噪聲源主要有兩種構成，振動噪聲源和氣動噪聲源。顧名思義，振動噪聲是由結構振動輻射出來的噪聲，氣動噪聲是由流體流動中的湍流引起并傳播出來的噪聲。在很多應用場景中，了解并掌握氣動噪聲如何產生以及如何傳播對產品的設計有很大意義。比如，下圖中汽車風噪聲，汽車在高速行駛時后視鏡和側窗區域形成的風噪會傳入車內；風機在旋轉做功時會切割空氣并產生渦流，形成周期性較強的離散噪聲和寬頻帶的渦流噪聲；空調管道內流速過快時產生的湍流噪聲等。

   在氣動噪聲的模擬計算中，工程師往往關注以下幾點：優化設計的快速性、是否可能在設計前期就進行噪聲預測、仿真計算的網格規模、能否有效控制仿真成本、節約計算時間等。

SC/Tetra可解決的常見CFD問題

下面就給大家介紹MSC Software公司的SC/Tetra和Actran是如何聯合進行氣動噪聲模擬的。

   Cradle（MSC子公司）旗下的SC/Tetra是一款通用的CFD軟件，可以提供一站式解決方案套件。Tetra采用有限體積法的迭代方法，可計算多種流動類型，包括可壓縮，不可壓縮和動網格（ALE）等，其性能高效，快速，精確。Tetra典型應用如下圖所示。

    FFT（MSC子公司）旗下的Actran是國內外通用的聲學模擬軟件，由于精細的建模方法，便捷的操作流程及精準的計算精度被廣大用戶所接納。Actran主要基于聲學有限元求解各類聲學問題，同時包含聲學無限元、完美匹配層、間斷伽遼金（DGM）、統計能量方法（新版本）等多類方法，可用來求解范圍廣泛的振動噪聲與氣動噪聲問題。Actran便捷易操作的前后處理界面也是一大亮點。近年來，由于Actran在氣動噪聲的優異表現，如汽車風噪聲、風機類旋轉機械噪聲、航空發動機噪聲等方面的卓越表現，已經逐步成為產品開發必不可少的仿真工具。Actran典型應用如下圖所示。

Actran聲學仿真典型問題

氣動噪聲計算的挑戰

      眾所周知，氣動噪聲中聲壓只是流體壓力中很小的一部分。拿汽車風噪聲舉例，100 km/h行駛速度的轎車，動壓約為500Pa，而聲壓僅為0.11Pa（即75dB）；可想而知，我們在通過CFD計算氣動噪聲時，如同在波濤洶涌的海面（動壓）上辨別投石引起的波浪（聲壓）。

汽車風噪及相關示意圖

氣動噪聲解決方案

      SC/Tetra可以用以下模型仿真預測流動誘發的噪聲：（1）聲源探測方法 source detection；（2）聲學類比方法 acoustic analogy；（3）混合方法 Hybrid method–基于聲學類比方法的 SC/Tetra - Actran 聯合仿真。

SC/Tetra中三種計算方法的效率曲線

如上面曲線中所展示，聲源探測方法是最便捷的方法，可以直接在CFD中采用穩態計算結果來做聲類比計算，但這種方法的精度不高；這三種方法中最精確的方法是混合方法（SC/Tetra+Actran）。所以產品設計中對精度的要求越嚴格，就需要計算成本更高的氣動噪聲方法（這里的計算成本指軟硬件成本及時間成本）。

（1）聲源探測方法 source detection methods

      用穩態結果評估噪聲源，采用的方法包括Powell-Howes聲源識別法；Lillely’s 聲源識別法； Proudmans聲源識別法。

      聲源探測方法類似于對CFD結果進行后處理，因此我們可以使用穩態結果來估計噪聲源。Powell-Howes聲源識別法利用渦流和速度矢量來估計噪聲源，Lillely’s 聲源識別法僅使用速度向量來估計噪聲源，Proudmans聲源識別法是在流場中使用湍流參數（耗散率等）來估計噪聲。每一種方法捕捉到不同類型的噪聲，Powell-Howes聲源識別法捕捉渦流的噪聲，Lillely’s 聲源識別法捕捉噴流噪聲，而Proudmans聲源識別法可以捕捉到流體中的寬帶噪聲。

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以上鏈接是一個汽車周圍穩態流場的聲音源評估模型。噪聲源主要集中在側鏡附近 。車身后面的尾跡區域、前面的散熱器及發動機罩區域，是汽車風噪的另外三個主要來源。

（2）聲類比方法

      聲類比方法需用非穩態方法計算聲壓，然后用Ffowcs Williams & Hawkings (FW-H)方程求解遠場噪聲：

      正如前面提到的，聲壓比流體的動力壓力小得多。在聲類比方法中，我們對觀測點的聲壓進行了評估。其中的限制是這種方法與可壓縮流不兼容。而且此方法需要采用瞬態模擬的結果，最好是使用大渦模擬(LES)，然后利用FW-H方程，根據預期的噪音源區域（通常是一個表面區域）來預估噪聲大小。我們看到上面的方程中包含馬赫數和聲源距離觀察點的距離。為了能夠使用這種方法，我們設置的聲源應該滿足緊湊條件。緊湊性意味著與我們想要評估的波長相比，聲源應該是很小的。

      利用FW-H方程，我們將得到時域的聲壓大小，然后通過執行快速傅里葉變換將其轉換為頻域。下圖展示了從一個遠離圓柱體的場點上觀測到的由圓柱繞流所產生噪聲的案例。需要注意的是，此種方法在考慮聲音的反射、折射、吸收等方面有很大局限性，這在很大程度上限制了單獨使用CFD進行氣動噪聲計算的適用性。因此我們也就需要考慮下文提到的混合方法。

SC/Tetra中聲類比方法求解氣動噪聲（圓柱繞流）

SC/Tetra+Actran混合方法仿真說明

采用SC/Tetra+Actran聯合仿真模擬的混合方法可以結合兩款軟件彼此的優勢方向，得到更為理想的結果

SC/Tetra + Actran聯合仿真模擬方法

由SC/Tetra計算的CFD結果在Actran中通過CGNS格式讀取。Actran來計算由湍流產生的氣動聲源，然后計算從聲源到監測位置的聲傳播。

  通過使用兩種不同的Actran計算方法（常規氣動噪聲和SNGR方法），可以根據兩種不同的工作流程來完成SC/Tetra和Actran的完整氣動噪聲計算。這兩種工作流程之間的選擇將取決于準確性和計算時間之間的權衡。

常規氣動噪聲和SNGR方法工作流程

    第一個工作流程使用了SC/Tetra和Actran聯合模擬氣動噪聲時的常規方法。SC/Tetra先求解穩態流場，然后需要求解瞬態流場。Actran可以讀取瞬態流場結果，并計算氣動噪聲。Actran可以方便而全面的展示氣動聲源的傳播結果。這個工作流程需要較多的計算時間，特別是瞬態的CFD分析，但是這種方法能夠提供非常準確的結果。

    第二個工作流程使用了SC/Tetra和Actran SNGR模塊聯合求解氣動噪聲，它屬于一種半經驗公式方法，通過采用Actran重構穩態流場中的脈動速度項，得到與時間和空間相關的數據，進而進行聲源轉換。在這個過程中，SC/Tetra只需要進行穩態的CFD分析，而Actran SNGR在這些平均速度和密度場的基礎上，通過讀取湍流動能K和湍流耗散率epsilon，可以根據隨機重建方法重建一個時間相關的脈動速度場，進而轉化成氣動噪聲源。由于不需要進行瞬態的CFD分析，所以這個工作流程要快得多；雖然它的精度可能沒有前面一種方法高，但仍然能夠很好地分析不同設計方案的相對噪聲對比。因此，如果幾個設計方案想要排序或者想要進行優化，SNGR方法也是不錯的選擇。

   從這兩種方法中可以看出關鍵部分是CFD和聲學之間的接口。SC/Tetra可以很好的進行穩態CFD和瞬態CFD模擬計算。而Actran軟件在氣動聲源提取與聲源傳播計算方面是技術上的佼佼者。

   氣動噪聲源采用聲類比方法提取，這要基于一個重要的假設：湍流流動引發聲學場，但是聲學場對流體沒有反饋的影響，如下圖所示：

流場與聲場的作用關系

正如前面介紹的，聲場中的聲壓脈動相對于流體里面的壓力脈動是很小的一個量。這個假設對于幾乎所有的氣動噪聲源都是有效的。上述的假設提出后，就可以用兩個步驟來計算氣動噪聲：

  第1步：計算不穩定流場，此時不關心聲傳播。這是在CFD求解器中完成的；

  第2步：計算氣動噪聲源及其傳播過程。這是在Actran中完成的。

  在Actran中可以使用兩種不同的聲類比方法：Lighthill聲類比，適用于低馬赫數（Ma<0.3）氣動噪聲；M?hring聲類比，適用于更高的馬赫數（Ma>0.3）。Lighthill 聲類比和M?hring聲類比都基于CFD中的N-S方程和連續性方程。Lighthill聲類比方法無法考慮流體流動對聲傳播的影響，所以僅能近似用于低馬赫數氣動噪聲計算。如下圖所示，方程被重新排列組合在一起，方程的左邊為波動算子項，方程的右邊是源項（密度和流體速度的函數）。

Lighthill 聲類比計算公式

      上述中速度項和密度項獲得后，下一步是將這些源項從CFD網格映射到聲學網格。在這個過程中所有相鄰的CFD單元的結果都能映射到聲學網格節點，如下圖所示；這種方法不需要對聲源區域的聲學網格進行細化就能保證計算非常準確，因為它使用了CFD網格中包含的所有信息。

      氣動聲源被映射到聲學網格上，就可以運行Actran計算。Actran的計算不局限于簡單的聲傳播，還可以通過復雜的傳播路徑來計算空氣聲學源的聲學傳播，如可以增加吸收材料或穿孔板，可以計算由氣動聲源引起的結構的振動等等。

信息映射過程及聲傳播

混合方法求解空調管道氣動噪聲

      如上圖所示，韓松系統（Hanon systems）采用混合方法來計算空調管道氣動噪聲，并發表在SAE國際大會上。研究的案例是一個汽車空調管道，空氣通過前端系統注入，一個麥克風位于管道前方，以記錄噪聲大小。為了重現這個實驗，工程師進行瞬態CFD計算，然后建立Actran模型求解氣動噪聲。計算完畢可以得到Lighthill聲源分布，聲場分布云圖及監測點聲壓級頻譜與實驗的對比結果。使用混合方法計算的結果與實驗結果非常匹配，這一結果使韓松系統（Hanon systems）工程師確信該方法很適合預測氣動噪聲。

SC/Tetra+Actran聯合仿真案例

消聲器排氣噪聲案例

本案例選擇某摩托車排氣消聲器，案例的目的是盡量降低消聲器內部產生的氣動噪聲。下圖為采用兩種方式計算消聲器工作時產生的氣動噪聲流程：

Aero-acoustics及SNGR分析流程

      在常規的Aero-Acoustics仿真計算中，第一步是計算一個穩定的CFD流場，目的是為瞬態計算提供初始場，并驗證用于模擬的CFD網格是否足夠用于氣動噪聲計算（可查看截止頻率）。第二步是運行瞬態流場并盡可能的使結果穩定，常規的做法是監測某點的脈動壓力，看是否呈現周期性。最后一步是瞬態流場穩定后，輸出用于氣動噪聲分析的CFD結果。      SC/Tetra的操作動畫如上所示，其步驟與常規的CFD軟件操作流程類似，均屬于較為經典的操作流程，其先定義邊界后自動劃分網格的特點也是一大特色：導入模型→定義材料屬性→定義邊界→劃分網格→運行計算→后處理。

    CFD的結果選擇CGNS格式導出，常規的Aero-Acoustics方法需要進行瞬態模擬，大約需要100個小時時間來完成。它產生的數據量大約是87 GB，因為我們需要生成多個文件來計算聲學信息。如果使用SNGR方法，即使用穩態模擬結果，這將大大減少CFD的計算負載。

Actran中計算氣動噪聲源及聲傳播云圖、曲線

      本案例使用混合的方法求解氣動噪聲，工程師可以從SC/Tetra和Actran中得到很多信息來改善產品的空氣動力性能和聲學性能。在這個過程中SC/Tetra可以非常有效和準確地完成瞬態流場分析，然后使用SC/Tetra的結果導入Actran中求解氣動噪聲源和聲傳播。其可靠的結果可以讓工程師在設計階段更早地改進產品的設計。

風機氣動噪聲案例

      SC/Tetra求解風機瞬態CFD結果在Actran中轉換為噪聲源如下。

由此可見，采用SC/Tetra+Actran聯合仿真模擬的混合方法可以精確的得到風機、管道等氣動噪聲。