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)研究之外的又一種研究手段,并廣泛應(yīng)用在各個學(xué)科領(lǐng)域。本文將對聲學(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)域表面分割為多個單元, 然后求出各個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, 對于封閉的表面, 該方法可同時解決內(nèi)部和外部的問題
瑞利法是利用無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, 每個單元被看成聲輻射活塞, 設(shè)法得到每個單元的振動速度, 并求出此活塞在聲場中任意一點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓, 最后求出各個單元的在這一點(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)測耦合結(jié)構(gòu)元件和聲學(xué)容積的噪聲和振級, 也能很好地解決聲場與結(jié)構(gòu)間的耦合問題
對于受高頻、寬頻帶隨機(jī)激勵的復(fù)雜結(jié)構(gòu)動力響應(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, 即聲波的波長小于房間中的反射面時, 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, 此過程中忽略聲的波動性能
聲線模型的使用條件是反射面尺寸遠(yuǎn)大于聲波的波長, 而同時反射面的粗糙度遠(yuǎn)小于波長
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)空間每個具有確定功率的聲源可向各個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)
從每個聲源發(fā)出的聲線或聲錐在每個接觸的壁面上發(fā)生鏡面反射, 其損失的聲能量由每個表面的吸聲特性決定
通過每個聲接收點(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