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Simcenter 3D虚拟壁板隔声让你的舱室更安静

2019-04-25 21:25:26·  来源：Simcenter 3D Online  作者：西门剑客之SC3Der  
　
背景随着汽车、航空、船舶、铁路机车等工业的高速发展以及人们生活水平的逐步提高，人们对于汽车、飞机、火车等交通出行工具的也要求越来越高，保证乘客的舒适性
  1. 背景
随着汽车、航空、船舶、铁路机车等工业的高速发展以及人们生活水平的逐步提高，人们对于汽车、飞机、火车等交通出行工具的也要求越来越高，保证乘客的舒适性，尤其是声学舒适性，越来越成为各个设计、生产厂商广泛关注的问题。
 
通常噪声会通过结构声与空气声的形式传递，其中空气声是指在空气中传播的声音，对于空气声的降噪措施，壁板隔声是噪声控制中最常用的技术之一。壁板隔声定义为声波在空气中传播时，使声能在传播途径中受到阻挡而不能直接通过的措施。
壁板隔声行业应用
壁板隔声性能通常由壁板声功率的传声损失（Sound TransmissionLoss）来表示，即表示入射到壁板隔声结构上的声功率与透射过壁板隔声结构的声功率的差值，通常用dB来表示。
鉴于壁板的隔声机理，其隔声量在不同频段由壁板的不同参数所控制，因此壁板的传声损失曲线通常包含中低频的刚度控制区、阻尼控制区，中频的质量控制区，以及高频的刚度控制区等几个区域。
壁板隔声机理
当某一频率下斜入射声波的波长在壁板上的投影与壁板中弯曲波的波长相等时，将会发生吻合效应，导致壁板的隔声量降低，从而产生隔声低谷，此时的频率成为吻合频率，其中吻合效应取决于声波的入射角度与壁板厚度，由于声波入射角不同可有多个吻合频率。
吻合效应原理
由于壁板的吻合效应与共振都将导致壁板的隔声量降低，但两者却有本质区别。
1)吻合频率出现在中高频，共振频率主要出现在低频
2)吻合效应与壁板边界的约束无关，而共振频率与壁板的约束相关
3)吻合频率随壁板厚度增加而降低，而共振频率随壁板厚度增加而升高
对于壁板的传声损失评价，可以通过声学试验室中专业的混响-消声室隔声试验室进行测试。
混响-消声室隔声试验示意图
但由于试验测试的时间、人力、物力成本较高，特别对于没有试验测试条件单位，可以采用仿真软件进行壁板隔声仿真，在仿真软件中进行虚拟的壁板隔声测试，从而实现在设计阶段快速预测壁板的隔声性能。
Simcenter 3D作为西门子新一代CAE仿真平台，完全集成了LMS Virtual. Lab的声学求解器，具备完整的壁板隔声仿真能力，提供了从CAD几何建模简化、网格划分、边界条件加载、壁板隔声仿真分析、仿真结果评价到壁板设计优化等整个端到端的仿真流程，从而极大提高了壁板隔声仿真效率。
Simcenter 3D端到端的壁板隔声仿真流程
2. 小样件声学材料隔声仿真
对于小样件的声学材料隔声性能测试，通常在声学阻抗管中进行，采用声波分解法，即可快速得到声学材料的传声损失。
阻抗管实物图
阻抗管声学材料隔声量测试示意图
Simcenter 3D 声学有限元模块中具备管路声模态（Duct Mode）建模技术，可以模拟阻抗管中理想的平面波声源；完全消声末端（Anechoic End Duct）技术可以模拟无反射边界条件，利用声学求解器即可实现声学材料隔声量仿真。对于声学材料建模，Simcenter 3D Acoustics提供了Craggs、Delany-Miki、Johnson-Champoux-Allard等完备的声学多孔材料模型，从而模拟声学材料的流阻率、孔隙率、曲折度、粘特性长度、热特性长度等微观声学参数。
阻抗管隔声量声学仿真模型
3. 大样件中低频壁板隔声仿真
对于大样件的壁板隔声测试，通常在混响-消声室的隔声试验中进行。对于大样件的壁板隔声仿真，Simcenter 3D 声学有限元模块的混响声源建模技术，采用基于多个无固定相位关系的平面波声源，实现在仿真软件中构造完美的混响声源，从而模拟隔声试验中的混响室环境。Simcenter 3D 声学有限元模块的完美匹配层AML（Automatically Matched Layer）技术可以模拟完全吸声边界条件，从而模拟隔声试验中的消声室环境，利用Simcenter 3D声学有限元模块的声振耦合求解器，从而实现壁板隔声的仿真，进而预测壁板的传声损失。
Simcenter 3D FEM Acoustics壁板隔声仿真
由于混响声源的效果与平面波的数量息息相关，混响声源中平面波数量越多，混响声源的效果越好，但同时导致壁板隔声仿真的计算量急剧增加。Simcenter3D 声学有限元模块提供了随机采样技术，从而实现保证混响声源效果的同时提高仿真计算效率。
壁板隔声仿真过程实际是一个声振耦合过程，由于Simcenter 3D将LMS Virtual. Lab的SYSNOISE声学有限元求解器完全集成到了Simcenter Nastran中，从而实现采用同一个模型、同一个前处理、同一个求解器进行声振耦合仿真，可以更好的支持强耦合/弱耦合的声振耦合仿真，从而实现壁板隔声仿真。
Simcenter 3D声振耦合求解器
同时Simcenter 3D Acoustics支持单层板、双层板、带有吸声夹层的多层板的壁板隔声仿真，以及金属、复材、PVB等材质的壁板隔声仿真。
飞机复杂内饰壁板隔声声学建模
另外，对于巡航状态下的飞机而言，其机身壁板要承受舱内外压力载荷、舱内外温度梯度载荷的影响，而压力与温度载荷也将影响飞机机身壁板的隔声性能。Simcenter 3D作为西门子新一代多学科多物理场仿真平台，可以分析压力载荷、温度梯度载荷对飞机机身壁板隔声性能的影响，从而模拟更真实的机身壁板状态。
考虑压力载荷、温度梯度载荷的壁板隔声仿真
4. 大样件中高频壁板隔声仿真
由于声学建模严格按照每个波长至少划分六个单元的标准进行，分析的频率越高，声学网格的尺寸越小，声学网格数量越多，因此声学有限元方法的仿真分析频率范围直接影响其仿真计算规模，因Simcenter 3D 声学有限元方法特别适用于大壁板中低频段的壁板隔声仿真，对于大壁板中高频的壁板隔声仿真，可以采用Simcenter 3D SEA+的统计能量方法进行仿真分析。
Simcenter 3D SEA+壁板隔声仿真
5. 应用案例
1)基于Simcenter 3D声学有限元的汽车前挡风玻璃、防火墙的壁板隔声仿真。
由于汽车的挡风玻璃、防火墙可以有效隔离汽车外部的噪声、发动机舱的噪声向驾驶室传播，因此挡风玻璃、防火墙的隔声水平将直接影响汽车行驶过程中的驾驶室噪声水平，采用Simcenter 3D 声学有限元方法对某汽车的前挡风玻璃、防火墙进行隔声仿真，以设计满足需求的前挡风玻璃、防火墙设计方案。
某汽车前挡风玻璃、防火墙的壁板隔声仿真
防火墙壁板传声损失仿真结果
2)空客基于Simcenter 3D SEA+的飞机机身高频隔声仿真
空客采用Simcenter3D SEA+对某飞机机身壁板进行隔声仿真，并进行了隔声试验测试，壁板隔声仿真测试结果吻合较好。
空客机身壁板隔声试验
空客机身壁板隔声仿真
 
6. 小结
Simcenter 3D Acoustics提供了基于声学有限元的阻抗管与混响-消声室的两种壁板隔声仿真方法，先进的声振耦合求解器以及混响声源建模技术，可以保证壁板隔声的仿真精度及计算效率，从而设计满足隔声要求的壁板结构。另外，Simcenter 3D Acoustics同时提供了基于统计能量的壁板隔声仿真方法，结合声学有限元可以实现全频段的壁板隔声仿真。
Simcenter 3D Acoustics的壁板隔声仿真技术，可以应用于飞机机身、列车车身车门、汽车车身车门防火墙、工程机械隔声罩等等不同类型壁板隔声仿真，从而助力设计隔声性能更优的壁板结构。
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