換能器聲學(xué)模擬

1、Copyright Free Field TechnologiesFFT ACTRANACTRAN在水聲換能器領(lǐng)域的應(yīng)用2Copyright Free Field TechnologiesFree Field Technologies 1998，由Jean-Pierre Coyette教授、Jean-Louis Migeot教授創(chuàng)立 總部在比利時布魯塞爾，法國圖盧茲、日本東京、美國底特律設(shè)有分部 1999-2001，雷諾, 標志, 菲亞特, 通用汽車, 空中客車, 殼牌石油, 德國Lloyd船級社等十一家大型企業(yè)，共同資助FFT開發(fā)ACTRAN軟件專業(yè)的聲學(xué)仿真工具（ Actran/Acous

2、tics ）:振動聲學(xué) (Actran/Vibro Acoustics, Actran for Nastran)流動聲學(xué) (Actran/TM, Actran/DGM, Actran/Aero Acoustics)前后處理器 (Actran/VI)服務(wù): 培訓(xùn), 技術(shù)交流, 工程咨詢, 特別開發(fā)科研:FFT參加眾多科研項目，從風(fēng)機噪聲、螺旋槳噪聲、輪胎噪聲、航空發(fā)動機噪聲到高性能計算以及產(chǎn)品的聲學(xué)設(shè)計等。3Copyright Free Field TechnologiesLocations4Copyright Free Field Technologies中國區(qū)客戶 換能器 杭州715所，西安

3、705所，山東科學(xué)院海洋儀器研究所 船舶 701、702、703、昆明705、707、719 高校 上海交大船舶學(xué)院 哈工程水聲學(xué)院、船舶學(xué)院 西安交通大學(xué) 天津大學(xué)5Copyright Free Field Technologies海基聲學(xué)部門 咨詢項目某型飛機典型結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、機翼聲學(xué)分析與優(yōu)化高速機車振動、氣動噪聲分析核工業(yè)管道共振腔氣動噪聲分析、聲疲勞分析汽車空調(diào)系統(tǒng)振動/氣動噪聲分析高速電梯氣動/振動聲學(xué)一體化分析 培訓(xùn)與教學(xué)聲學(xué)課程噪聲分析培訓(xùn)ACTRAN軟件培訓(xùn)請關(guān)注http:/6Copyright Free Field TechnologiesSome Automotive

4、Customers7Copyright Free Field TechnologiesSome Aerospace Customers8Copyright Free Field TechnologiesSome Other References9Copyright Free Field TechnologiesThe ACTRAN software suiteACTRAN Vibro-AcousticsACTRAN Aero-AcousticsACTRAN TMACTRAN AcousticsACTRAN DGMACTRAN VIACTRAN for NASTRAN10Copyright Fr

5、ee Field TechnologiesACTRAN Acoustics 聲學(xué)仿真工具聲學(xué)有限元/無限元聲源: 點聲源, 平面波, 管道模態(tài), 結(jié)構(gòu)振動非均質(zhì)流體(密度和溫度梯度)精確模擬管道聲學(xué)問題的邊界條件(解析解)更多的功能: 傳遞矩陣法, 不匹配網(wǎng)格, 特殊單元類型 典型應(yīng)用管道中聲傳播, 障礙物衍射振動結(jié)構(gòu)輻射噪聲 高性能求解器，并行技術(shù)Exhaust MufflerDiffraction w/ flowPowertrain Radiation11Copyright Free Field TechnologiesACTRAN VibroAcoustics 振動聲學(xué)仿真工具Actra

6、n/Acoustics + a standard structural solver結(jié)構(gòu)與聲學(xué)的求解完全耦合豐富的有限單元與材料庫:聲學(xué)有限元與無限元粘彈性梁單元、殼單元與實體單元復(fù)合材料單元、薄殼單元，允許考慮預(yù)應(yīng)力作用 (*)多孔與多孔彈性單元壓電材料單元，支持換能器、聲納與噪聲主動控制模擬 (*)真實的激勵方式:聲學(xué)，運動學(xué)與動態(tài)激勵隨機激勵：湍流邊界層、擴散聲場、相關(guān)激勵，得到平均值、標準偏差、包絡(luò)等LoudspeakerSide window transmissionMuffler Radiation12Copyright Free Field TechnologiesACTRAN

7、AeroAcoustics 寬帶流致噪聲仿真工具 特性： 支持大多數(shù)的CFD軟件，并經(jīng)過大量實驗驗證； Lightill 聲類比、Mhring 聲類比； 在有限元網(wǎng)格上可以定義邊界條件： 任何邊界條件都可使用 ! 這是與其他處理方法(如Curle, FWH or BEM)相比，最大的區(qū)別！ 可以與VibroAcoustics聯(lián)合計算 客戶：Daimler, BMW, VW, Delphi, Visteon, John Deere, Brothers, PSA.風(fēng)扇噪聲空調(diào)管道與實驗結(jié)果比較13Copyright Free Field TechnologiesACTRAN VI ACTRAN各模

8、塊的前后處理器 利用其他CAE工具創(chuàng)建的網(wǎng)格，建立ACTRAN分析模型 提供腳本化語言編輯功能 方便快捷的后處理功能云圖、頻譜曲線、瀑布圖、指向性曲線自動計算全局量從云圖結(jié)果提取場點響應(yīng)Plt2audio：將頻譜曲線轉(zhuǎn)換為聲音文件Model creation and validationAdvanced post-processingFRF Display ToolCopyright Free Field TechnologiesActran 在船舶行業(yè)的應(yīng)用Examples of shipbuilding Applications15Copyright Free Field Technolo

9、giesACTRAN在船舶行業(yè)的應(yīng)用 應(yīng)用1：換能器仿真分析 應(yīng)用2：水下航行體仿真分析 應(yīng)用3：船艙窗結(jié)構(gòu)隔聲分析-瑞利邊界元的應(yīng)用 應(yīng)用4：艦艇螺旋槳噪聲仿真分析 應(yīng)用5：拉法耶級護衛(wèi)艦聲學(xué)處理仿真分析 應(yīng)用6：柴油發(fā)動機輻射噪聲分析 應(yīng)用7：潛艇整體聲學(xué)分析 應(yīng)用8：艙板聲學(xué)分析 應(yīng)用9：船用消聲器分析16Copyright Free Field Technologies換能器仿真分析 換能器模擬 拖曳聲納聲學(xué)分析Copyright Free Field Technologies附加質(zhì)量效應(yīng)Application Review18Copyright Free Field Technolo

10、giesACTRAN 主要特性 聲場媒質(zhì)與結(jié)構(gòu)有限元可以考慮附加質(zhì)量效應(yīng) 聲學(xué)無限元計算遠場聲輻射 不匹配網(wǎng)格的映射支持結(jié)構(gòu)與流體使用不同類型的網(wǎng)格 多種激勵方式與邊界條件，可以與其他CAE工具聯(lián)合分析支持真實工況的條件流體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)網(wǎng)格19Copyright Free Field TechnologiesACTRAN 模型說明無限元模擬“自由場”輻射 海平面: 壓強設(shè)為環(huán)境壓強 (p=0)Actran建立一個模型，包括流體與結(jié)構(gòu).可以考慮流體對結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量效應(yīng)結(jié)構(gòu)與流體耦合Actran 支持不匹配網(wǎng)格: 結(jié)構(gòu)與流體網(wǎng)格可以使用不同的單元拓撲形式 (例如: 流體使用四面體單元, 結(jié)構(gòu)使用六面體

11、單元)可以施加不同類型的激勵(結(jié)構(gòu)或聲學(xué))20Copyright Free Field Technologies結(jié)果比較水載荷: 相同頻率的結(jié)果 (70Hz). 變形不同水對結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)有非常重要的影響! 完全耦合模型無流體模型21Copyright Free Field Technologies平板模型 目的: 評價流體附加質(zhì)量效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響 比較兩個模型: 1, 流體是空氣 2, 流體是水 (高密度流體) 模型尺寸: 1m * 1m 10cm 厚 鋁板點力激勵鋁板模型聲媒質(zhì)（自由場）Automatic Actran coupling process in both direction:

12、 fluidstructure22Copyright Free Field Technologies 遠場聲壓結(jié)果 48 Hz120.5 Hz86.5 Hz46.5 Hz13.5 Hz平板模型計算結(jié)果對比藍線: 空氣綠線: 水結(jié)論: 水作用于結(jié)構(gòu)時1.結(jié)構(gòu)的共振頻率向低頻移動2.出現(xiàn)水的共振頻率Copyright Free Field TechnologiesTonpilz型換能器模擬24Copyright Free Field Technologies內(nèi)容 介紹 建模步驟 模型說明 發(fā)射模型 接收模型 后處理與結(jié)果 發(fā)射模型的結(jié)果 接收模型的結(jié)果 計算性能 結(jié)論25Copyright Fre

13、e Field Technologies介紹 物理問題為電/結(jié)構(gòu)/流體的耦合問題（海水，油，質(zhì)量塊，橡膠，壓電材料等） 研究以下效應(yīng)： 海水中的換能器在電勢激勵下的聲學(xué)響應(yīng) 水中聲學(xué)激勵，電極的電學(xué)響應(yīng) 計算使用軸對稱模型. 頻率范圍是100Hz45kHz，步長400Hz 各種后處理方法 (云圖，頻響函數(shù)，空間指向性)26Copyright Free Field Technologies建模步驟: OverviewActranVI 中創(chuàng)建Actran模型ANSA中劃分網(wǎng)格聲場, 云圖頻響函數(shù)Actran VI創(chuàng)建Actran模型計算與后處理: Actran VA &Actran VI27Cop

14、yright Free Field Technologies模型說明- 1二維軸對稱模型換能器的構(gòu)成: 后端質(zhì)量, 壓電材料, 前端質(zhì)量, 前端橡膠，油，支撐結(jié)構(gòu). 前端橡膠外表面為水建立兩個模型: 發(fā)射模型與接收模型零電壓邊界條件施加在壓電陶瓷接觸面;電極邊界條件施加在所有的 壓電陶瓷接觸面上 (在電極節(jié)點上施加相同的電勢);位移邊界條件施加在后端質(zhì)量與前端橡膠邊界處TransducerOilHousingPZTCounter MassFront RubberHead MassTransducer BCs0 Volt0 radial displacement0 axial displacem

15、ent ELECTRODE BC28Copyright Free Field Technologies模型說明- 2 發(fā)射模型:0 伏和1伏電勢邊界條件施加在特定的電極計算有限元與無限元域內(nèi)的聲壓 接收模型:0伏電勢邊界條件施加在特定的電極ELECTRODE邊界條件施加在其余的電極上 (節(jié)點將被限制為相同的電勢)無限元水域中放置一個點聲源計算電極邊界處的電勢1 Volt0 Volt0 radial displacement0 axial displacement 結(jié)構(gòu)與流體區(qū)域網(wǎng)格劃分遵循每彎曲波長8個線性單元的規(guī)則0 Volt0 radial displacement0 axial disp

16、lacement ELECTRODE BC29Copyright Free Field Technologies模型說明- 3壓電材料 在前面的例子中，使用真實的壓電材料屬性 壓電材料屬性的詳細描述見 Actran ManualPiezo & Dielectric MatrixPIEZO_E 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 17.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 17.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 -6.5 0.0 -6.5 0.0 23.3 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 DIEL

17、ECTRIC 1.0D-8 0.0 1.503 0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.5030 0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.30 0Elastic MatrixELASTIC 1.0D+9 0.0 126 0.0 79.5 0.0 84.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 79.5 0.0 126. 0.0 84.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 84.1 0.0 84.1 0.0 117 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 23.

18、0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 23.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 23.0 0.030Copyright Free Field Technologies模型說明 4材料屬性 后端質(zhì)量(SOLID): 密度: 7900 kg/m3 楊氏模量: 2.1E11 Pa 泊松比: 0.3 支撐結(jié)構(gòu)(SOLID): 密度: 1200 kg/m3 楊氏模量: 3E9 Pa 泊松比: 0.4 前段質(zhì)量(SOLID): 密度: 1800 kg/m3 楊氏模量

19、: 4E10 Pa 泊松比: 0.32 前段橡膠(不可壓縮SOLID): 密度: 1320 kg/m3 楊氏模量: 3E6 Pa 泊松比: 0.5 油: 聲速: 1290 m/s 密度: 900 kg/m3 CP and CV: 1800 J/kgK 海水 聲速: 1500 m/s 密度: 1030 kg/m3 CP and CV: 3850 J/kgK31Copyright Free Field Technologies后處理 場點= 虛擬的傳聲器或虛擬的加速度計: 場點數(shù)據(jù) (結(jié)構(gòu)位移，聲壓, 等) 被寫入*.plt結(jié)果文件，基于*.plt文件，可以得到頻響函數(shù)（FRF）和空間指向性結(jié)果

20、有限元計算域內(nèi)的結(jié)果被寫入*.op2文件 (或 .unv, .punch, .nod, 等.)32Copyright Free Field Technologies結(jié)果 發(fā)射模型聲壓實部云圖 45 kHz45o遠場場點聲壓級 (dB, ref: 1 Pa)45 kHz遠場聲壓級指向性(dB, ref: 1 Pa)33Copyright Free Field Technologies結(jié)果 接收模型聲壓實部云圖 45 kHz0 Volt0 radial displacement0 axial displacement ELECTRODE 4ELECTRODE 2基于不同電極的頻響函數(shù), 后續(xù)信號處

21、理可以得到功率譜密度(PSD) 和互譜密度電極2與電極4的電勢34Copyright Free Field TechnologiesACTRAN在水下的應(yīng)用聲納解決方案 ACTRAN可以模擬多種類型的聲納的工作過程 可以模擬聲納縫隙中空氣的熱粘性對聲納工作特性的影響 可以模擬聲納中各個發(fā)射部件的相互作用35Copyright Free Field Technologies 自輻射阻抗與互輻射阻抗分析 自輻射阻抗 互輻射阻抗 輻射阻抗結(jié)果換能器基陣模擬36Copyright Free Field Technologies水下聲散射模擬 計算使用的激勵 平面波、點聲源或壓電換能器激發(fā)的聲場 圓柱障

22、礙物的水下聲散射37Copyright Free Field Technologies結(jié)論 Actran可以計算真實的電/結(jié)構(gòu)/流體耦合的壓電換能器模型 Actran模型可以使用任何網(wǎng)格劃分軟件與Actran/VI建立。 使用標準的PC機，計算時間非常短，內(nèi)存需求也很少 ActranVI支持多種后處理操作38Copyright Free Field Technologies展望 模型可以支持更多的真實電學(xué)激勵以及聲學(xué)激勵方式 基于電學(xué)與力學(xué)輸出，可以利用其他的數(shù)據(jù)處理手段（如 Matlab）分析換能器特性： 接收靈敏度; 電阻抗, 等. 換能器基陣可以在一個模型里建立 (2D or 3D 模型

23、) ，研究以下特性： 換能器單元互輻射性能 單個換能器輻射聲波對周圍換能器的影響Copyright Free Field Technologies拖曳式線列陣聲納聲學(xué)分析FFTACTRAN40Copyright Free Field TechnologiesModel description - 1 拖曳聲納的模擬 Cross sectionwater domainTowed array sonarPlastic skin thickness: 5 mmPlastic skinoilTube diameter: 0.13 mZoom to array tube cross section Ac

24、tran supports a rich element librarywater domainTowed array sonarL = 4 mPlane waveh = 1 m41Copyright Free Field Technologies Colored Map: real part of acoustic pressurePost Processing - 2Pressure (real) in water and oil domain 3000HzPressure (real) in water and oil domain 1960HzwateroilwateroilObser

25、vation:At higher frequency, the scattering effect of the tube on sound propagation is more remarkable42Copyright Free Field TechnologiesPost Processing - 3 Colored map: amplitude of acoustic pressurePressure (amplitude) in water and oil domain 3000HzPressure (amplitude) in water and oil domain 1960H

26、zObservation:At lower frequency, the sound level reduction by the plastic tube on sound wave passing through and entering the tube is more remarkablewateroilwateroilCopyright Free Field Technologies拖曳式線列陣聲納流致噪聲影響分析FFTACTRAN44Copyright Free Field Technologies研究背景 拖曳式線列陣聲納在水下反潛戰(zhàn)中發(fā)揮著重要作用。 拖曳陣工作時，由于拖纜和海

27、水間的相對運動，在拖纜護套的外表面附近存在海水介質(zhì)微團的湍流脈動，由此激發(fā)出水動力噪聲，稱之為流致噪聲。 流致噪聲的強度是影響拖曳式聲納實際工作性能的重要因素： 高速拖曳狀態(tài)時，流噪聲的強度有時遠大于環(huán)境噪聲，目標的質(zhì)點振速信息將被完全淹沒在流噪聲中。45Copyright Free Field Technologies拖曳式聲納流噪聲機理 當拖纜在海水中拖曳時，海水和拖纜間的相對運動會產(chǎn)生流噪聲。按其機理，可分為兩種： 一種是拖纜外表面處湍流邊界層中的脈動壓力，主要由湍流的微尺度運動及表面的渦脫落產(chǎn)生。共有兩種作用模式： 透過護套，傳遞到內(nèi)部流體； 護套的耦合激勵產(chǎn)生再輻射噪聲。 另一種是由

28、拖船尾流、渦流等不穩(wěn)定性所引起的拖纜和尾纜的振動，這兩種振動即使經(jīng)過隔震模塊衰減，仍可引起線陣的振動，并由此可產(chǎn)生三種傳播形式的波： 在液體介質(zhì)中傳播的縱波； 在護套殼內(nèi)傳播的剪切波； 結(jié)構(gòu)共振模態(tài)產(chǎn)生的再輻射聲波。 本次計算僅考慮第一種機理產(chǎn)生的噪聲影響，第二種機理?；⒃部梢蕴峁┳稍兎?wù)！46Copyright Free Field TechnologiesACTRAN軟件模塊ACTRAN Vibro-AcousticsACTRAN TMACTRAN AcousticsACTRAN DGMACTRAN VIACTRAN for NASTRANACTRAN Aero-Acoustics計算

29、使用ACTRAN Vibro-Acoustics與Aero-Acoustics模塊47Copyright Free Field Technologies研究對象 拖曳聲納管道以水平方向拖動，管道外是水，管內(nèi)是油，水聽器放置在管道中； 本次計算忽略水聽器，僅求解外部湍流邊界層脈動壓力作用于管壁以及管內(nèi)的聲場分布； 管道直徑0.066米，壁厚0.002米，以7米/秒的速度沿軸向拖動； 管壁材料參數(shù)：楊氏模量5.35E10帕，阻尼0.1，泊松比0.35，密度1180千克/米3； 管內(nèi)流體：桐油密度933千克/米3，聲速1450米/秒。拖曳速度7m/s無限長管道外管徑0.066米壁厚0.002米48C

30、opyright Free Field Technologies分析步驟分析步驟CFD URANS/LES/DES非定常流場分布 壓力，速度，密度，等ACTRAN - iCFD根據(jù)CFD計算結(jié)果通過提取表面脈動壓力 通過傅里葉變換將時域結(jié)果變換到頻域ACTRAN 施加iCFD計算出的壁面脈動壓力 計算聲場分布以及指定位置的聲學(xué)變量ACTRAN - VI計算數(shù)據(jù)后處理，聲場云圖及頻譜顯示From CFD to CAA .49Copyright Free Field Technologies分析步驟詳細介紹 步驟1. Fluent非定常流場計算 步驟2. ACTRAN/iCFD表面脈動壓力的提取與

31、時頻轉(zhuǎn)換 步驟3. ACTRAN拖曳聲納流致噪聲影響計算50Copyright Free Field Technologies步驟1-Fluent計算模型 外部建立圓柱流場包裹管道，管長L=1米，管道半徑r=0.033米，流體圓柱體半徑R=0.2米。速度進口7m/s壓力出口，表壓為零速度邊界7m/s水域50米水深，參考壓力=大氣壓加水壓:0.1MPa+0.5MPaRrLX0=0XL=151Copyright Free Field Technologies步驟1-Fluent計算 定常流動模擬 使用RANS定常流動計算，建立流場。 流場建立后轉(zhuǎn)非定常大渦模擬 一般需要等流場穩(wěn)定后，才能得到可利用

32、的數(shù)據(jù)； 本次計算從演示的目的出發(fā)，從0.2026s時間步開始保存數(shù)據(jù)，連續(xù)保存270個時間步結(jié)果。52Copyright Free Field Technologies分析步驟 步驟1. Fluent非定常流場計算 步驟2. ACTRAN/iCFD表面脈動壓力提取與時頻轉(zhuǎn)換 步驟3. ACTRAN拖曳聲納流致噪聲影響計算53Copyright Free Field TechnologiesACTRAN -iCFD 提取流動噪聲源提取流動噪聲源 Nyquist TheoremNyquist Theorem原始連續(xù)時間變量q(t)離散采樣時間序列q(tk)q(t)q(tk) if t1/(2fmax)fmax = 5000Hz t0.0001s CFDCFD非定常流場采樣非定常流場采樣fmin = 1/(Nt) fmax = 1/(2t)f = fminN = 270, t = 0.0001s f= fmin = 37.037 Hz fmax = 5000 Hz54Copyright Free Field Technologies步驟2-表面壓力 1000Hz表面壓力55Copyright Free Field Technolo