聲輻射
關注創建者：貍叔VAONE 創建時間：2019-01-11
聲輻射的視頻教程
ABAQUS案例—ABAQUS中聲固耦合、聲輻射分析方法精講
ABAQUS中有一套完整的聲固耦合分析方法。本課程詳細講述了ABAQUS中的聲固耦合分析、聲輻射分析方法。噪聲輻射分析中，需要模擬附著在結構上的外部空氣，而且它是向外無限延伸的，因此直接用聲學有限單元去模擬無限的空氣區域是不合理的。在Abaqus中可以通過兩種方式來模擬無限聲學介質的影響：一,使用聲學無限單元；二，用阻抗邊界來模擬。
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板件等效輻射聲功率分析(ERP)
ERP全稱為等效輻射聲功率，在汽車開發中有著廣泛的應用。如在前期車身開發中，根據ERP分析結果可預測出車身相對薄弱區域，進而進行優化或加強，同時也為車身阻尼片分布提供一定的技術支持和指導。 附件模型供下載練習
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Hypermesh+optistruct之白車身ERP（等效輻射聲功率）分析
一、 工況介紹 二、ERP設置步驟 三、PARAM計算卡片設置 四、 ERP分析結果后處理 附件壓縮包文件（BIW_ERP_Demo.7z）供大家練習鞏固，包含內容如下： 10_BIW_ERP（Equivalent Radiated Power）等效輻射聲功率分析.pptx → 分析教程 10_BIW_ERP.nas → ERP分析頭文件（可直接提交計算） 10_BIW_ERP.bdf
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聲輻射的實例教程
強化水下航行器聲隱身性能一直是提高海軍綜合突防能力、生存能力和作戰效能，并取得戰略、戰術優勢的重要途徑和核心舉措。由于重流體作用，水下結構的聲源分布和聲輻射機理特別復雜，這給水下聲輻射預報和低噪聲設計帶來不少的難題。本文首先對水下聲輻射機理進行了梳理；然后簡要介紹了Simcenter Acoustics聲仿真工具；最后，分別針對不同水下聲源給出了聲輻射仿真方法和流程，同時也分享了一些仿真案例，為相關的水下聲研究提供仿真經驗和數據參考。
一、前言
水下航行器噪聲的主要聲源有：機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。這三種聲源根據產生的部位和機理，相互之間相互獨立也相互有所關聯。在低速隱蔽航行工況，機械噪聲是其最主要的噪聲源，其譜結構特征也最容易被敵方探測到。機械噪聲的主要來源是：動力設備與管路系統和艉部推進傳動系統；在巡航和高速工況，螺旋槳噪聲和水動力噪聲的貢獻量逐漸增大以至于占主導地位。有時為了簡化，水聲研究人員也會將這兩種噪聲統稱為流制噪聲，將螺旋槳作為最重要的流噪聲聲源。本文研究內容是對水下聲輻射機理進行詳細論述，并針對這5種機理采用不同的方法和流程來進行聲學仿真分析。
二、水下聲輻射機理
2.1 結構振動輻射聲
結構振動輻射聲的聲源特征可以視為結構輻射面上一個個具有一定相位關系的活塞輻射，結構表面振動引起附近流體的壓縮和擴張，密度變化而形成聲波傳播出去。因此，在考慮煤質振動速度時需要考慮煤質對結構振動的影響，在水聲學中稱為附連水的影響。
展開 在點激勵條件下，薄板的聲輻射響應特性主要受到以下幾個因素的影響：
1. 激勵位置：點激勵的位置可以影響板的振動模式和振幅分布，從而影響聲輻射響應。通常情況下，激勵位置越靠近板的邊緣，板的振動模式越復雜，聲輻射響應也越強。
2. 激勵頻率：激勵頻率是指點激勵所施加的周期性力的頻率。當激勵頻率接近板的固有頻率時，板的振幅會增大，從而導致聲輻射響應增強。此外，當激勵頻率超過板的臨界頻率時，板的振幅和聲輻射響應會急劇下降。
3. 板的尺寸和形狀：板的尺寸和形狀會影響板的固有頻率和振動模式，從而影響聲輻射響應。通常情況下，較大的板和不規則形狀的板會產生更復雜的振動模式和更強的聲輻射響應。
4. 材料特性：板的材料特性也會影響聲輻射響應。例如，較薄的板和較柔軟的材料會產生更高的振幅和更強的聲輻射響應。
一、搭建模型
二、網格劃分
三、邊界條件
四條邊為簡支邊界條件，點載荷大小為1N，聲固耦合邊界，完美匹配層等。
四、求解器，頻率范圍range(1,1,200)Hz
表面振速
外場輻射聲壓級
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展開 本案例（附件中inp）講述了ABAQUS中的聲固耦合分析、聲輻射分析方法。ABAQUS中有一套完整的聲固耦合分析方法。
噪聲輻射分析中，需要模擬附著在結構上的外部空氣，而且它是向外無限延伸的，因此直接用聲學有限單元去模擬無限的空氣區域是不合理的。在Abaqus中可以通過兩種方式來模擬無限聲學介質的影響：一,使用聲學無限單元；二，用阻抗邊界來模擬。
在對外部的噪聲輻射問題進行仿真分析時，無限單元法的應用已經越來越廣泛。無限單元可以直接在結構上定義，或者也可以在聲學有限單元區域的終面上定義。
對于邊界阻抗技術，實質上屬于無反射邊界條件。然而當用此來模擬結構外部的區域時，結構與輻射表面的距離必須足夠大（通常取聲波波長的1/3）。
聲學無限單元計算公式與聲輻射阻抗邊界的計算有幾個關鍵的區別：無限單元采用更高階的差值函數，而聲輻射邊界則采用一階差值函數。雖然無限元計算每個單元的花費更高，但是無限單元的要比阻抗邊界精確很多，因此通過減小無限元的單元規模，從而可以大大的降低結構總的計算時間；本案例即是講解無限元單元法在模擬噪聲分析中的應用。
展開 聲學分析需要考慮聲固耦合或聲輻射技術，因為涉及到內場的聲固耦合分析或外聲場的輻射聲功率計算，雖然封閉聲場可以基于模態法減少計算時間，外聲場可以采用格林法或聲傳遞函數等方法減少計算時間，但是，聲學網格分網、聲固耦合計算還是要花費更長的計算時間，造成企業需要更大的硬件資源和更長開發周期。
在車輛開發前期的動力系統開發或車身開發中，我們可以通過抑制結構表面法向振動速度縮小輻射噪聲，同時，精確識別結構局部模態對輻射噪聲影響。利用ERP分析，可以在頻率響應分析中快速獲取特定激勵下部件與面板的最大潛在聲輻射數據，從而準確定位結構中聲輻射最大的區域。基于這一結果，可采取結構優化措施（如對鈑金件進行形貌優化）或增加阻尼片等方式，有針對性地抑制結構表面振動，進而有效降低結構振動產生的輻射噪聲。
等效輻射功率
等效輻射功率（Equivalent Radiated Power, ERP）分析作為一種表征結構振動聲輻射的計算方法，自2008年引入MSC Nastran軟件，經過多年開發與更新，功能與優勢如下：
? 支持分析類型：頻響分析和瞬態分析。
? 峰值點輸出：與PEAKOUT結合，支持系統自動識別峰值點，一步分析輸出或用戶自定義頻率輸出點。
? 支持模態貢獻率分析：將面板等效聲輻射分解到面板局部模態。
? 計算高效性：無需對流體媒質進行建模，計算速度快。
? 支持ERP輻射值為設計響應：基于ERP的優化對計算資源與時間的要求顯著低于聲學響應優化，適用于拓撲/幾何驅動的聲學設計。
? 阻尼表征能力：定義局部結構阻尼研究對ERP影響。
? 分析結果格式：csv、OP2、PCH、H5格式，展示和二次處理方便。
展開 ABAQUS-汽車引擎蓋的聲輻射分析.doc
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聲學分析需要考慮聲固耦合或聲輻射技術，因為涉及到內場的聲固耦合分析或外聲場的輻射聲功率計算，雖然封閉聲場可以基于模態法減少計算時間，外聲場可以采用格林法或聲傳遞函數等方法減少計算時間，但是，聲學網格分網、聲固耦合計算還是要花費更長的計算時間，造成企業需要更大的硬件資源和更長開發周期。
如何精確定位和量化高鐵外部噪聲？6個月前
多維度特性分析：輸出噪聲源的位置信息（疊加車輛圖像，直觀顯示部件噪聲級）、頻率成分（明確高噪聲對應的頻率范圍）、聲功率輻射特性（量化噪聲源的貢獻）。
汽車領域：聚焦降噪與熱管理核心需求
汽車行業的流固耦合多圍繞提升駕駛體驗展開，技術鄰案例直擊工作中的常見難題：
案例 1：主機廠發動機蓋聲固耦合仿真分析
1) 需求背景：發動機運轉產生的噪聲會通過結構傳遞到車內，需分析發動機蓋的聲輻射情況，找到降噪優化方向；
2) 核心難點：要讓聲學網格和結構網格精準匹配（耦合面節點偏差不能超過網格尺寸的 10%）；設置合適的聲壓級計算頻率（覆蓋人耳敏感的
路徑貢獻量化
單路徑貢獻量：
貢獻量占比：
（2）空氣聲TPA（體積加速度法）
針對空氣傳播的噪聲（如風噪、發動機表面輻射聲），以“體積加速度”描述聲源輻射強度。
從核心功能模塊的技術特性來看，Actran 構建了覆蓋全聲學仿真流程的解決方案：?
Actran Acoustics 基礎模塊：基于高階有限元（p-version FEM）與自適應網格技術，支持聲場傳播、空腔聲學模態分析、外場聲輻射預測等場景，網格收斂性誤差可控制在 3% 以內。
什么是聲強
任何振動的機械部件都會輻射出聲能。聲功率是輻射能量的速率（每單位時間的能量）。聲強描述通過單位面積的能量流率。在國際單位制中，單位面積為1平方米。因此，聲強的單位是瓦特/平方米。
聲強還提供方向的量度，因為在某些方向上會存在能量流，而在另一些方向上則不會。因此，聲強既具有幅度又具有方向性，因此是矢量。另一方面，壓力是標量，因為它僅具有大小。
基于階次工況的結構模態和參與因子輸入，用戶只需單擊幾下鼠標，即可在階次工況下構建并運行完整的聲輻射分析。可從 WM主頁訪問演示案例來展示此工作流程的優勢。
圖 1 基于噪聲測試的表面振動識別（空氣薄膜模態方法）
01
薄膜模態的概念
針對機械結構（幾何域Ωs）的聲輻射問題，將其外部邊界記作Γs。此邊界與外部的聲學層（幾何域ΩL）相連，邊界ΓL與Γs重合。假設聲學層ΩL的厚度tL相對于聲波長來說很小（tL << λ），即可以用這種具有無限小厚度的區域來替代原有的流體物理域。
（4）基于結構網格創建聲學包面網格，定義格林聲輻射分析模型。此步驟考慮到后期要進行多種不同結構設計方案下噪聲的評估，為了提高計算效率而定義格林分析。如果只是為了驗證一兩種結構的輻射噪聲，則可以采用常規的聲學直接頻響分析建模。
（5）格林分析將輸出麥克風測點的噪聲響應，并一同輸出結構表面各個單元對噪聲的貢獻量以及各個結構模態對噪聲的貢獻量。
在高速行駛過程中，氣流快速流過尾翼的鏤空區域，沖刷后窗玻璃，導致振動激勵向車內傳遞噪聲，同時紊亂的氣流之間相互摩擦本身也會產生高湍動能，通過聲輻射的方式向車內傳遞。
