換能器聲學(xué)模擬

FFT–ACTRANACTRAN在水聲換能器領(lǐng)域的應(yīng)用FreeFieldTechnologies1998，由Jean-PierreCoyette教授、Jean-LouisMigeot教授創(chuàng)立總部在比利時(shí)布魯塞爾，法國(guó)圖盧茲、日本東京、美國(guó)底特律設(shè)有分部1999-2001，雷諾,標(biāo)志,菲亞特,通用汽車(chē),空中客車(chē),殼牌石油,德國(guó)Lloyd船級(jí)社等十一家大型企業(yè)，共同資助FFT開(kāi)發(fā)ACTRAN軟件

專(zhuān)業(yè)的聲學(xué)仿真工具（Actran/Acoustics）:

振動(dòng)聲學(xué)(Actran/VibroAcoustics,ActranforNastran)

流動(dòng)聲學(xué)(Actran/TM,Actran/DGM,Actran/AeroAcoustics)

前后處理器(Actran/VI)

服務(wù):培訓(xùn),技術(shù)交流,工程咨詢(xún),特別開(kāi)發(fā)

科研:FFT參加眾多科研項(xiàng)目，從風(fēng)機(jī)噪聲、螺旋槳噪聲、輪胎噪聲、航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲到高性能計(jì)算以及產(chǎn)品的聲學(xué)設(shè)計(jì)等。Locations中國(guó)區(qū)客戶(hù)換能器杭州715所，西安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)?；晫W(xué)部門(mén)咨詢(xún)項(xiàng)目某型飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)翼聲學(xué)分析與優(yōu)化高速機(jī)車(chē)振動(dòng)、氣動(dòng)噪聲分析核工業(yè)管道共振腔氣動(dòng)噪聲分析、聲疲勞分析汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)振動(dòng)/氣動(dòng)噪聲分析高速電梯氣動(dòng)/振動(dòng)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(qǐng)關(guān)注SomeAutomotiveCustomersSomeAerospaceCustomersSomeOtherReferencesTheACTRANsoftwaresuiteACTRANVibro-AcousticsACTRANAero-AcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRANACTRANAcoustics聲學(xué)仿真工具聲學(xué)有限元/無(wú)限元聲源:點(diǎn)聲源,平面波,管道模態(tài),結(jié)構(gòu)振動(dòng)…非均質(zhì)流體(密度和溫度梯度)精確模擬管道聲學(xué)問(wèn)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(lèi)型…典型應(yīng)用管道中聲傳播,障礙物衍射振動(dòng)結(jié)構(gòu)輻射噪聲高性能求解器，并行技術(shù)ExhaustMufflerDiffractionw/flowPowertrainRadiationACTRANVibroAcoustics振動(dòng)聲學(xué)仿真工具Actran/Acoustics+astandardstructuralsolver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(kù):聲學(xué)有限元與無(wú)限元粘彈性梁?jiǎn)卧?、殼單元與實(shí)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(dòng)控制模擬(*)真實(shí)的激勵(lì)方式:聲學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)態(tài)激勵(lì)隨機(jī)激勵(lì)：湍流邊界層、擴(kuò)散聲場(chǎng)、δ相關(guān)激勵(lì)，得到平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、包絡(luò)等LoudspeakerSidewindowtransmissionMufflerRadiationACTRANAeroAcoustics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(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；Lightill聲類(lèi)比、M?hring聲類(lèi)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,FWHorBEM)相比，最大的區(qū)別！可以與VibroAcoustics聯(lián)合計(jì)算客戶(hù)：

Daimler,BMW,VW,Delphi,Visteon,JohnDeere,Brothers,PSA...風(fēng)扇噪聲空調(diào)管道與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較ACTRANVIACTRAN各模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(yǔ)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(dòng)計(jì)算全局量從云圖結(jié)果提取場(chǎng)點(diǎn)響應(yīng)Plt2audio：將頻譜曲線轉(zhuǎn)換為聲音文件ModelcreationandvalidationAdvancedpost-processingFRFDisplayToolActran在船舶行業(yè)的應(yīng)用ExamplesofshipbuildingApplicationsACTRAN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(jí)護(hù)衛(wèi)艦聲學(xué)處理仿真分析應(yīng)用6：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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：船用消聲器分析換能器仿真分析換能器模擬拖曳聲納聲學(xué)分析附加質(zhì)量效應(yīng)ApplicationReviewACTRAN主要特性聲場(chǎng)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(wú)限元計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)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(lèi)型的網(wǎng)格多種激勵(lì)方式與邊界條件，可以與其他CAE工具聯(lián)合分析支持真實(shí)工況的條件流體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)網(wǎng)格ACTRAN模型說(shuō)明無(wú)限元模擬“自由場(chǎng)”輻射

海平面:壓強(qiáng)設(shè)為環(huán)境壓強(qiáng)(p=0)Actran建立一個(gè)模型，包括流體與結(jié)構(gòu).可以考慮流體對(duì)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?fù)湫问?例如:流體使用四面體單元,結(jié)構(gòu)使用六面體單元)可以施加不同類(lèi)型的激勵(lì)(結(jié)構(gòu)或聲學(xué))結(jié)果比較水載荷:相同頻率的結(jié)果(70Hz).變形不同…水對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有非常重要的影響!

完全耦合模型無(wú)流體模型平板模型目的:評(píng)價(jià)流體附加質(zhì)量效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響比較兩個(gè)模型:1,流體是空氣2,流體是水(高密度流體)

模型尺寸:1m*1m10cm厚

鋁板點(diǎn)力激勵(lì)鋁板模型聲媒質(zhì)（自由場(chǎng)）AutomaticActrancouplingprocessinbothdirection:fluidstructure遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓結(jié)果

48Hz120.5Hz86.5Hz46.5Hz13.5Hz平板模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比藍(lán)線:空氣綠線:水結(jié)論:水作用于結(jié)構(gòu)時(shí)結(jié)構(gòu)的共振頻率向低頻移動(dòng)出現(xiàn)水的共振頻率Tonpilz型換能器模擬內(nèi)容介紹建模步驟模型說(shuō)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(jì)算性能結(jié)論介紹物理問(wèn)題為電/結(jié)構(gòu)/流體的耦合問(wèn)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(shì)激勵(lì)下的聲學(xué)響應(yīng)水中聲學(xué)激勵(lì)，電極的電學(xué)響應(yīng)計(jì)算使用軸對(duì)稱(chēng)模型.頻率范圍是100Hz~45kHz，步長(zhǎng)400Hz各種后處理方法(云圖，頻響函數(shù)，空間指向性)建模步驟:OverviewActranVI中創(chuàng)建Actran模型ANSA中劃分網(wǎng)格聲場(chǎng),云圖頻響函數(shù)ActranVI創(chuàng)建Actran模型計(jì)算與后處理:ActranVA&ActranVI模型說(shuō)明-1二維軸對(duì)稱(chēng)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(gè)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(diǎn)上施加相同的電勢(shì));

位移邊界條件施加在后端質(zhì)量與前端橡膠邊界處TransducerOilHousingPZTCounterMassFrontRubberHeadMassTransducer–BCs0Volt0radialdisplacement0axialdisplacementELECTRODEBC模型說(shuō)明-2發(fā)射模型:0伏和1伏電勢(shì)邊界條件施加在特定的電極計(jì)算有限元與無(wú)限元域內(nèi)的聲壓接收模型:0伏電勢(shì)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(diǎn)將被限制為相同的電勢(shì))無(wú)限元水域中放置一個(gè)點(diǎn)聲源計(jì)算電極邊界處的電勢(shì)1Volt0Volt0radialdisplacement0axialdisplacement結(jié)構(gòu)與流體區(qū)域網(wǎng)格劃分遵循每彎曲波長(zhǎng)8個(gè)線性單元的規(guī)則0Volt0radialdisplacement0axialdisplacementELECTRODEBC模型說(shuō)明-3

壓電材料在前面的例子中，使用真實(shí)的壓電材料屬性壓電材料屬性的詳細(xì)描述見(jiàn)ActranManualPiezo&DielectricMatrixPIEZO_E{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{17.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{17.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{-6.50.0}{-6.50.0}{23.30.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}DIELECTRIC{1.0D-80.0}{1.5030}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{1.50300}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{1.300}ElasticMatrixELASTIC{1.0D+90.0}{1260.0}{79.50.0}{84.10.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{79.50.0}{126.0.0}{84.10.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{84.10.0}{84.10.0}{1170.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{23.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{23.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{0.00.0}{23.00.0}模型說(shuō)明–4

材料屬性后端質(zhì)量(SOLID):密度:7900kg/m3楊氏模量:2.1E11Pa泊松比:0.3支撐結(jié)構(gòu)(SOLID):密度:1200kg/m3楊氏模量:3E9Pa泊松比:0.4前段質(zhì)量(SOLID):密度:1800kg/m3楊氏模量:4E10Pa泊松比:0.32前段橡膠(不可壓縮SOLID):密度:1320kg/m3楊氏模量:3E6Pa泊松比:0.5油:聲速:1290m/s密度:900kg/m3CPandCV:1800J/kg?K海水聲速:1500m/s密度:1030kg/m3CPandCV:3850J/kg?K后處理場(chǎng)點(diǎn)=虛擬的傳聲器或虛擬的加速度計(jì):場(chǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)(結(jié)構(gòu)位移，聲壓,等)被寫(xiě)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)果有限元計(jì)算域內(nèi)的結(jié)果被寫(xiě)入*.op2文件(或.unv,.punch,.nod,等.)結(jié)果–發(fā)射模型聲壓實(shí)部云圖@45kHz45o遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)(dB,ref:1μPa)45kHz遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)指向性(dB,ref:1μPa)結(jié)果–接收模型聲壓實(shí)部云圖@45kHz0Volt0radialdisplacement0axialdisplacementELECTRODE4ELECTRODE2基于不同電極的頻響函數(shù),后續(xù)信號(hào)處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(shì)ACTRAN在水下的應(yīng)用—聲納解決方案ACTRAN可以模擬多種類(lèi)型的聲納的工作過(guò)程可以模擬聲納縫隙中空氣的熱粘性對(duì)聲納工作特性的影響可以模擬聲納中各個(gè)發(fā)射部件的相互作用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)果換能器基陣模擬水下聲散射模擬計(jì)算使用的激勵(lì)平面波、點(diǎn)聲源或壓電換能器激發(fā)的聲場(chǎng)圓柱障礙物的水下聲散射結(jié)論Actran可以計(jì)算真實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)，計(jì)算時(shí)間非常短，內(nèi)存需求也很少ActranVI支持多種后處理操作展望模型可以支持更多的真實(shí)電學(xué)激勵(lì)以及聲學(xué)激勵(lì)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(gè)模型里建立(2Dor3D模型)，研究以下特性：

換能器單元互輻射性能單個(gè)換能器輻射聲波對(duì)周?chē)鷵Q能器的影響拖曳式線列陣聲納聲學(xué)分析FFT—ACTRANModeldescription-1拖曳聲納的模擬CrosssectionwaterdomainTowedarraysonarPlasticskinthickness:5mmPlasticskinoilTubediameter:0.13mZoomtoarraytubecrosssection

ActransupportsarichelementlibrarywaterdomainTowedarraysonarL=4mPlanewaveh=1mColoredMap:realpartofacousticpressurePostProcessing-2Pressure(real)inwaterandoildomain@3000HzPressure(real)inwaterandoildomain@1960HzwateroilwateroilObservation:Athigherfrequency,thescatteringeffectofthetubeonsoundpropagationismoreremarkablePostProcessing-3Coloredmap:amplitudeofacousticpressurePressure(amplitude)inwaterandoildomain@3000HzPressure(amplitude)inwaterandoildomain@1960HzObservation:Atlowerfrequency,thesoundlevelreductionbytheplastictubeonsoundwavepassingthroughandenteringthetubeismoreremarkablewateroilwateroil拖曳式線列陣聲納流致噪聲影響分析FFT—ACTRAN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(shí)，由于拖纜和海水間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在拖纜護(hù)套的外表面附近存在海水介質(zhì)微團(tuán)的湍流脈動(dòng)，由此激發(fā)出水動(dòng)力噪聲，稱(chēng)之為流致噪聲。流致噪聲的強(qiáng)度是影響拖曳式聲納實(shí)際工作性能的重要因素：高速拖曳狀態(tài)時(shí)，流噪聲的強(qiáng)度有時(shí)遠(yuǎn)大于環(huán)境噪聲，目標(biāo)的質(zhì)點(diǎn)振速信息將被完全淹沒(méi)在流噪聲中。拖曳式聲納流噪聲機(jī)理當(dāng)拖纜在海水中拖曳時(shí)，海水和拖纜間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生流噪聲。按其機(jī)理，可分為兩種：一種是拖纜外表面處湍流邊界層中的脈動(dòng)壓力，主要由湍流的微尺度運(yùn)動(dòng)及表面的渦脫落產(chǎn)生。共有兩種作用模式：透過(guò)護(hù)套，傳遞到內(nèi)部流體；護(hù)套的耦合激勵(lì)．產(chǎn)生再輻射噪聲。另一種是由拖船尾流、渦流等不穩(wěn)定性所引起的拖纜和尾纜的振動(dòng)，這兩種振動(dòng)即使經(jīng)過(guò)隔震模塊衰減，仍可引起線陣的振動(dòng)，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(hù)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(jì)算僅考慮第一種機(jī)理產(chǎn)生的噪聲影響，第二種機(jī)理?；⒃部梢蕴峁┳稍?xún)服務(wù)！ACTRAN軟件模塊ACTRANVibro-AcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRANACTRANAero-Acoustics計(jì)算使用ACTRANVibro-Acoustics與Aero-Acoustics模塊研究對(duì)象拖曳聲納管道以水平方向拖動(dòng)，管道外是水，管內(nèi)是油，水聽(tīng)器放置在管道中；本次計(jì)算忽略水聽(tīng)器，僅求解外部湍流邊界層脈動(dòng)壓力作用于管壁以及管內(nèi)的聲場(chǎng)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(dòng)；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(wú)限長(zhǎng)管道外管徑0.066米壁厚0.002米分析步驟CFD–URANS/LES/DES非定常流場(chǎng)分布?jí)毫Γ俣?，密度，等…ACTRAN-iCFD根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果通過(guò)提取表面脈動(dòng)壓力

通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域結(jié)果變換到頻域ACTRAN

施加iCFD計(jì)算出的壁面脈動(dòng)壓力

計(jì)算聲場(chǎng)分布以及指定位置的聲學(xué)變量ACTRAN-VI計(jì)算數(shù)據(jù)后處理，聲場(chǎng)云圖及頻譜顯示FromCFDtoCAA...分析步驟詳細(xì)介紹

步驟1.Fluent非定常流場(chǎng)計(jì)算步驟2.ACTRAN/iCFD表面脈動(dòng)壓力的提取與時(shí)頻轉(zhuǎn)換步驟3.ACTRAN拖曳聲納流致噪聲影響計(jì)算步驟1-Fluent計(jì)算模型外部建立圓柱流場(chǎng)包裹管道，管長(zhǎng)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(jìn)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?jí)毫?大氣壓加水壓:0.1MPa+0.5MPaRrLX0=0XL=1步驟1-Fluent計(jì)算定常流動(dòng)模擬使用RANS定常流動(dòng)計(jì)算，建立流場(chǎng)。流場(chǎng)建立后轉(zhuǎn)非定常大渦模擬一般需要等流場(chǎng)穩(wěn)定后，才能得到可利用的數(shù)據(jù)；本次計(jì)算從演示的目的出發(fā)，從0.2026s時(shí)間步開(kāi)始保存數(shù)據(jù)，連續(xù)保存270個(gè)時(shí)間步結(jié)果。分析步驟

步驟1.Fluent非定常流場(chǎng)計(jì)算步驟2.ACTRAN/iCFD表面脈動(dòng)壓力提取與時(shí)頻轉(zhuǎn)換步驟3.ACTRAN拖曳聲納流致噪聲影響計(jì)算ACTRAN-iCFD提取流動(dòng)噪聲源NyquistTheorem

原始連續(xù)時(shí)間變量q(t)

離散采樣時(shí)間序列q(tk)

q(t)~q(tk)ifΔt<1/(2fmax) fmax=5000H