计算声学

计算声学软件概述
计算声学（CA）是CAE的重要一支，主要用于研究声环境与声疲劳等噪声问题。

根据不同的分类方式，噪声可分为振动噪声与气动/流动噪声，或者中低频噪声与高频噪声。

对应的研究方法主要有边界元法、有限元法、统计能量法。

随着学术进步与硬件性能提升，有限元法取代边界元法的趋势日趋明朗。

主流声学软件中，Virtual. Lab Acoustic（原Sysnoise）以边界元为主，近年追加了振动噪声的有限元解算器；Actran以有限元/无限元为基础，提供振动/气动噪声的综合方案，对于气动/流动噪声、声振耦合、隔声降噪与声疲劳等问题独擅胜场；VA-One以统计能量法为基础，适用于系统级高频振动噪声问题。

除Actran等声环境与声疲劳分析软件之外，众多专用软件也异彩纷呈，诸如建筑声学与电声分析软件EASE、环境噪声分析软件Cadna/A等，均各显其能。

EASE适用于大尺度建筑物内部声场分布计算以及音响设备电声品质的预测；Cadna/A适用于城市或区域环境噪声的预测、评估和控制方案设计。

现在的噪声分析软件主要有Vone（高频）、Sysnoise和ACTRAN等。

ACTRAN可以处理的问题包括：声波的辐射、散射、封闭和开放声场、声波在管道中的传播、对流效应、声振耦合、精确模拟阻尼等。

ACTRAN简单易用，与CAE软件的集成方便快捷，历经工程验证，具有出色的鲁棒性和求解效率。

无缝集成英文名称：seamless integration 定义：一种无须数据格式转换，直接访问来自多种不同数据源数据格式的高级数据集成技术。

ACTRAN可以与I-DEAS Master Series、MSC.Patran和Hypermesh等主流有限元前后处理软件无缝集成，并成为这些软件操作界面中的一个功能菜单，用户完全可以在熟悉的软件界面下操作ACTRAN，进行噪声分析，而不必担心需要重新熟悉一个全新的软件界面。

ACTRAN与MSC NASTRAN的耦合：对于装饰件建模和要求苛刻的振动声学应用，为什么不把世界上两个最好的方法结合在一起呢？用MSC.Nastran建立结构体模型，用ACTRAN/VA捕捉装饰件的声学和动力学特性。

ACTRAN/VA能够真正将它的模型与NASTRAN的超单元结合起来，同时支持结构的模态描述。

声音传播：ACTRAN包含了预测声音在管道中传播的以下特有功能：在非均质背景流动下的对流传播、管道模态方式的激励（平面波和高阶模态）、传递矩阵和传输损失的计算。

这些特有功能使ACTRAN非常适合于研究排气部件、进气歧管及柔性软管。

装饰件噪声优化软件— ACTRAN/TRIM：在ACTRAN软件家族中，ACTRAN/TRIM 是专门用来高效率分析大量装饰件布置优化的噪声分析工具。

他可以在现有结构模态模型的基础上增加装饰件的ACTRAN模型，可以应用于汽车乘客舱、飞机客舱以及船舱的装饰降噪优化设计。

例如对于汽车工业来说，可以迅速将白车身模型转化为包含装饰件的声学模型，进行装饰件的多方案优化设计。

高频噪声模拟软件 — ACTRAN/HF
ACTRAN/HF是一个用于大规模振动声学有限元模型的能量后处理工具集。

利用由MSC.Nastran所产生结构模态模型和空腔模型，ACTRAN/HF 能够产生合成能量输出，包括注入能、势能、动能、耗散能和模态密度等。

经过优化的ACTRAN/HF可以处理非常大的振动声学模型，可以处理高达几百万个自由度的中高频问题。

5. 旋转机械流动噪声模拟软件 — ACTRAN/TM
ACTRAN/TM包含了分析旋转机械气动噪声需要的所有特征。

激励被定义为与圆形、环形和矩形管道相关的模态，它的幅值根据商用CFD计算软件或ACTRAN/TM的CFD计算结果导出。

ACTRAN/TM假定一个可压缩的背景流动，对流和折射的效应也被精确地考虑在内。

进口和出口管道也可能安装了衬套，可以通过Myers边界条件将声衬阻抗的接触流动效应全部包括在内；可以在ACTRAN/TM中以入射管道模态的定义声音激励。

在航空工业，ACTRAN/TM被广泛用来优化机壳的声衬。

ACTRAN/TM 的实际用途极为广泛，如直升机涡轮、空调系统风扇、冷却系统和推进器系统噪声。

6. 流动噪声模拟软件 — ACTRAN/LA
ACTRAN/LA是最新加入ACTRAN声学、振动声学、流动声学软件系列的。

它建立在广受赞誉的旋转机械气动噪声预测软件ACTRAN/TM基础上，ACTRAN/LA模拟由湍流产生的宽带噪声。

ACTRAN/LA精确考虑流体动力声源的复杂边界条件，即可以求解外声场（机翼后缘噪声、侧镜噪声、起落架噪声），也可以求解内部声场（HVAC内部噪声、管道内流动噪声）。

ACTRAN/LA可以处理低马赫数的鼓风机和轴流风扇，是唯一能精确预测宽带、近场和远场噪声的软件。

ACTRAN / LA的主要有以下优点：
● 创造性的将Lighthill和FWH方法结合在一起，提供最精确可靠的流动噪声模拟结果
. 专业排气噪声模拟软件 — ACTRAN/DGM
因为发动机排气侧的气体流动剧烈、非等温、旋转、并且包含使声音产生折射的剪切层，所以声音辐射是非常复杂的。

为处理此类问题，FFT 公司开发了使用非连续Galerkin方法求解线性化欧拉方程的
ACTRAN/DGM。

它是在MESSIAEN研究项目的框架基础上发展起来的。

它与ACTRAN/TM结合形成完整的发动机气动噪声解决方案。

8. ACTRAN软件系列还包括
扬声器声学模拟软件 — ACTRAN/LS
前后处理软件 — ACTRAN/VI
而对非均质流动和温度梯度效应的处理是ACTRAN Acoustics 的重要特色之一，ACTRAN能够精确统计消声器的温度梯度效应。

除此之外，还包含了处理粘热效应的特殊单元，这对声波在窄通道和薄空腔中的传播特别重要，典型的应用如助听器、声纳阵面板等
流动噪声模拟软件ACTRAN Aero -Acoustics
1.介绍
ACTRAN Aero-Acoustics是预测湍流噪声的声学有限元软件，ACTRAN Aero-Acoustics从商业CFD程序(如Fluent、Star- CD、StarCCM、Powerflow以及Ensight)的模拟结果中获取流动声源。

完整的模拟过程包含以下三步。

(1)利用CFD程序完成非定常流动模拟。

在每一个时间步，CFD的解(速度、密度和压力场)存储为CFD程序自身的格式或通用的Ensight格式。

(2)ACTRAN Aero-Acoustics根据第一步的CFD的结果计算流动噪声源，包括将结果从时域转化到频域，并将其从CFD网格插值到声学网格。

(3)声辐射和传播计算。

得到声压、声速和声强，以及各种局部量(压力)和全局(功率)的频率响应函数。

美国伟世通选择ACTRAN作为汽车零部件的声学设计工具，声压分布如图14 所示。

多步方法将带来以下好处：每一部分工作可以由具有不同责任和训练的工程师、部门或公司分别完成;一个CFD模拟结果可以用于不同的声学模拟，如不同的声学处理;声学网格不必像CFD网格那样在流动结构很小的区域(如边界层区域)细化。

ACTRAN Aero-Acoustics的典型应用
◎空调系统(HVAC);
◎后视镜噪声;
◎机身噪声(起落架、机翼后缘);
◎空气分配系统;
◎水动噪声。

六、旋转机械噪声模拟软件ACTRAN TM
1.介绍
ACTRAN TM是分析涡轮机械声辐射，以及优化与涡轮机械辐射噪声相关声学处理部件的工具。

由于能够准确计入非均质流对噪声的影响，因此ACTRAN TM能够获得精确的发动机壳体噪声，如图15所示。

ACTRAN TM提供了涡轮机械噪声分析所需要的所有高级模拟功能。

ACTRAN TM具有以下排他性的技术优势：
(1)准确捕捉非均质流动的对流和折射效应，既可以用ACTRAN 计算非均质背景流动，也可以从其他CFD仿真程序导入;
(2)利用ACTRAN TM中的Myers边界条件，声衬的影响被精确统计;
(3)可以用入射管道模态来定义声源，或者根据一组平面的压力脉动提取声源，压力脉动来自CFD的瞬态计算结果。

声学CAE的挑战之一就是处理大马赫数、大几何尺寸以及形状复杂
的大模型，ACTRAN TM包含高级并行处理能力在内的高效率求解技术，只有ACTRAN TM才可以应对这些挑战。

ACTRAN TM的典型应用
◎飞机发动机噪声，包括短舱设计;
◎管道式冷却系统;
◎鼓风机系统;
◎直升机涡轮噪声。

七、发动机排气噪声模拟软件ACTRAN DGM
1.介绍
ACTRAN DGM是对ACTRAN TM的最好补充，它可以求解比ACTRAN TM更高的马赫数和更高的频率，使ACTRAN DGM成为模拟发动机排气噪声的排他性工具。

ACTRAN DGM使用非连续有限元来求解线性化的欧拉方程，能够预测在复杂物理条件下噪声传播。

它特别适合于求解具有二次空气系统的航空发动机的气动声学问题，它精确统计了强剪切层流动、温度梯度和非均质平均流动的声传播效应。

ACTRAN DGM可以求解二维、轴对称及三维问题。

它具有模拟排气噪声需要的所有边界条件：表达声源的管道模态激励、无反射边界条件，以及对Myers边界的时域变换来模拟声衬边界条件。

背景流动对声音传播的影响、以入射管道模态的术语定义激励以及无反射边界条件的使用，确保ACTRAN DGM具有出众的模拟结果，如图17所示。

网格生成简单是ACTRAN DGM的关键优势之一。

对于非结构化网格，它不必遵循有限差分网格的一般性规则。

因为单元的阶次是自动调整的，使用非均匀网格(在同一模型中使用非常小的单元和非常大的单元)不会带来性能的降低。

此外，同样的网格可以分析的频率范围比通常的有限元大4倍，模型设计的分析频率为1000Hz，实际可以分析的频率范围为500~2000Hz。

由于ACTRAN DGM实现了在非连续空间体系求解线性化的欧拉方程组，这使ACTRAN DGM具有非常优异的并行加速比，因而可以用其求解非常大的工程问题。

2.ACTRAN DGM的典型应用
◎涡轮排气噪声;
◎大型涡轮进气噪声;
◎所有涉及非均质平均流动效应的声传播问题。