ANSYS 部落格
February 7, 2022
空氣聲學模擬簡介
聽到了嗎？飛越鄰近區域的飛機。筆記型電腦的風扇。占地數英畝的風力發電機。我們周遭的機器都在發出噪音。多大的噪音才算是太大？聲音的傳播距離有多遠？這些噪音究竟來自何處？
聲學模擬，是對流動流體產生的聲音的研究，工程師與設計師可以藉由此種模擬識別噪音來源、瞭解其影響範圍，以及針對降低或消除噪音以符合聲音法規並改善使用者體驗的解決方案建模。
在各行各業中，空氣聲學模擬能協助工程師分析聲音如何產生，以提升舒適性與安全性。舉例來說，在製造業中，模擬可協助識別因設備與操作員距離過近所造成的聽力損失危害。在海上風力渦輪發電機方面，它能識別降低水中噪音汙染的方法，有助於保護海洋生物。
在本文中，我們將特別探討汽車，其中有成千上萬的零件會不斷受到氣流的影響。在這裡，空氣聲學模擬能快速識別聲音來源，並探索將其消除的方法。
空氣聲學使用案例：汽車 NVH 分析
當乘客乘坐汽車時，他們能感知各種構成整體噪音的聲音，而這些聲音都各自為模擬模型帶來了挑戰。
圖 1：Alfa Romeo Giulietta 空氣聲學模擬中的噪音來源。
- 輪胎噪音：輪胎轉動發出的噪音會增強外部流動空氣動力噪音。
- 挑戰：為變形輪胎與路面之間的交互作用建模。
- 雨刷噪音：雨刷移動產生的噪音會增強外部流動空氣動力噪音。
- 天窗噪音：當車輛在天窗或側窗開啟的情況下行駛時，駕駛室音響和穿過開口的脈動渦流之間可能會發生共振，因此產生所謂的「拍打」噪音。
- HVAC 系統噪音：汽車的暖氣、通風和空調 (HVAC)系統所產生的噪音，會增強整體感知的噪音音量，並對乘客車艙的舒適度造成重大影響。
- 挑戰：完成關於旋轉組件、精確紊流流場解析，以及傳播至駕駛員耳朵之噪音的暫態研究。
- 車門間隙噪音：車門間隙空腔內由流動所引起的壓力波動，會產生空腔噪音。
- 側視鏡和車窗噪音：噪音是由汽車表面和側視鏡設計產生的紊流，撞擊車窗玻璃而產生。
模擬如何降低汽車噪音？
空氣聲學模擬可協助預測噪音來源對特定位置之整體音量的合併影響，例如駕駛座。設計師可藉由預測噪音，修改車輛細節 (例如側視鏡形狀、某些車門間隙、通風口等) 和材料，以符合法規並改善乘客的舒適度。
Ansys Fluent 能夠解決複雜的氣動聲學問題，並提供廣泛的建模選項和後製處理功能，以使用多種方法改善聲學設計：
- 寬頻雜訊方法，使用穩定解作為雜訊來源評估的基礎。
- 聲學類比方法，透過波動方程式解來將計算流體動力學 (CFD) 解與聲音傳播分離。
- 直接方法 (即直接計算氣動聲學)，將非穩態流和聲場的計算完全結合。
在最新的 Ansys 軟體版本 2022 R1 中，我們已推出新的聲學工作流程，將 Ansys Fluent CFD 模擬結合至 Ansys Sound。這可讓工程師使用先進的聲學分析技術，來分析 CFD 計算的聲壓訊號，包括：
- 讓您聆聽模擬聲音的聲音檔案。
- 關於音量、音調、清晰度和發音的報告。
- 轉譯壓力訊號，以查看各位置的聲音指標。
- 用於聲音組成的多個頻率函數。
如何在 Ansys Fluent 中進行聲學模擬
在 Ansys Fluent 的解決方案設定期間，您可以定義各種接收器，並將雜訊來源傳播到這些接收器。新的 Sound Analysis 模組可延伸 Ansys Fluent 聲學功能，讓工程師可以聽見您在 CFD 模擬中的運算項目。
圖 2：Ansys Fluent 中的 Sound Analysis。
即便是在 CFD 模擬過程中，於接收器位置產生的簡短聲學特徵，也可轉換為高品質的可長聽檔案。除此之外，心理聲學分析工具，可讓您深入瞭解關於預測聲音對人類耳朵感知的影響。Ansys Fluent 中的聲學分析也支援 Frequency Response Function，讓使用者能夠：
- 從計算隔離分量噪音 (例如 HVAC)，切換至預測駕駛室內噪音的位置 (在指定/評估時頻表示 (TFR) 後，無需模擬整個駕駛室)
- 組成來自不同來源 (例如輪胎、雨刷、HVAC 等) 的整體聲音。
只要按一下滑鼠，就能傳輸聲學訊號，並在 Ansys Sound 中啟動更複雜的聲學分析。
圖 3：Ansys Sound 中的 Sound Analysis。
若要深入瞭解，請收聽氣動聲學模擬網路研討會，或造訪 CFD 模擬產品頁面，以瞭解如何使用最新的聲學增強功能來進行模擬。