공력음향 시뮬레이션 소개 

들리시나요? 주변 하늘을 나는 비행기. 노트북에 달린 팬. 방대한 면적에서 회전하는 풍력 터빈. 일상생활 속의 모든 곳에서 수많은 기계가 소음을 만들어 냅니다. 얼마나 큰 소음이 듣기 어려울까요? 소리는 얼마나 멀리 전달될까요? 이 모든 소음은 정확히 어디에서 발생할까요?

유체로부터 생성된 소리에 대한 연구인 공력음향 시뮬레이션은 엔지니어와 설계자가 소음의 원인을 식별하고 영향을 주는 범위를 이해하며, 음향에 관한 규정을 준수하고 사용자 환경을 개선하기 위해 소음을 줄이거나 제거하는 솔루션을 모델링하는 방법입니다.

여러 산업 분야에서 공력음향 시뮬레이션은 엔지니어가 발생되는 소리를 분석하여 음향적 편안함과 안전성을 높이는 데 도움을 줍니다. 예를 들어 제조 과정에서 시뮬레이션을 사용하여 작업자와 근접한 거리에 놓인 장비로 인해 발생하는 청력 손실 위험을 식별할 수 있습니다. 해양 터빈에서는 수중 소음 공해를 줄이는 방법을 파악하여 해양 생물을 보호할 수 있습니다.

이 문서에서는 특히 수천 개의 부품이 공기 유량에 의해 지속적으로 영향을 받는 자동차에 대해 살펴보겠습니다. 여기서 공력음향 시뮬레이션은 음원을 빠르게 식별하고 소음을 차단하는 방법을 탐색할 수 있습니다.

공력음향 사용 사례: 자동차 NVH 분석

탑승자는 자동차를 타고 있을 때 전반적인 소음을 유발하는 다양한 소리를 인지할 수 있습니다. 이러한 소리는 모두 모델링으로 해결해야 할 고유한 과제입니다.

그림 1: Alfa Romeo Giulietta 공력음향 시뮬레이션의 소음원.

• 타이어 소음: 타이어 회전 시 발생하는 소음은 외부 유동 공기역학적 소음에 영향을 줍니다.
  • 과제: 변형된 타이어와 도로 간의 상호 작용을 모델링합니다.
• 와이퍼 소음: 와이퍼 작동 시 발생하는 소음은 외부 유동 공기역학적 소음에 영향을 미칩니다.
  • 과제: 공력-진동 음향 효과, 복합 물리학 및 난류 모델을 모델링합니다.
• 선루프 소음: 차량이 선루프 또는 사이드 윈도우가 열린 상태에서 주행할 때 실내 음향과 개구부를 가로질러 진동하는 와류 사이에서 공명 현상이 나타나 이른바 "버페팅" 소음이 발생할 수 있습니다.
  • 과제: 개구부에 도달하고 교차하는 유동의 난류 구조를 정확하게 예측합니다. 이는 속도 조건 및 지오메트리 세부 정보에 대한 의존도가 매우 높습니다.
• HVAC 시스템 소음: 차량의 난방, 환기 및 냉방(HVAC) 시스템에서 발생하는 소음은 전반적으로 인지되는 소음 수준에 반영되며 탑승자가 느끼는 실내 쾌적성에 큰 영향을 미칩니다.
  • 과제: 회전 부품, 정확한 난류 유동장 해상도 및 운전자 청각까지의 잡음 전파를 포함하는 과도현상 연구를 완료합니다.
• 도어 간극 소음: 틈이 생긴 도어 캐비티에서 유동으로 유발된 압력 변동으로 인해 캐비티 노이즈가 발생합니다.
  • 과제: 서로 다른 속도 조건 및 도어 간극의 다양한 모양.
• 사이드 미러 및 윈도우 소음: 차량 표면 및 사이드 미러 디자인으로 인해 형성되는 난류 유동이 창유리에 충돌하여 소음이 발생합니다.
  • 과제: 난류 모델의 정확성과 차량 표면의 압력 변동의 불안정성.

시뮬레이션으로 자동차 소음을 어떻게 줄일 수 있습니까?

공력음향 시뮬레이션은 운전석과 같은 특정 위치의 전체 음향 수준에서 소음원이 미치는 복합적인 영향을 예측하는 데 도움이 됩니다. 소음을 예측할 수 있기 때문에 설계자는 차량 세부 사항(예: 사이드 미러 모양, 일부 도어 갭, 환기구 등) 및 자재를 수정하여 규정을 준수하고 탑승자의 음향적 편안함을 향상할 수 있습니다.

Ansys Fluent는 복잡한 공력음향 문제를 해결하고 광범위한 모델링 옵션과 후처리 기능을 제공하여 다양한 방법을 사용해 음향 설계를 개선할 수 있습니다.

• 광대역 ‍소음 방법: 잡음원을 추정하는 기준으로 안정적인 솔루션 사용.
• 음향 유추 방법: 전산유체역학(CFD) 솔루션이 파동 방정식 해법을 통해 음향 전파와 분리되는 방식.
• 다이렉트 방법: 불안정한 유동 및 음향장을 완전히 결합하여 계산하는 방식(예: 직접 전산 공력음향학).

최신 Ansys 소프트웨어 릴리스인 2022 R1에서는 Ansys Fluent CFD 시뮬레이션을 Ansys Sound에 결합하는 새로운 음향 워크플로를 도입했습니다. 이를 통해 엔지니어는 고급 음향 분석 기법을 사용하여 다음과 같은 CFD로 계산된 음향 압력 신호를 분석할 수 있습니다.

• 시뮬레이션 소리를 들을 수 있는 사운드 파일.
• 볼륨, 조성, 선명도 및 명료도에 대한 보고서.
• 위치별 음향 지표를 볼 수 있도록 압력 신호 변환.
• 사운드 구성을 위한 다중 주파수 기능.

Ansys Fluent에서 음향 시뮬레이션을 수행하는 방법

Ansys Fluent에서 솔루션을 설정하는 동안 수신기 배열을 정의하고 소음원을 수신기에 전파할 수 있습니다. 새로운 사운드 분석 모듈은 Ansys Fluent 음향 기능을 확장하여 엔지니어가 CFD 시뮬레이션에서 계산한 내용을 들을 수 있도록 지원합니다.

그림 2: Ansys Fluent의 사운드 분석.

CFD 시뮬레이션 중에 수신기 위치에서 생성된 짧은 음향 신호까지도 길이가 긴 고품질의 가청 파일로 변환할 수 있습니다. 또한 심리음향 분석 도구는 예측된 소리가 인간의 청각 인식에 미치는 영향에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. Ansys Fluent의 음향 분석은 주파수 응답 기능도 지원하므로 사용자가 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.

• 계산된 분리 구성 요소 소음(예: HVAC)에서 실내 소음 예측으로 전환합니다(시간-주파수 표현(TFR)을 제공/평가한 후 실내 자체를 시뮬레이션할 필요 없음).
• 타이어, 와이퍼, HVAC 등 다양한 소스에서 전체 사운드를 구성합니다.

클릭 한 번으로 음향 신호를 전송하고 Ansys Sound에서 보다 정교한 음향 분석을 실행할 수 있습니다.

그림 3: Ansys Sound의 사운드 분석.

자세한 내용은 공력음향 시뮬레이션 웨비나를 참조하거나 CFD 시뮬레이션 제품 페이지를 방문하여 최신 음향 개선 기능을 시뮬레이션에 어떻게 사용할 수 있는지 확인하십시오.