Акустичен анализ в ANSYS Mechanical 15
Сергей Хрулев Инженер по техническа поддръжка, PLM Ural Group of Companies - Delcam-Ural
Акустично моделиране
С версия 15.0 ANSYS ви позволява да изследвате произхода, разпространението, излъчването, абсорбцията и отразяването на вълните на звуково налягане в акустична среда. Акустика в ANSYS Mechanical е пълна библиотека от акустични крайни елементи, голям набор от акустични свойства на материалите, съчетани структурно-акустични взаимодействия за решаване на виброакустични проблеми, решения с висока производителност, приложения за лиценза ANSYS Multiphysics. Преди това акустичният анализ беше достъпен само в Mechanical APDL („класически“ ANSYS), но с появата на модула ACT (Application Customization Toolkit), той вече е достъпен и в ANSYS Workbench.
Използвайки акустичните възможности на пакета, можете да решите много неотложни проблеми, като: премахване на шума в автомобилите; минимизиране на шума в производствените машини; акустика на сгради и конструкции; дизайн на слухови апарати; хидроакустични изследвания; разработване на сонари, високоговорители, акустични филтри, заглушители и други подобни устройства; геофизични проучвания; аероакустика. Всички тези проблеми се решават както в равнинна, така и в обемна настройка с помощта на модалните, хармоничните и преходните модули (времеви и честотни области), както и пълно или едностранно свързване на изчисления за решаване на виброакустични проблеми.
При модалния анализ се определят собствените честоти и формите на модата. Възможно е да се зададат импеданс1 и структурни взаимодействия като гранични условия. Използват се солвъри като Lanczos, Subspace, Damped и Unsymmetric Matrices (Block Lanczos, Subspace, Damped and Unsymmetric).
Предаване на данни в диаграмата на проекта
Хармоничният анализ изчислява реакцията на системата като функция на задвижващата честота въз основа на обемен дебит или задвижващо налягане. Реакцията на системата във времевата област се определя в нестационарен анализ (Transient).
Workbench също има средства за прехвърляне на електромагнитни сили от модула Maxwell към Mechanical. Това е полезно при проектиране на структури, при които механичните вибрации, генерирани от електромагнитни сили, са източници на значителен шум.
Виброакустика
Виброакустичните задачи предполагат оценка на въздействието върху структурата както на шума, така и на вибрациите. Версия 15.0 на ANSYS предлага пълно (полезно за решаване на хидроакустични проблеми) или едностранно сдвояване на два вида изчисления за виброакустичен анализ.
Еднопосочното свързване е по-ефективно за акустични изчисления на конструкция, стига акустичното въздействие върху нея да може да бъде пренебрегнато. Резултатите от структурния анализ в този случай се прилагат като акустично възбуждане. Структурен (собствено разлагане или пълен) и акустичен анализ са представени в два различни модула за хармоничен анализ. Скоростите на вибрациите на възлите на модела се прехвърлят към хармоничния акустичен анализ с помощта на връзка в диаграмата на проекта. В допълнение, данните могат да се прехвърлят външно с помощта на външни данни или ASI файлове, които, за разлика от предишните връзки, поддържат конформна мрежа 2.
При пълно конюгиране структурните и акустичните уравнения могат да бъдат решени с помощта на метода на асиметричната или симетричната матрица - последният е по-ефективен. Напълно свързаният виброакустичен анализ също включва взаимодействие спиезоелектрични елементи, което от своя страна позволява решаването на много тясно свързани проблеми до проектирането на сензори и високоговорители.
Натоварвания и гранични условия
При решаване на виброакустични задачи се задават съответните натоварвания и гранични условия. На първо място, това са източници на звуково налягане, които могат да бъдат зададени като плоска вълна (фронтът й има формата на равнина), монопол3, дипол4 и др.
Освен това можете да посочите скоростта на разпространение на вълната (включително като функция на честотата), източника на маса във вълновото уравнение (изстрелва вълни на налягане във всички посоки), импеданс и коефициент на поглъщане (и двете също като функции на честотата).
Разпръскване на 5 звука
Акустиката изучава разсейването като процес: звуковите вълни се разпръскват от твърди предмети или се разпространяват в нехомогенно пространство (например звукови вълни в морска вода, идващи от подводница).
Разпределение на общото акустично налягане в случай на плосък вълнов фронт
Общо налягане върху дифузна структура
Моделът на акустичен проблем обикновено е структура, потопена в безкрайна хомогенна идеална среда. В FEM, за да се намалят разходите за компютърни ресурси и инженерно време, е необходимо да се намали разглежданата област. Условията на поглъщане на вълната ни дават възможност да моделираме по-малка част от региона и да приемем, че изходящите вълни се разпространяват навън без отражение. Има три вида условия на поглъщане на вълните:
Перфектно съвпадащите слоеве Условия са слоеве с крайни елементи, поглъщащи вълна на налягане, предназначени да съкращават мрежата на отворената FE област вхармоничен анализ. Този метод не е приложим при модални и нестационарни анализи;
Радиационна граница (излъчваща граница) - ограничения на съотношението на налягането и скоростта на излъчване на вълни, коефициент на поглъщане;
Безкрайни флуидни елементи (полу-безкрайна среда) - дефиницията на абсорбиращи елементи от втори ред (например FLUID130 или FLUID129) на границата на симулираната част от течността.
Обработка на резултатите
Резултатите, получени при изчислението, могат да се отнасят не само за близкото поле (FE мрежа), но и за далечното поле. Обработката на резултатите в далечното поле ви позволява да изберете точка от разстояние, извън мрежата, за чертане.
След решаването на акустичния проблем може да е необходимо да се изчислят някои параметри на акустичното разпространение за системата. Например консумация на енергия (входяща мощност) и изходна мощност (изходна мощност), обратна загуба (възвратна загуба), коефициент на затихване и загуба на предаване.
Точка извън мрежата
Изпълнение на решение за хармоничен анализ
Има два метода за решаване на хармоничен анализ. Един от тях, пълният метод, дава решение на матричното уравнение за всяка честота. Вторият - VT (Variational Technology) - е алтернативен метод на решение, който се основава на алгоритъма за хармонично почистване на пълния метод и извършва матрично разлагане при честоти на дискретизация и извършва бързо честотно почистване. Методът VT не поддържа зависими от честотата материали/натоварвания, симетричен конюгиран алгоритъм, перфорирани материали (т.е. съдържащи кухини или отчитащи ги), едно- и двустранно конюгиране (виброакустика).
Четвъртен модел високоговорител
Повърхности на звуково налягане при честота 700 Hz
Примери за приложение
Някои от най-ясните примери за проекти, изискващи акустичен анализ, са потребителски стоки като високоговорители и ауспуси.
Пълният конюгиран акустичен анализ също играе важна роля при проектирането на четвърт вълнов резонатор. За да се намали нивото на звуково налягане, панелите му се сглобяват от тръби с различни диаметри и дължини. Поглъщането на звуково налягане при определени честоти от резонаторния панел също възниква поради вътрешно вискозно триене.
Триходов отразяващ шумозаглушител
Заключение
1 Акустичният импеданс е съотношението на комплексната амплитуда на звуковото налягане към обемната вибрационна скорост (последната се отнася до произведението на усреднения по площ нормален компонент на вибрационната скорост и площта, за която се определя акустичният импеданс).
2 Конформна мрежа с крайни елементи е тази, в която контактните повърхности имат общи възли.
3 Monopole - идеален радиатор, който създава сферично симетрична, дивергентна вълна;
4 Дипол - два монопола с еднакви по големина и противоположни по посока обемни скорости, разположени на малко разстояние спрямо дължината на вълната;
5 Разсейването е общ физичен процес, при който определени видове радиация, като светлина, звук или движещи се частици, са принудени да се отклонят от права траектория поради една или повече локализирани нехомогенности в средата.