響應(yīng),并且考慮流體效應(yīng)。

Structural FEM

The structural equation of motion is given by

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where [K] : Structural stiffness matrix

[C] : Damping matrix

[M] : Mass matrix

[Fs] : Forces applied to the structure

[Fp] : Forces due to acoustic pressure

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相關(guān)的常用聲學(xué)軟件:

LMS.Virtual.Lab結(jié)構(gòu)有限元,聲學(xué)有限元及其耦合
ANSYS 聲學(xué)模塊 Fluid 系列聲學(xué)單元
MSC.Actran 有限元方法和無(wú)限元方法
VA ONE.Rayon有限元方法

2. 基于邊界元法的聲學(xué)軟件

邊界元模型是一種將區(qū)域型問題轉(zhuǎn)化為邊界型問題的方法
邊界元一般先將區(qū)域表面分割為多個(gè)單元, 然后求出各個(gè)單元的聲壓值和聲壓的法向?qū)?shù)值
根據(jù)求解區(qū)域的不同, 邊界元模型分為直接邊界元(DBEA )、間接邊界元( IBEA ) 和瑞利法三種
直接邊界元法只適用于求解具有封閉曲面的內(nèi)部和外部問題
方程中的未知函數(shù)就是所求物理量在邊界上的值

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間接邊界元法具有廣泛的適用范圍, 可用于開口、閉口或相交的表面, 對(duì)于封閉的表面, 該方法可同時(shí)解決內(nèi)部和外部的問題
瑞利法是利用無(wú)限大障板上的活塞聲輻射模型, 該模型的物理意義最為直觀, 它先將輻射體表面離散, 每個(gè)單元被看成聲輻射活塞, 設(shè)法得到每個(gè)單元的振動(dòng)速度, 并求出此活塞在聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓, 最后求出各個(gè)單元的在這一點(diǎn)的聲壓總和

相關(guān)的常用聲學(xué)軟件:

LMS.Virtual.Lab---DBEM、IBEM
VNoise---DBEM、IBEM、Coupled acoustic
ESI.VA ONE.Rayon---BEM

3. 基于統(tǒng)計(jì)能量分析的聲學(xué)軟件

統(tǒng)計(jì)能量分析方法是從能量的角度來(lái)分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的響應(yīng)
可以成功預(yù)測(cè)耦合結(jié)構(gòu)元件和聲學(xué)容積的噪聲和振級(jí), 也能很好地解決聲場(chǎng)與結(jié)構(gòu)間的耦合問題
對(duì)于受高頻、寬頻帶隨機(jī)激勵(lì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及其噪聲輻射問題, 用統(tǒng)計(jì)能量法更為有效

相關(guān)的常用聲學(xué)軟件:

ESI.AUTOSEA
ESI.VA ONE
Cambridge Collaborative SEAM

4. 基于聲線和聲錐模型的聲學(xué)軟件

聲線法是基于幾何聲學(xué)的方法 , 當(dāng)聲波的頻率較高, 即聲波的波長(zhǎng)小于房間中的反射面時(shí), 可以用幾何光學(xué)中反射面的概念把聲的傳播看成是沿聲線傳播的聲能, 此過(guò)程中忽略聲的波動(dòng)性能
聲線模型的使用條件是反射面尺寸遠(yuǎn)大于聲波的波長(zhǎng), 而同時(shí)反射面的粗糙度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)
幾何聲學(xué)使用聲線或聲錐跟蹤的方法計(jì)算聲的傳播過(guò)程, 可用于封閉、半封閉或完全開放的空間
此方法假設(shè)空間每個(gè)具有確定功率的聲源可向各個(gè)方向或具有一定指向性地向外輻射聲音
聲源之間可以相關(guān)也可以不相關(guān)
從每個(gè)聲源發(fā)出的聲線或聲錐在每個(gè)接觸的壁面上發(fā)生鏡面反射, 其損失的聲能量由每個(gè)表面的吸聲特性決定
通過(guò)每個(gè)聲接收點(diǎn)的聲接收情況, 可以求出該點(diǎn)處隨頻率變化的穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)