0 引 言

聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生，并需要通過介質(zhì)傳播，最終被接受者所接收。

聲學(xué)是研究聲音的科學(xué)，只有探明聲音的產(chǎn)生原因、傳播特性，工程中才能有效避免或利用聲音中的能量，獲取并識(shí)別聲音中攜帶的信息。

1. PERA SIM聲學(xué)解決方案介紹

1.1聲學(xué)全頻段解決方案

PERA SIM通用仿真軟件是安世亞太自主研發(fā)的核心產(chǎn)品，包含了結(jié)構(gòu)、流體、電磁、聲學(xué)、高級(jí)前后處理器等不同的模塊單元。基于PERA SIM進(jìn)行聲學(xué)研究，首先，PERA SIM Mechanical結(jié)構(gòu)仿真、PERA SIM Fluid流體仿真、以及PERA SIM LEmag電磁仿真，提供了面向工業(yè)用戶各類產(chǎn)品聲音產(chǎn)生的仿真評(píng)估能力，例如：模態(tài)剛度分析、湍流模擬、電磁力計(jì)算等。其次，PERA SIM AcousticBEM和PERA SIM ProNas分別采用聲學(xué)邊界元、能量有限元方法實(shí)現(xiàn)聲學(xué)響應(yīng)預(yù)測(cè)，與傳統(tǒng)的聲學(xué)數(shù)值計(jì)算方法相比，創(chuàng)新性地提出針對(duì)不同的頻率分析范圍，可以基于同一套模型實(shí)現(xiàn)全頻段的快速預(yù)測(cè)，解決不同產(chǎn)品在聲學(xué)傳播特性方面的分析需求。最后，整個(gè)平臺(tái)各模塊之間耦合、多物理場(chǎng)協(xié)同仿真，實(shí)現(xiàn)聲源確定、傳遞路徑分析、接收響應(yīng)完整的聲學(xué)評(píng)估能力。

1.2聲學(xué)快速邊界元

PERA SIM AcousticBEM快速邊界元模塊，基于聲學(xué)邊界元方法（BEM）并通過快速多級(jí)子（FMM）、自適應(yīng)交叉近似（ACA）等快速算法加速求解，與傳統(tǒng)的邊界元方法相比，計(jì)算效率獲得了若干數(shù)量級(jí)的提高，適用于中低頻較寬范圍的聲學(xué)問題，避免了中頻算法計(jì)算低頻問題的數(shù)值不穩(wěn)定，也解決了低頻方法計(jì)算中頻問題時(shí)誤差大求解效率低的問題。在大規(guī)模、全空間域、半空間域等的重大工程聲學(xué)問題分析中顯示出超強(qiáng)的計(jì)算能力。

1.3能量有限元分析

統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）一直以來被認(rèn)為是解決結(jié)構(gòu)中、高頻振動(dòng)噪聲的有效方法。但在中頻段，分析模型面臨模態(tài)密度不足的問題；而在高頻段結(jié)果取決于模態(tài)分析的精度，無法考慮每個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)能量密度的變化；并且，該方法阻尼需是均勻的，內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子也一直沒有系統(tǒng)成熟的理論。因此，在解決中高頻振動(dòng)噪聲問題，統(tǒng)計(jì)能量分析的發(fā)揮受到極大限制。

能量有限元（EFEA）是基于波動(dòng)理論的功率流方法，對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)密度沒有要求，分析頻段可以擴(kuò)展到中、高頻段；且能量控制方程是二階偏微分方程，可以利用現(xiàn)有的有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬。

PERA SIM ProNas能量有限元模塊，采用能量有限元和統(tǒng)計(jì)能量混合算法（EFEA-SEA技術(shù)），求解方程形式上和統(tǒng)計(jì)能量法極為相近，基于有限元模型解決中高頻振動(dòng)噪聲問題，避免了冗長(zhǎng)的子系統(tǒng)建模和模態(tài)密度反復(fù)判斷的過程，大大節(jié)省工程設(shè)計(jì)人員的建模時(shí)間。同時(shí)，基于完全Biot理論，可以研究聲學(xué)包性能，解決結(jié)構(gòu)噪聲失真度大的問題，使工程人員在設(shè)計(jì)初期能夠有效地進(jìn)行工程預(yù)測(cè)和優(yōu)化。

2.PERA SIM聲學(xué)解決案例介紹

2.1 潛艇散射聲場(chǎng)計(jì)算

潛艇是在水下的隱蔽性作戰(zhàn)平臺(tái)，隱身無疑是非常重要的一個(gè)性能指標(biāo)，隱身性能好代表著難以被敵軍偵察到，可以更好的完成作戰(zhàn)任務(wù)，保護(hù)全艇人員的安全，目前探測(cè)潛艇最有效的技術(shù)還是聲吶。本案例用一個(gè)平面波模擬聲納發(fā)出的聲波，完成在水下聲場(chǎng)中，潛艇對(duì)水下入射聲場(chǎng)的影響。并將計(jì)算結(jié)果與專業(yè)的商用聲學(xué)分析軟件對(duì)比，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)自主PERA SIM的高精度計(jì)算。

使用軟件：PERA SIM AcousticBEM

圖1 潛艇散射聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比（100Hz）

2.2 主軸電機(jī)輻射聲場(chǎng)計(jì)算

隨著數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和人們環(huán)保理念的提高，機(jī)床運(yùn)行過程中的噪聲污染越來越受到重視，目前，噪聲已成為檢驗(yàn)機(jī)床產(chǎn)品合格與否的重要指標(biāo)之一。主軸電機(jī)是機(jī)床主要噪聲源，它一側(cè)安裝于機(jī)床內(nèi)，另一側(cè)與加工工件接觸，工作時(shí)在安裝點(diǎn)及與工件的接觸點(diǎn)，會(huì)受到反作用力而引發(fā)殼體振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。本案例分析機(jī)床在穩(wěn)定運(yùn)行工況下，電機(jī)受力在殼體表面產(chǎn)生的振動(dòng)速度作為聲源激勵(lì)，求解電機(jī)殼體振動(dòng)后的輻射聲場(chǎng)。

使用軟件：PERA SIM AcousticBEM

聲輻射分析模型：電機(jī)聲學(xué)表面和球形聲場(chǎng)面

圖2 電機(jī)聲輻射分析模型示意圖

圖3 電機(jī)聲學(xué)表面、聲場(chǎng)面聲壓級(jí)云圖對(duì)比

圖4 聲場(chǎng)面的最大聲壓級(jí)、遠(yuǎn)場(chǎng)的聲功率級(jí)結(jié)果對(duì)比

2.3 汽車艙內(nèi)聲場(chǎng)及聲板貢獻(xiàn)量計(jì)算

在汽車NVH分析中，聲固耦合分析應(yīng)用較多，如噪聲傳遞函數(shù)NTF和路噪計(jì)算。車內(nèi)噪聲是由于聲腔耦合面上某些面板的振動(dòng)產(chǎn)生（如前頂橫梁、頂棚、地板、前圍板、備胎池等），所以解決噪聲峰值就必須找到對(duì)應(yīng)頻率下各面板部件的振動(dòng)貢獻(xiàn)量，進(jìn)而完成相應(yīng)的分析、優(yōu)化。本案例中，將車內(nèi)聲場(chǎng)的聲學(xué)面網(wǎng)格分成不同的單元組，并按組定義為不同聲板面，計(jì)算每個(gè)板塊引起的聲壓量，并統(tǒng)計(jì)出各聲板面對(duì)總聲壓正負(fù)貢獻(xiàn)的大小，這種思路是汽車NVH設(shè)計(jì)中確定聲源很常用的一種方法。

使用軟件：PERA SIM AcousticBEM

車艙聲腔分析模型，確定頂棚、地板、前后擋風(fēng)玻璃、左右車門共6個(gè)聲板面，及艙內(nèi)3處場(chǎng)點(diǎn)：

圖5 車艙聲腔模型

圖6 場(chǎng)點(diǎn)聲壓大小比較

圖7 各聲板貢獻(xiàn)量結(jié)果顯示

2.4汽車前圍板聲學(xué)性能計(jì)算

汽車前圍板是分隔發(fā)動(dòng)機(jī)艙和車廂的重要部件，它通常包含機(jī)艙與車廂之間的板，以及板內(nèi)外面上安裝的聲學(xué)包隔熱材料。前圍板隔聲性能的好壞在很大程度上決定了駕駛員、乘客受發(fā)動(dòng)機(jī)等噪聲干擾的程度。采用合理有效的方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其隔聲量及找出主要薄弱部位，是進(jìn)一步分析、評(píng)價(jià)、改進(jìn)其隔聲性能的前提，對(duì)改善汽車聲學(xué)性能具有重要意義。

使用軟件：PERA SIM ProNas

圖8 聲學(xué)包結(jié)構(gòu)吸隔聲性能預(yù)測(cè)

圖9 汽車前圍板聲學(xué)性能預(yù)測(cè)

2.5客箱船降噪設(shè)計(jì)

本案例采用ProNas能量有限元法（EFEA-SEA技術(shù)），繼承了統(tǒng)計(jì)能量法的一些概念，克服了統(tǒng)計(jì)能量法的不足，可以用于強(qiáng)耦合和非保守的系統(tǒng)；摒棄了模態(tài)密度的概念，基于離散的單元比統(tǒng)計(jì)能量法中的子系統(tǒng)更為靈活，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何特性和阻尼特征也可以進(jìn)行充分表述，能對(duì)結(jié)構(gòu)的局部響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，能量有限元方法對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的中高頻振動(dòng)及噪聲分析有著現(xiàn)實(shí)意義。

使用軟件：PERA SIM ProNas

圖10 整船能量有限元模型及結(jié)構(gòu)載荷、噪聲載荷模型

圖11 結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)云圖、聲腔響應(yīng)云圖

表1 個(gè)別艙室仿真-測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2.6整流罩振動(dòng)噪聲分析

衛(wèi)星整流罩是運(yùn)載火箭的重要組成部分，當(dāng)運(yùn)載火箭在大氣中飛行時(shí)，可用于保護(hù)衛(wèi)星及其它有效載荷，防止衛(wèi)星受氣動(dòng)力，氣動(dòng)加熱及聲振等有害環(huán)境的影響；對(duì)于整流罩結(jié)構(gòu)來說，外部噪聲（尤其是中高頻噪聲）對(duì)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部有效載荷的影響很大。本案例對(duì)某整流罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)環(huán)境的預(yù)示，采用能量有限元分析的方法，建立了能量有限元模型，獲得了整流罩結(jié)構(gòu)上能量傳遞云圖，以及上、下腔室內(nèi)的聲壓級(jí)響應(yīng)結(jié)果。

使用軟件：PERA SIM ProNas

圖12 火箭整流罩模型

圖13 整流罩分析結(jié)果?

3.結(jié)論

PERA SIM聲學(xué)解決方案，可以在統(tǒng)一平臺(tái)下，徹底解決用戶對(duì)聲學(xué)問題在全頻范圍內(nèi)的分析需求。通過上述各行業(yè)典型應(yīng)用案例的分析對(duì)比表明，無論是解決耦合還是非耦合問題，PERA SIM聲學(xué)模塊都能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的仿真預(yù)測(cè)。最后，如果讀者想要進(jìn)一步了解我們產(chǎn)品，請(qǐng)與安世亞太技術(shù)人員聯(lián)系。