声学仿真分析工具Acoustics 在Workbench中这样学
讲师 声学有限元仿真 主要用于模拟声压波在声介质中的生成、传播、辐射、吸收和反射。随着有限元软件的发展和人们对噪声问题的重视，声学有限元仿真在越来越多的行业得到广泛应用。
比如：汽车和轨道车辆中的降噪、机械设备中噪音的消除、建筑声学、声纳水下设备；助听器、扬声器、消声器的设计、物理勘探等等都在应用声学仿真进行工程指导，和设计验证优化。
本文就ANSYS声学分析的基本功能进行简单介绍，使大家能够对ANSYS声学的基本功能和特点有所了解。
一、声学有限元分析理论
ANSYS声学分析的理论基础是亥姆霍兹方程，亥姆霍兹方程假设了压力，密度波动非常小，并忽略了二次高阶项，因此也叫做线性波动方程。根据亥姆霍兹方程（线性波动方程）在声学（流体）领域建模：
在这基础上引入了空间非均质介质材料，质量源项，方程变为以下形式：
进一步整理可以得到矩阵形式如下：
这与结构分析的基本方程非常类似，因此可在频域上用特征值求解器求解。
二、ANSYS声学分析功能
ANSYS声学分析功能从R14.0版本开始开发，目前历经多个版本声学仿真功能已逐渐完善。
ANSYS声学分析功能主要分为三部分：
1、压力声学
ANSYS压力声学以亥姆霍茨方程和波动方程（平均流）为理论基础，用于分析声波的传播、振荡、散射、辐射。主要应用在消音器、扬声器、隔声、汽车降噪、声纳和水下声学。
2、热黏声学
ANSYS热黏声学以完全线性NS方程为理论基础，用于分析热黏声音损失。主要应用在迷你麦克风, 助听器设备等。
3、室内声学
ANSYS室内声学以声能扩散方程为理论基础，用于分析室内声场分布。主要应用在建筑声学、房间声学设计、音乐厅等。
在ANSYS中进行声学分析可以通过三种方式：经典ANSYS、Workbench和ACT插件。其中在ANSYS Workbench中直接进行声学分析是操作最简单方便的分析方式，其用户界面友好，前后处理器更稳健，同时也支持插入APDL命令流。ANSYS Workbench中的声学分析系统如下图所示。本文的声学分析功能仅基于ANSYS Workbench中的声学分析功能展开。
ANSYS Workbench的声学分析模块，支持仅计算纯声场或结构-声学耦合场。在分析系统的属性窗口中可以选择物理域，对于结构-声学耦合场分析，ANSYS能够自动探测出声学域，并进行FSI接触设置如下图所示。
1、声学模态分析
声学模态分析中提供了以下的声学边界条件，包括：压力、表面阻抗边界、波吸收边界、表面辐射边界、波吸收单元、自由液面。提供的声学载荷，包括：温度、阻抗层、静压力。
对于结构-声学耦合场分析，可以对分析系统右键插入Create Automatic>FSI，实现自动识别并创建FSI。
声学模态分析中导入后的模型可以通过Physical Region对象定义模型树中的体是属于声学域还是结构域。对于声学域，可以使用额外的高级设置，用于指定声学域的物理属性。
当分析模型中不存在结构域时（纯声场分析时），可采用Block Lanczos法, 子空间法以及完全阻尼法特征求解器进行求解。当模型中存在结构域，必须使用非对称法或完全阻尼法特征值求解器进行求解。
2、声学谐响应分析
声学谐响应分析支持的声学激励，包括：质量源、表面速度、入射波源、管道端口、漫射声场。能够支持的声学载荷包括：温度、阻抗层以及静压。支持的声学边界条件包括：压力，阻抗边界，吸收表面，辐射边界，吸收单元，自由液面，热-粘性BLI边界，刚性墙，对称面，端口以及远场辐射面、转移导纳矩阵。如下图所示。
声学谐响应分析后处理结果可以通过两种获取方式：一种是在求解域内，基于有限元模型，可以查看声压和声压级、倍频程带声压级、粒子速度、温度、能量密度、振动表面的法向速度等云图；另一种是在求解域外，基于等效源理论，采用远场结果显示。
远场结果可以得到球面上的压强，相位，SPL和dBA、辐射声功率和声功率级、声源指向性与目标强度(TS)、远场麦克风、结构声等效辐射功率(ERP)、ERP和声功率级等。另外还能得到一些衍生结果如传递损耗，吸收系数，回波损耗。
压力云图结果
声压级远场结果图
传递损耗结果曲线
3、 振动噪声耦合分析
纯声场的仿真模拟时常无法满足仿真需求，ANSYS支持完全耦合和单向耦合的振动噪声分析。单向结构声学耦合求解效率更高，但是声学在结构上的影响被忽略。
在单向结构声学耦合中，结构分析求解的结果被作为声学的激励源。可以通过Workbench项目原理图连接的方式或外部数据External Data来实现单向结构-声学耦合分析。这两种方式结构和声学网格都无需保证一致。如下图所示。
振动声学耦合分析中声学压力会作用在结构上，而声学压力所引起的结构振动，又可以作为一个激励，反作用于流场。如果需要考虑流体域与结构域的相互作用，那么必须考虑完全耦合的振动噪声分析。
三、声学分析案例
本案例为一个简化的扬声器纯声学模型，如下图所示，扬声器和板在计算中将被抑制，仅用于辅助创建流体域。此次分析目的是计算扬声器受激励后引起的计算域内外的声压级。下面介绍该声学分析案例的基本流程和一些关键设置。
1、创建几何流体域
基于扬声器和板的结构模型，在Space Claim中创建一个流体域和一个PML边界层域。如下图所示。PML边界层用于在无限大的空气流体域中截取一个有限空气域，假设输出波向这个域外传播没有任何反射。
2、设置声学域
设置里面的流体域为声学域，如下图所示。设置外层的PML边界层的物理属性为声学域，并设置其人工匹配层为PML。
声学域设置
3、施加声学激励
在扬声器面上施加声学激励，施加质量源激励大小为0.01kg/mm2，如下图所示。
4、单元要求及求解设置
对于声学域的网格划分推荐每个波长内至少6个高阶单元或12个低阶单元，而PML层的厚度至少为四分之一波长，并且在一个模型中不要混合使用高阶单元和低阶单元。
设置此次分析的求解频率范围为0到3000Hz。选择模型所有面，设置所有面单元大小为0.01m。在求解频率范围内，该单元大小满足声学求解要求。
5、计算及结果后处理
查看球半径为1m处的远场声压级，得到远场声压级图，如下图所示。
采用切面Section plane查看模型内部的压力分布及声压级分布，得到3000Hz时整个模型的声压分布云图和声压级分布云图如下图所示。
声压级分布云图（3000Hz）
四、总结
ANSYS Acoustic具有强大的声学有限元求解器，能够提供完备的声学单元库和复杂声学材料模型，支持单向振动-声学耦合分析，也可以对振动声学完成耦合模型提供耦合的声-结构交界面。并且能够兼容高性能计算，支持多物理域应用，可以进行多物理场耦合声学计算。
Workbench中的声学分析系统中已经内置一些声学激励、边界条件以及声学后处理工具，其用户界面友好，操作简单方便，同时支持APDL命令流插入，可以作为用户首选的声学仿真分析工具。
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