Ansys博客
February 7, 2022
气动声学仿真介绍
听到了吗？一架飞机飞过街区上空的声音。您笔记本电脑中的风扇声。数英亩的旋转风力发电机。我们周围的机器，在产生着噪声。多大的噪声才算过大？声音能传播多远？这些噪声到底是从哪里来的？
气动声学仿真是针对流动流体所产生的声音进行的研究，是工程师和设计人员识别噪声来源，了解其影响范围，并为降低或消除噪声的解决方案建模，以符合噪声法规并提高用户体验的途径。
气动声学仿真可帮助各行各业的工程师分析声音的产生，以提高舒适度和安全性。例如在制造业中，仿真有助于识别因设备与操作人员距离过近而造成的听力损失危险。在船用涡轮机领域，它可以找到减少水下噪声污染的方法，从而帮助保护海洋生物。
在本文中，我们的目光将聚焦于汽车，其成千上万的部件不断受到流动空气的影响。在这里，气动声学仿真不仅可快速识别声音来源，而且还可探索使其静音的方法。
气动声学使用案例：汽车振动噪声分析
乘客乘车时，可能会听到组成整体噪声的各种声音，而所有这些声音都会为噪声建模带来挑战。
图1：阿尔法罗密欧Giulietta，通过气动声学仿真找出噪声来源。
- 轮胎噪声：轮胎转动的噪声会带来外部流动的空气动力学噪声。
- 挑战：对变形轮胎和道路之间的相互作用进行建模
- 雨刮器噪声：雨刮器运动产生的噪声会带来外部流动的空气动力学噪声。
- 天窗噪声：当汽车开着天窗或侧窗下行驶时，座舱声腔和穿过开口的脉动涡之间产生共振，产生所谓的“抖动”噪声。
- 供暖、通风及空调系统的噪声：汽车供暖、通风及空调（HVAC）系统的噪声既会影响整体噪声感知等级，也会严重影响乘员座舱的舒适度。
- 挑战：完成包含旋转组件、精确的湍流流场分辨率以及噪声至驾驶员耳朵的传播的瞬态气动声学研究。
- 门隙噪声：门隙空腔中因流动产生的压力波动会产生空腔噪声。
- 后视镜和车窗噪声：噪声源于汽车表面及后视镜设计产生的湍流对车窗玻璃的冲击。
如何利用仿真降低汽车噪声？
气动声学仿真有助于预测不同噪声源对特定位置（如驾驶座）的整体声压级的综合影响。如果能够预测噪声，设计人员便能对车辆设计细节（例如，后视镜形状、某些门隙和通风口等）和材料进行修改，以符合法规并提高乘客舒适度。
Ansys Fluent不仅可解决复杂的气动声学问题，而且还可提供一系列广泛的建模选项及后处理功能，通过各种方法改进声学设计：
- 宽带噪声方法，将稳态解作为噪声源估算的基础。
- 声学类比方法，计算流体动力学（CFD）求解并通过波动方程解耦计算声音的传播。
- 直接方法（即直接计算的气动声学），将非定常流场和声场的计算完全耦合起来。
在Ansys 2022 R1版本中，我们引入了全新的声学工作流程，将Ansys Fluent CFD仿真与Ansys Sound相结合。这有助于工程师使用高级声学分析技术来分析CFD计算的声压信号，包括：
- 您可以收听仿真声音的声音文件。
- 对音量、音调度、锐度和语音清晰度的报告。
- 转换声压信号，按位置查看声学指标。
- 用于声音创建的多种频率功能模式。
如何在Ansys Fluent中执行声学仿真
在Ansys Fluent中设置求解时，可以定义接收器阵列并向其传播噪声源。全新声音分析模块可扩展Ansys Fluent声学分析功能，使工程师能够听到您在CFD仿真中计算的内容。
图2：Ansys Fluent中的声音分析。
在CFD仿真过程中，即使是在接收器位置生成的短暂声学特征，也可转换为高质量的长音频文件。此外，心理声学分析工具还有助于深入了解预测声音对人耳感知的影响。此外，Ansys Fluent中的声学分析还支持频率响应函数FRF，允许用户：
- 从计算出的独立组件噪声（例如HVAC）变换至对驾驶室内噪声的预测（一旦给出/评估时间-频率谱（TFR），便无需仿真驾驶室内声场）
- 将不同来源（如轮胎、雨刮器和供暖通风空调等）的噪声组合在一起。
单击便可将声音信号传输到Ansys Sound中并开启更高级的声学分析。
图3：Ansys Sound中的声音分析。
如欲了解更多详情，请聆听气动声学仿真网络研讨会或访问CFD仿真产品页面，了解如何将最新声学增强功能用于仿真。