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Simcenter 3D聲線法 — 大尺寸高頻純聲學問題仿真工具
2020-03-27 09:56:49· 來源：Simcenter 3D Online 作者：李海龍
1前言提到聲學仿真方法，大家首先想到的是聲學有限元、聲學邊界元技術，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前聲學有限元、聲學邊界元方法可以解決大部分聲學問題。但對于一些
1 前言
提到聲學仿真方法，大家首先想到的是聲學有限元、聲學邊界元技術，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前聲學有限元、聲學邊界元方法可以解決大部分聲學問題。但對于一些大尺寸、高頻的純聲學問題，例如新能源車行人警示音問題、飛機停機坪噪聲問題、建筑聲學問題等聲學現(xiàn)象，由于隨著計算頻率增加，聲學有限元、聲學邊界元仿真模型的自由度將急劇增加，導致其很難完成高頻的聲學仿真，即使使用很好的硬件資源。因此，為了提高大尺寸、高頻聲學仿真模型的計算效率，需要尋找一種替代方法來解決該類聲學問題。Simcenter 3D Acoustics提供了Ray Acoustics（聲線法）求解技術，該方法使得大尺寸、高頻純聲學問題的高效仿真成為可能。
2 Simcenter3D RayAcoustics基本原理
Simcenter3D RayAcoustics（聲線法）以幾何聲學為理論基礎，是高頻聲學問題的漸進求解器，主要基于以下假設：在高頻時，聲波將像光束一樣以直線傳播。該假設只有當聲波波長遠小于模型幾何尺寸時才是有效的。
幾何聲學示意圖
聲線法通過聲束追蹤技術來模擬聲傳播、聲波遇到壁面的反射吸收等聲學現(xiàn)象。相較于聲學有限元邊界方法，聲線法的分析頻率與聲學區(qū)域的網(wǎng)格離散程度是相互獨立的，其只需要使用少數(shù)網(wǎng)格來模擬仿真模型的幾何形狀，因此可以對大尺寸、高頻的聲學問題進行高效仿真。
3 Simcenter3D Ray Acoustics主要功能
- 模擬聲傳播問題：使用三棱錐束法來對聲源發(fā)射的聲線進行追蹤，從而計算聲場分布信息。
三棱錐束法示意圖
- 模擬響應點的聲壓幅值及相位信息：通過追蹤聲束通過麥克風時的數(shù)量以及強度，從而獲得每個頻率點的總聲壓幅值及相位信息。
- 擬空氣及壁面的吸聲：通過定義空氣的阻尼以及壁面的阻抗特性/吸聲系數(shù)，模擬其吸聲特性。
- 模擬聲波的曲面反射效應：基于表面單元法線對離散網(wǎng)格進行差值處理，真實地捕捉曲面特征，從而精確模擬聲波的曲面反射。
曲面反射示意圖
- 模擬聲波的衍射效應:當聲線遇到散射邊時將要產(chǎn)生一個二級聲源，從而形成一個包括一系列散射聲線的散射錐。同時散射錐與壁面相互作用，聲波將要沿壁面進行傳播，從而產(chǎn)生爬行波。利用三維散射與二維散射分析技術，可以對二次或多次散射、爬行波進行模擬。
二維及三維衍射示意圖
- 時域聲學分析：在進行頻域聲學分析的同時，可以得到時域的聲場結果，可以分析聲波的傳播過程。
- 雙耳麥克風回放及聲品質分析：基于雙耳脈沖函數(shù)的卷積積分進行聲音回放，實現(xiàn)聲學設計結果的主觀評價，并支持對聲音信號進行響度、語音清晰度、混響時間等聲品質分析。（該功能下個版本發(fā)布）
4 Simcenter3D RayAcoustics主要應用
Simcenter 3D 聲線法可廣泛應用于工業(yè)噪聲控制、環(huán)境聲學、建筑聲學等大尺寸聲學仿真領域。
- 駕駛室內場及音響系統(tǒng)聲學設計
Simcenter 3D 聲線法可以對軌道車輛、飛機、船舶等交通工具駕駛室聲場分布進行仿真，分析艙室形狀尺寸、行李架座椅空間布置、吸聲材料布置等設計方案對艙室聲場的影響。也可以用于研究揚聲器的數(shù)量、位置、功率等因素對音響聲品質的影響。
汽車倒車系統(tǒng)及高級駕駛輔助系統(tǒng)通常安裝有超聲波雷達，其可以發(fā)射40k Hz甚至更高頻率的超聲波，Simcenter 3D 聲線法可用于超聲波雷達的聲學設計，對超聲波雷達的主要發(fā)聲頻率、安裝位置、數(shù)量進行聲學設計。
Simcenter 3D 聲線法可以快速仿真汽車通過噪聲，分析各個聲源對外場通過噪聲的貢獻量，預測不同降噪方案的降噪效果。同時，聲線法還應用于新能源車行人警示音系統(tǒng)仿真，分析行人警示音的聲場分布特性及空間聲學指向性，對揚聲器進行聲學設計。
- 飛機停機坪噪聲仿真
飛機停機坪噪聲是民用飛機型號和適航合格審定規(guī)定的內容，是國際民用航空公約規(guī)定的噪聲適航關鍵科目。飛機停機坪噪聲仿真涉及飛機整機聲學模型尺寸大、分析頻率高等挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的聲學有限元、聲學邊界元方法完全不能完成該類問題的聲學仿真，Simcenter 3D 聲線法可以輕松完成飛機停機坪噪聲仿真，研究各個聲源對停機坪噪聲的貢獻量，進而設計對應的降噪策略。
- 工業(yè)廠房及建筑聲學設計
Simcenter 3D聲線法可以用于預測工業(yè)廠房的噪聲，分析機器設備在廠房內產(chǎn)生的噪聲以及輻射到相鄰房間或者廠房外面的噪聲，評估不同的噪聲控制方案，比如吸聲襯墊、機器設備布局、廠房設計等等。同時，聲線法也可以用于歌劇院、禮堂體育場館、地鐵站、機場候機樓等建筑聲學設計，分析混響時間、語音清晰度等聲學參數(shù)。
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