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Simcenter 3D虛擬壁板隔聲讓你的艙室更安靜

2019-04-25 21:25:26·  來源：Simcenter 3D Online  作者：西門劍客之SC3Der  
　
背景隨著汽車、航空、船舶、鐵路機車等工業(yè)的高速發(fā)展以及人們生活水平的逐步提高，人們對于汽車、飛機、火車等交通出行工具的也要求越來越高，保證乘客的舒適性
  1. 背景
隨著汽車、航空、船舶、鐵路機車等工業(yè)的高速發(fā)展以及人們生活水平的逐步提高，人們對于汽車、飛機、火車等交通出行工具的也要求越來越高，保證乘客的舒適性，尤其是聲學舒適性，越來越成為各個設(shè)計、生產(chǎn)廠商廣泛關(guān)注的問題。
 
通常噪聲會通過結(jié)構(gòu)聲與空氣聲的形式傳遞，其中空氣聲是指在空氣中傳播的聲音，對于空氣聲的降噪措施，壁板隔聲是噪聲控制中最常用的技術(shù)之一。壁板隔聲定義為聲波在空氣中傳播時，使聲能在傳播途徑中受到阻擋而不能直接通過的措施。
壁板隔聲行業(yè)應(yīng)用
壁板隔聲性能通常由壁板聲功率的傳聲損失（Sound TransmissionLoss）來表示，即表示入射到壁板隔聲結(jié)構(gòu)上的聲功率與透射過壁板隔聲結(jié)構(gòu)的聲功率的差值，通常用dB來表示。
鑒于壁板的隔聲機理，其隔聲量在不同頻段由壁板的不同參數(shù)所控制，因此壁板的傳聲損失曲線通常包含中低頻的剛度控制區(qū)、阻尼控制區(qū)，中頻的質(zhì)量控制區(qū)，以及高頻的剛度控制區(qū)等幾個區(qū)域。
壁板隔聲機理
當某一頻率下斜入射聲波的波長在壁板上的投影與壁板中彎曲波的波長相等時，將會發(fā)生吻合效應(yīng)，導致壁板的隔聲量降低，從而產(chǎn)生隔聲低谷，此時的頻率成為吻合頻率，其中吻合效應(yīng)取決于聲波的入射角度與壁板厚度，由于聲波入射角不同可有多個吻合頻率。
吻合效應(yīng)原理
由于壁板的吻合效應(yīng)與共振都將導致壁板的隔聲量降低，但兩者卻有本質(zhì)區(qū)別。
1)吻合頻率出現(xiàn)在中高頻，共振頻率主要出現(xiàn)在低頻
2)吻合效應(yīng)與壁板邊界的約束無關(guān)，而共振頻率與壁板的約束相關(guān)
3)吻合頻率隨壁板厚度增加而降低，而共振頻率隨壁板厚度增加而升高
對于壁板的傳聲損失評價，可以通過聲學試驗室中專業(yè)的混響-消聲室隔聲試驗室進行測試。
混響-消聲室隔聲試驗示意圖
但由于試驗測試的時間、人力、物力成本較高，特別對于沒有試驗測試條件單位，可以采用仿真軟件進行壁板隔聲仿真，在仿真軟件中進行虛擬的壁板隔聲測試，從而實現(xiàn)在設(shè)計階段快速預測壁板的隔聲性能。
Simcenter 3D作為西門子新一代CAE仿真平臺，完全集成了LMS Virtual. Lab的聲學求解器，具備完整的壁板隔聲仿真能力，提供了從CAD幾何建模簡化、網(wǎng)格劃分、邊界條件加載、壁板隔聲仿真分析、仿真結(jié)果評價到壁板設(shè)計優(yōu)化等整個端到端的仿真流程，從而極大提高了壁板隔聲仿真效率。
Simcenter 3D端到端的壁板隔聲仿真流程
2. 小樣件聲學材料隔聲仿真
對于小樣件的聲學材料隔聲性能測試，通常在聲學阻抗管中進行，采用聲波分解法，即可快速得到聲學材料的傳聲損失。
阻抗管實物圖
阻抗管聲學材料隔聲量測試示意圖
Simcenter 3D 聲學有限元模塊中具備管路聲模態(tài)（Duct Mode）建模技術(shù)，可以模擬阻抗管中理想的平面波聲源；完全消聲末端（Anechoic End Duct）技術(shù)可以模擬無反射邊界條件，利用聲學求解器即可實現(xiàn)聲學材料隔聲量仿真。對于聲學材料建模，Simcenter 3D Acoustics提供了Craggs、Delany-Miki、Johnson-Champoux-Allard等完備的聲學多孔材料模型，從而模擬聲學材料的流阻率、孔隙率、曲折度、粘特性長度、熱特性長度等微觀聲學參數(shù)。
阻抗管隔聲量聲學仿真模型
3. 大樣件中低頻壁板隔聲仿真
對于大樣件的壁板隔聲測試，通常在混響-消聲室的隔聲試驗中進行。對于大樣件的壁板隔聲仿真，Simcenter 3D 聲學有限元模塊的混響聲源建模技術(shù)，采用基于多個無固定相位關(guān)系的平面波聲源，實現(xiàn)在仿真軟件中構(gòu)造完美的混響聲源，從而模擬隔聲試驗中的混響室環(huán)境。Simcenter 3D 聲學有限元模塊的完美匹配層AML（Automatically Matched Layer）技術(shù)可以模擬完全吸聲邊界條件，從而模擬隔聲試驗中的消聲室環(huán)境，利用Simcenter 3D聲學有限元模塊的聲振耦合求解器，從而實現(xiàn)壁板隔聲的仿真，進而預測壁板的傳聲損失。
Simcenter 3D FEM Acoustics壁板隔聲仿真
由于混響聲源的效果與平面波的數(shù)量息息相關(guān)，混響聲源中平面波數(shù)量越多，混響聲源的效果越好，但同時導致壁板隔聲仿真的計算量急劇增加。Simcenter3D 聲學有限元模塊提供了隨機采樣技術(shù)，從而實現(xiàn)保證混響聲源效果的同時提高仿真計算效率。
壁板隔聲仿真過程實際是一個聲振耦合過程，由于Simcenter 3D將LMS Virtual. Lab的SYSNOISE聲學有限元求解器完全集成到了Simcenter Nastran中，從而實現(xiàn)采用同一個模型、同一個前處理、同一個求解器進行聲振耦合仿真，可以更好的支持強耦合/弱耦合的聲振耦合仿真，從而實現(xiàn)壁板隔聲仿真。
Simcenter 3D聲振耦合求解器
同時Simcenter 3D Acoustics支持單層板、雙層板、帶有吸聲夾層的多層板的壁板隔聲仿真，以及金屬、復材、PVB等材質(zhì)的壁板隔聲仿真。
飛機復雜內(nèi)飾壁板隔聲聲學建模
另外，對于巡航狀態(tài)下的飛機而言，其機身壁板要承受艙內(nèi)外壓力載荷、艙內(nèi)外溫度梯度載荷的影響，而壓力與溫度載荷也將影響飛機機身壁板的隔聲性能。Simcenter 3D作為西門子新一代多學科多物理場仿真平臺，可以分析壓力載荷、溫度梯度載荷對飛機機身壁板隔聲性能的影響，從而模擬更真實的機身壁板狀態(tài)。
考慮壓力載荷、溫度梯度載荷的壁板隔聲仿真
4. 大樣件中高頻壁板隔聲仿真
由于聲學建模嚴格按照每個波長至少劃分六個單元的標準進行，分析的頻率越高，聲學網(wǎng)格的尺寸越小，聲學網(wǎng)格數(shù)量越多，因此聲學有限元方法的仿真分析頻率范圍直接影響其仿真計算規(guī)模，因Simcenter 3D 聲學有限元方法特別適用于大壁板中低頻段的壁板隔聲仿真，對于大壁板中高頻的壁板隔聲仿真，可以采用Simcenter 3D SEA+的統(tǒng)計能量方法進行仿真分析。
Simcenter 3D SEA+壁板隔聲仿真
5. 應(yīng)用案例
1)基于Simcenter 3D聲學有限元的汽車前擋風玻璃、防火墻的壁板隔聲仿真。
由于汽車的擋風玻璃、防火墻可以有效隔離汽車外部的噪聲、發(fā)動機艙的噪聲向駕駛室傳播，因此擋風玻璃、防火墻的隔聲水平將直接影響汽車行駛過程中的駕駛室噪聲水平，采用Simcenter 3D 聲學有限元方法對某汽車的前擋風玻璃、防火墻進行隔聲仿真，以設(shè)計滿足需求的前擋風玻璃、防火墻設(shè)計方案。
某汽車前擋風玻璃、防火墻的壁板隔聲仿真
防火墻壁板傳聲損失仿真結(jié)果
2)空客基于Simcenter 3D SEA+的飛機機身高頻隔聲仿真
空客采用Simcenter3D SEA+對某飛機機身壁板進行隔聲仿真，并進行了隔聲試驗測試，壁板隔聲仿真測試結(jié)果吻合較好。
空客機身壁板隔聲試驗
空客機身壁板隔聲仿真
 
6. 小結(jié)
Simcenter 3D Acoustics提供了基于聲學有限元的阻抗管與混響-消聲室的兩種壁板隔聲仿真方法，先進的聲振耦合求解器以及混響聲源建模技術(shù)，可以保證壁板隔聲的仿真精度及計算效率，從而設(shè)計滿足隔聲要求的壁板結(jié)構(gòu)。另外，Simcenter 3D Acoustics同時提供了基于統(tǒng)計能量的壁板隔聲仿真方法，結(jié)合聲學有限元可以實現(xiàn)全頻段的壁板隔聲仿真。
Simcenter 3D Acoustics的壁板隔聲仿真技術(shù)，可以應(yīng)用于飛機機身、列車車身車門、汽車車身車門防火墻、工程機械隔聲罩等等不同類型壁板隔聲仿真，從而助力設(shè)計隔聲性能更優(yōu)的壁板結(jié)構(gòu)。
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