Simcenter 3D声线法 — 大尺寸高频纯声学问题仿真工具
提到声学仿真方法,大家首先想到的是声学有限元、声学边界元技术,经过几十年的发展,目前声学有限元、声学边界元方法可以解决大部分声学问题。但对于一些大尺寸、高频的纯声学问题,例如新能源车行人警示音问题、飞机停机坪噪声问题、建筑声学问题等声学现象,由于随着计算频率增加,声学有限元、声学边界元仿真模型的自由度将急剧增加,导致其很难完成高频的声学仿真,即使使用很好的硬件资源。因此,为了提高大尺寸、高频声学仿真模型的计算效率,需要寻找一种替代方法来解决该类声学问题。Simcenter 3D Acoustics提供了Ray Acoustics(声线法)求解技术,该方法使得大尺寸、高频纯声学问题的高效仿真成为可能。
Simcenter3D RayAcoustics(声线法)以几何声学为理论基础,是高频声学问题的渐进求解器,主要基于以下假设:在高频时,声波将像光束一样以直线传播。该假设只有当声波波长远小于模型几何尺寸时才是有效的。
声线法通过声束追踪技术来模拟声传播、声波遇到壁面的反射吸收等声学现象。相较于声学有限元边界方法,声线法的分析频率与声学区域的网格离散程度是相互独立的,其只需要使用少数网格来模拟仿真模型的几何形状,因此可以对大尺寸、高频的声学问题进行高效仿真。
3 Simcenter3D Ray Acoustics主要功能
- 模拟声传播问题:使用三棱锥束法来对声源发射的声线进行追踪,从而计算声场分布信息。
- 模拟响应点的声压幅值及相位信息:通过追踪声束通过麦克风时的数量以及强度,从而获得每个频率点的总声压幅值及相位信息。
- 拟空气及壁面的吸声:通过定义空气的阻尼以及壁面的阻抗特性/吸声系数,模拟其吸声特性。
- 模拟声波的曲面反射效应:基于表面单元法线对离散网格进行差值处理,真实地捕捉曲面特征,从而精确模拟声波的曲面反射。
- 模拟声波的衍射效应:当声线遇到散射边时将要产生一个二级声源,从而形成一个包括一系列散射声线的散射锥。同时散射锥与壁面相互作用,声波将要沿壁面进行传播,从而产生爬行波。利用三维散射与二维散射分析技术,可以对二次或多次散射、爬行波进行模拟。
- 时域声学分析:在进行频域声学分析的同时,可以得到时域的声场结果,可以分析声波的传播过程。
- 双耳麦克风回放及声品质分析:基于双耳脉冲函数的卷积积分进行声音回放,实现声学设计结果的主观评价,并支持对声音信号进行响度、语音清晰度、混响时间等声品质分析。(该功能下个版本发布)
4 Simcenter3D RayAcoustics主要应用
- 驾驶室内场及音响系统声学设计
Simcenter 3D 声线法可以对轨道车辆、飞机、船舶等交通工具驾驶室声场分布进行仿真,分析舱室形状尺寸、行李架座椅空间布置、吸声材料布置等设计方案对舱室声场的影响。也可以用于研究扬声器的数量、位置、功率等因素对音响声品质的影响。
汽车倒车系统及高级驾驶辅助系统通常安装有超声波雷达,其可以发射40k Hz甚至更高频率的超声波,Simcenter 3D 声线法可用于超声波雷达的声学设计,对超声波雷达的主要发声频率、安装位置、数量进行声学设计。
Simcenter 3D 声线法可以快速仿真汽车通过噪声,分析各个声源对外场通过噪声的贡献量,预测不同降噪方案的降噪效果。同时,声线法还应用于新能源车行人警示音系统仿真,分析行人警示音的声场分布特性及空间声学指向性,对扬声器进行声学设计。
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