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Simcenter 3D声线法 — 大尺寸高频纯声学问题仿真工具

2020-03-27 09:56:49·  来源：Simcenter 3D Online  作者：李海龙  
　
1前言提到声学仿真方法，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
1 前言

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。

 
2 Simcenter3D RayAcoustics基本原理

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。

几何声学示意图

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。

三棱锥束法示意图

- 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。

曲面反射示意图

- 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。

二维及三维衍射示意图

- 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

Simcenter 3D 声线法可广泛应用于工业噪声控制、环境声学、建筑声学等大尺寸声学仿真领域。

- 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。

 
- 汽车倒车雷达及高级驾驶辅助系统(ADAS)设计

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。

 
- 汽车通过噪声及行人警示音(AVAS)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。
 

- 飞机停机坪噪声仿真
飞机停机坪噪声是民用飞机型号和适航合格审定规定的内容，是国际民用航空公约规定的噪声适航关键科目。飞机停机坪噪声仿真涉及飞机整机声学模型尺寸大、分析频率高等挑战，传统的声学有限元、声学边界元方法完全不能完成该类问题的声学仿真，Simcenter 3D 声线法可以轻松完成飞机停机坪噪声仿真，研究各个声源对停机坪噪声的贡献量，进而设计对应的降噪策略。
 

- 工业厂房及建筑声学设计
Simcenter 3D声线法可以用于预测工业厂房的噪声，分析机器设备在厂房内产生的噪声以及辐射到相邻房间或者厂房外面的噪声，评估不同的噪声控制方案，比如吸声衬垫、机器设备布局、厂房设计等等。同时，声线法也可以用于歌剧院、礼堂体育场馆、地铁站、机场候机楼等建筑声学设计，分析混响时间、语音清晰度等声学参数。
 
 
 
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