Ansys Mechanical中的声学分析

声学分析是一门重要的工程学科，用于预测结构和流体内的声音行为和相互作用。本博客涵盖声学分析的基本概念、Ansys Mechanical中的实现、假设、与基于CFD的声学相比的局限性、网格划分注意事项、耦合方法、模态和谐波声学分析的详细讨论、阻尼策略以及包括压电声学在内的实际行业应用。

声学分析基础知识

声学分析涉及研究声音传播，即压力波通过空气或水等弹性介质传播。这些波是由结构中的振动或流体中的扰动产生的。了解声学行为在许多工程应用中至关重要，从减少车辆和飞机中不需要的噪音到优化扬声器和麦克风的声学性能。Ansys Mechanical中的声学仿真侧重于振动-声学相互作用（结构-流体相互作用）和封闭腔体声学。分析通常假设线性声学（小振幅波）、无粘性流体行为和无热梯度的均匀流体特性。关键目标包括确定声压水平、波反射和传输、共振频率以及结构振动和声压之间的动态相互作用。

Ansys Mechanical中的声学

Ansys Mechanical使用有限元方法（FEM）执行声学分析。声域采用专门的声学流体元件：

• FLUID220：用于纯声学或耦合声学分析。

• 结构域使用标准元素，例如SOLID185、SOLID186 SOLID187。

机械在汽车、航空航天和建筑行业中常见的封闭腔声学和振动声学相互作用等应用中特别有效。

声学模态分析

声学模态分析可识别封闭声腔或流固系统内的固有频率和振型。这种类型的分析可帮助工程师查明系统可能表现出显着声学放大或结构共振的谐振频率。在模态分析中，结构和流体腔的动态行为被简化为一组离散振动模式，每种模式都有特定的频率和空间模式，称为模式形状。与纯粹的结构模态分析不同，声学模态分析将流体特性纳入方程中，将结构动力学与声流体行为耦合。分析这些耦合模式有助于工程师通过避免或减轻谐振条件来设计更安静、结构更坚固的产品。模态分析的结果是基础性的，可以清楚地了解结构和声腔在激发时如何自然响应。

对于纯声腔和完全耦合的流固系统，控制方程不同：

纯声学模态（非耦合）

耦合模态 （FSI）

这里 [Mf]， [Cf]、[Kf] 是流体质量、阻尼和刚度矩阵。 [米s]， [Cs]、[Ks]是结构对应物，R 是声流体边界矩阵，ρ₀ 是平均流体密度。Ansys Mechanical中的特征值求解器（块-Lanczos、子空间、非对称、全阻尼）处理这些矩阵以提取固有频率和振型。（块 Lanczos、子空间、非对称、完全阻尼）求解这些耦合方程以找到声频率和振型。

谐波声学分析

谐波声学分析研究结构和封闭声域如何响应不同频率的谐波（正弦）激励。这种类型的分析有助于确定结构和声学环境在每个频率下的反应，揭示哪些频率会导致显着的声学或结构响应。工程师使用谐波声学分析来预测特定频率下的稳态声压、粒子速度和阻抗，从而实现有效的降噪和声学优化。与模态分析不同，谐波分析涉及施加与频率相关的负载并观察系统的响应，使其成为评估振动结构的辐射声音或评估扬声器和麦克风性能的理想选择。了解频率响应使设计人员能够最大限度地减少不需要的噪声或定制声学性能以获得所需的音质。

对于稳态（谐波）激励，系统方程变为：

纯声谐波（未耦合）

耦合谐波 （FSI）

{fF} 表示声源，例如施加的压力或质量源，而 {fS} 包含结构荷载（力、受迫运动）。阻尼矩阵 [Cs] 和 [Cf]分别对结构侧和流体侧的能量损失进行建模，耦合矩阵R在FSI界面上传递相互作用力。

声学分析中的阻尼

阻尼是振动和声能逐渐转化为热量或其他形式的能量，导致振幅随时间或频率衰减的机制。在模态解的上下文中，阻尼决定了每个自然模式在被激发后消失的速度;轻阻尼模式在频率响应中产生高而尖锐的峰值，而重阻尼模式则显得宽阔而柔和。在谐波分析中，阻尼项控制施加的正弦载荷与系统响应之间的相位滞后，直接塑造幅度与频率的关系曲线，例如声压级 （SPL） 或结构加速度图。在实践中，大多数实际系统都混合了阻尼源——金属或聚合物中的内部材料摩擦、流体中的粘性剪切损耗、柔顺壁附近的热粘性损失以及垫圈、多孔衬里或粘弹性垫引入的额外耗散。准确捕获这些机制可确保仿真结果与测量数据相匹配，特别是在谐振方面，阻尼的几个百分比变化可能会将声压级预测改变两位数分贝。

Ansys Mechanical提供了几种简单的路径来表示阻尼：

• 通过材料损失系数或瑞利系数（α、β）进行结构阻尼，该系数随质量和刚度成比例，非常适合金属和塑料的宽带估计。

• 每个模式应用的模态阻尼比，当测试数据报告特定结构谐振的质量因子 （Q） 或半功率带宽时非常有用。

• 通过复杂的体积模量或通过为空腔壁分配与频率相关的阻抗/吸收系数引入声学（“空气”）阻尼;这捕获了超过几千赫兹的粘性层和热边界层损耗。

• 通过添加完美匹配层 （PML） 或辐射/阻抗边界来实现边界阻尼和能量吸收，消除反射，使传出波离开模型而不会产生杂散积聚。

在设置耦合 FSI 模型时，请记住，结构阻尼矩阵和流体阻尼矩阵都馈入组合运动方程 - 删除任何一项都可能高估驾驶室动臂或低估预测面板振动。根据经验，从保守值开始（例如，金属的临界阻尼为 1-2%，复合板的临界阻尼为 5-10%），并在与原型测量进行比较后进行迭代。

网格划分注意事项

精确的声学仿真依赖于解析压力波长的网格：

• 元素类型 – 对声域使用 FLUID220，对结构使用 SOLID185/186/187（或壳）。

• 每个波长的元素 – 每个最短波长（最高频率）至少有 6 个二次或 12 个线性元素，确保相位精度。

• PML 和辐射空间 – 对于外部噪声，在辐射表面和 PML 层的起点之间添加至少三个二次单元;PML 厚度应≥ 0.1 ×最长。

• 耦合接口 – 确保节点共享（多体部分）或共形接触，以忠实地跨 FSI 边界传递压力和速度。

机械中的耦合场块

在 Mechanical 引入高级耦合场分析系统之前，分析人员必须打开《元素参考》手册，滚动浏览数十种元素类型（FLUID30、SOLID65、SOLID226 等），然后选择一个可用自由度 （DOF） 与要求解的物理场相匹配的元素。对于振动声学仿真，您可以为腔体（PRES DOF）选择FLUID30，为结构（UX、UY、UZ）选择SOLID187，然后手动合并界面处的共享节点，以便一侧的PRES与另一侧的位移耦合——这个过程既耗时又容易出错。出错通常意味着求解器错误导致缺少自由度或产生无意义结果的无声不匹配。

Workbench 中的现代耦合字段块可自动执行所有这些簿记。当您将模态声学、谐波声学或瞬态 FSI 系统拖放到原理图上时，机械会自动：

• 在引擎盖下创建正确的元件技术（结构固体、声流体、耦合矩阵）。

• 公开物理感知对象（声学区域、结构区域、FSI 接口），以便您可以确定主体范围，而不是考虑自由度。

• 处理网格一致性或基于惩罚的耦合，具体取决于实体是否共享拓扑。

与独立的结构谐波或独立的声谐波系统相比，这极大地简化了多物理场设置，在这些系统中，只有一个物理场，并且任何跨域传输都必须通过外部数据链接或手动映射来执行。耦合模块还管理求解器选择（对称与非对称）和结果存储，这意味着您可以在单个后处理树中获得共可视化输出（压力、位移和派生声压级）。

给传统用户的提示：您仍然可以通过命令片段强制执行特定元素的表述（例如，FLUID220 与 FLUID221），但在 95% 的情况下，自动选择是最佳的。

流固耦合：强耦合与弱耦合

• 弱耦合（单向）——首先求解结构响应，将表面速度/压力映射到单独的声学模型。更快，适用于结构上的声反馈可以忽略不计的情况（例如，扬声器锥体驱动空气）。

• 强耦合（双向） – 同时求解结构和声学自由度。当流体质量或压力显着改变结构动力学时，例如水中的薄面板或膜致动器，这是必需的。当声学和结构区域共享接口时，机械的耦合矩阵（请参阅上面的公式）会自动捕获这些效果。

行业应用

后处理技巧

• 压力和声压级轮廓 – 识别热点和节点表面。

• 速度矢量 – 可视化粒子运动方向，可用于诊断驻波。

• 等效辐射功率 （ERP） – 估计潜在声功率的结构指标;非常适合快速设计排名。

• 传输损耗和插入损耗 – 消声器和屏障的关键;在单个图表中比较设计迭代。

• 麦克风探头 – 放置虚拟麦克风以提取听众位置的频谱。

结论

Ansys Mechanical为工程师提供了全面的工具，用于对结构和声学现象进行建模、耦合和解释。通过掌握模态和谐波分析、适当的阻尼、网格分辨率和耦合策略，您可以及早预测噪声和振动问题，高效迭代设计，并在汽车、航空航天、消费电子和超声波领域提供更安静、性能更好的产品。