聲輻射仿真的案例
水下聲輻射機理與仿真分析
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 混動變速箱電驅模式齒輪嘯叫仿真及試驗研究
2.2 仿真分析
DCT動態激勵力仿真模型應包含變速器殼體、軸齒系統、軸承系統、電機系統4部分,如圖3所示。對混動變速器測試樣機進行微觀參數檢測,將檢測的參數輸入到動態激勵力仿真模型,同時根據實際問題點工況,對動態激勵力進行仿真計算,結果如圖4所示。
由圖4可知,齒輪動態激勵力在2200Hz附近存在峰值,與整車噪聲測試結果一致,齒輪激勵過大。
3 聲輻射仿真分析
1500Hz以下的變速器噪聲主要來自結構振動傳遞,1500Hz以上的變速器噪聲主要以空氣噪聲為主,而混動變速器嘯叫噪聲頻率為2200Hz,主要通過聲輻射產生,因此需要對其進行聲輻射仿真分析。聲傳遞向量是聲場中某點的聲壓與模型振動之間函數關系,而振動是激勵與模態的乘積[9],所以需要在激勵仿真、總成模態仿真的基礎上進行聲輻射仿真。
3.1 激勵力
根據齒輪嘯叫傳遞特性,激勵力可以通過施加軸承激勵力、齒輪嚙合力和齒輪齒面位移3種方式獲得。相關研究顯示[10],施加軸承力和齒輪齒面位移得到的激勵力基本相同,且施加軸承力與實際測試結果比較接近,因此提取各軸承座軸承激勵力如圖5所示。
3.2 模態分析模型
DCT模態分析模型包含變速器殼體、變速器軸系系統、變速器其他重要部件(如換擋器、液壓控制系統及電機部分等)等,如圖6所示。在Hypermesh軟件中采用rbe2(剛性連接單元)-CBAR(桿單元)-rbe2模擬螺栓,采用CBAR模擬螺桿[10-12],螺栓簡化模型如圖7所示。軸承模型中采用CBUSH(彈簧單元)模擬軸承剛度,軸承簡化模型如圖8所示。仿真分析需考慮齒輪嚙合剛度以及各附件的質量。
展開 揚聲器有效輻射面積Sd的仿真探討
之前有提到揚聲器有效輻射面積Sd可以用Klippel Scanner測試得到，而且只是說用折環中間一半進行計算是不對的，尤其對微型揚聲器/高音/壓縮高音等小口徑揚聲器。 但并沒有提到具體大致的折環參與的有效輻射面積比例有多少。所以今天就探討下。
其仿真計算的原理就是將振膜整體運動移動的空氣體積△V，除以其△x，即得到振膜的等效Sd。不同頻率下的Sd是有差異的。
詳細情況可以參考——http://www.yqgqt.org.cn/content/post/303266
為計算方便，模型采用簡化版揚聲器音盆組，不帶膠水和粘接面的模型。
給音盆加載一個1mm的位移
計算就是用振動面的位移積分/位移，得到其有效輻射面積。折環參與輻射的面積超過1/2。
Cone OD
132
mm
Surround OD
164
mm
Sd*x
191.08
cm^2*mm
x
1
mm
Sd
191.08
cm^2
Efficient Diameter
155.9778
mm
Surround Efficient Sd
74.93%
需要注意的是，不同形狀折環的有效輻射面積是會有所差異的。感興趣的可以自己試試看。 數學功底好的，也可以嘗試下看能否得到比較規整折環的有效輻射面積的解析表達式。
掃頻結果如下
展開 設計仿真 | 基于MSC Nastran的等效輻射聲功率ERP計算
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案例—ABAQUS中聲固耦合、聲輻射分析方法 ￥4
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 平板聲輻射功率計算
采用圖(3)公式，以（j*振型*圓頻率）作為速度分布，計算聲輻射模態，不能像振型一樣得到明顯的規律，如圖(7)所示；不知為何？正定實對稱矩陣特征值分解后，除了正交以外還有其他怎樣的規律呢？比如像振型這樣的元素分布。
ABAQUS-汽車引擎蓋的聲輻射分析
ABAQUS-汽車引擎蓋的聲輻射分析.doc
【轉載分享】微型揚聲器膜片的振動與輻射
已征得作者授權轉載分享。 供大家參考。
原文是作者張亞東在聲學樓論壇七周年的講稿。
微型揚聲器膜片的振動與輻射
微型揚聲器膜片的振動與輻射
之前的文章有提到不同的揚聲器低頻失真的數值仿真方法。可以利用comsol等多物理場有限元仿真軟件進行耦合求解，計算量比較大。
matlab耦合simulink建模進行非線性仿真。
【揚聲器系統設計與仿真】揚聲器失真仿真
簡化后，進行迭代解析求解的方法
一種新的揚聲器單元低頻非線性模型的迭代求解法
那篇文章采用matlab耦合simulink建模，是因為比較直觀，容易修改而已，直接用matlab也是一樣。為求盡可能準確，采用的是單頻點的正弦信號作為激勵，而且有matlab和simulink相互傳遞數據的過程，所以求解時間會略長。
這篇文章嘗試使用不同激勵信號進行揚聲器低頻失真的數值仿真。仿真工具matab。使用的求解方法是經典四階龍格庫塔法。 計算比上面的方法快了很多。 其實就是網上扒了現成的四階龍格庫塔法的matlab實現方法，然后再把方程改成揚聲器的二階非線性微分方程就行了。
輸入電壓激勵信號可以選擇：單點掃頻，連續對數掃頻，白噪，粉噪，脈沖信號，multitone等等。電壓幅值盡可能大，以激發揚聲器較大失真。
展開 Comsol 點激勵條件下薄板聲輻射響應
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
有需要源文件和講解視頻的可以與我們聯系，優惠不斷
展開 揚聲器有效輻射面積非線性Sd(f,x)
01
—
有效輻射面積Sd
前期對揚聲器有效輻射面積Sd的計算方法和仿真過程做了一些描述。
揚聲器有效振動質量Mms以及有效輻射面積Sd
揚聲器有效輻射面積Sd的仿真探討
對常規單半圓懸邊(或者叫折環)的單元，R. Small提出了一個近似計算的公式。
所以，對常規單元來說，直接用懸邊的中間位置計算Sd即可。對跑道形或者方形單元也是同樣適用的。
Sd的準確計算，尤其對微型揚聲器比較重要。因為本身振動面積不大，計算偏差過大，會導致靈敏度，Vas等參數計算錯誤。
下圖是某一個頻率下，一款耳機單元的振動情況，以及位移隨振膜位置的分布。
微型揚聲器Sd的測試方法主要有兩種。
閉箱測試
第一張圖是實測過程，第二張圖是原理圖。通過激光監測膜片位移。通過麥克風監測腔體內聲壓變化，從而得到腔體內容積的變化。通過換算即可得到有效振動面積Sd，以及Sd隨頻率變化的關系。
激光掃描
通過激光掃描整個振膜表面的振動情況，然后計算位移面積分/音圈位移即可得到Sd，以及Sd隨頻率變化的關系。
可以取有效頻率范圍內，比較穩定一段的平均Sd認為是單元的有效輻射面積Sd。
仿真Sd，以及Sd隨頻率變化的方法在之前的文章中講過，就不再復述了。
02
—
有效輻射面積非線性Sd(f,x)
通過前面的論述，我們知道，有效輻射面積Sd是和頻率相關的一個參數。
但同樣Sd和位移也是存在相關性的。不過相關的研究非常少。
展開 
基于ANSYS經典界面的雙波導的聲輻射分析
該結構由兩個波導管和一個被吸聲材料所封閉的長方體空間構成。現在這兩個波導管的進口段各施加頻率是1360HZ，振幅是1PA的聲壓波。現在要求整個結構內部的聲壓分布，并重點比較幾個對稱點處聲壓的大小和相位。
【問題分析】
1. 這是一個諧響應分析問題。
2. 由于涉及到聲場和邊界層，而且是三維的規則空間結構，所以使用FLUID220單元，并分別給定不同的關鍵字，以表達聲場主體和邊界層。為了方便建模，先用MESH200建模四個面，然后通過拉伸的方式形成上述兩個區域。
3. 對邊界節點設置壓力為零的聲-軟邊界條件。
4. 在兩個波導管的進口處設置壓力激勵源。
5. 用POST1繪制聲壓云圖，而用POST26取出幾個對稱點的聲壓，進行比較。
6. 本例子來自于ANSYS15聲場分析的例子《13.9. Example: Radiation from Two Waveguides》，為方便講解，對命令流進行了調整，并在后處理中加入了云圖顯示。
7. 本例使用命令流進行講解。
【求解步驟】
1. 建模
1.1 選擇單元類型
在命令窗口中輸入
/prep7
et,11,200,7
et,1,220,,1
et,2,220,,1,,1
上述命令首先進入了前處理器
然后定義了三種單元，其中
200是MESH200，用于定義面單元。該單元主要是為了創建其它體單元做過渡。用完后就會清除掉。
220是FLUID220，其中第3行的該單元用于域內，建模空氣；而第4行用于建模邊界，表達網格截斷。
1.2 創建材料模型
在命令窗口中輸入
c0=340
mp,dens,1,1.
mp,sonc,1,c0
上述命令用于定義材料的密度和聲速。
展開 揚聲器有效振動質量Mms以及有效輻射面積Sd
一般的參考書籍中很少專門提到揚聲器有效振動質量Mms以及有效輻射面積Sd的具體計算方法。
實際操作過程中，大部分工程師都是采用假設折環正中一半的振動質量參與有效振動以及正中的尺寸參與有效輻射。 對大口徑的低音喇叭來說，這種方法得到的揚聲器有效振動質量以及有效輻射面積，大部分情況下足夠近似。 但對某些特殊情況，或者微型揚聲器/高音/壓縮高音等小口徑/對這兩個參數非常敏感的產品則這種粗略的方法偏差較大。
本文希望探討這兩個揚聲器的TS關鍵參數的具體表達方式，以及如何預測計算和實際測量。
一、揚聲器有效振動質量Mms
折環/支片等可以類比彈簧的部件參與有效振動的質量為其本身質量的1/3。前提：該部件為均勻均厚且各項同性的材質。
具體推導過程可以參看南京大學《聲學基礎》第一章的內容。
二、揚聲器有效輻射面積Sd
精確測量/預測揚聲器有效輻射面積Sd是非常關鍵的，尤其對于微型揚聲器/高音/壓縮高音。
在這其中，Klippel公司做了一些工作。可以采用Klippel的Scanner模塊對Sd進行精確測量。另外還有一些近似預估的測量方法。 當然，知曉其原理后，也可以通過有限元進行仿真預測。
其原理就是將振膜整體運動移動的空氣體積△V，除以其△x，即得到振膜的等效Sd。不同頻率下的Sd是略有差異的。
當然實際運動過程不會這么簡單。大信號狀態下的有效輻射面積會發生變化；存在分割振動的模態時，有效輻射面積也會發生變化。 但對小信號狀態下的Sd預估是足夠精確的。
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展開 同相小球源聲輻射指向特性的實際應用
在南京大學《聲學基礎》6.3章節（N^N次推薦了，墻裂推薦仔細反復學習），同相小球源的輻射一節中。除了之前文章提到的地平面測試法外，還涉及到其聲輻射指向特性。
以下是兩個小球聲源距離與波長呈一定比例時，其指向性示意圖：
從上圖可以看到當兩個小球聲源距離大于聲波波長的1/2時，其指向性會比較差，會對對產品音質會造成影響。
其理論可以應用在實際的音箱產品設計上。同時這也是很多工程師容易忽略遺漏的事情。
試舉兩個常見的例子
1. SoundBar
做過soundbar開發的工程師應該有經驗。經常會出現正中的頻響曲線很平整，但偏軸的某個頻段會產生很深的谷。 這就是兩個或者多個單元偏軸干涉造成的。
解決方案：a.將低音單元盡可能緊貼在一起；b.調整分頻點，避開偏軸異常的頻段。
2.線陣列音箱
專業擴聲用的線陣列音箱也存在同樣的問題。以JBL VTX系列為例說明。三分頻。
a.四個中音單元放在號角部分的斜面，可以減小單元之間的距離，從而提高偏軸異常的頻段（大于中高音分頻點）。
b.兩個低音距離較遠，所以其偏軸異常頻段較低。因此和中音的分頻點也需要比較低，避開該頻段。上述這款低于300Hz。
其解決方案也和soundbar產品類似，要么縮小單元距離，要么調整分頻點。
可用Leap進行指向性的仿真
展開 等效輻射聲功率（ERP）優化阻尼工況探討一下嗎
有會的嗎
