换能器声学模拟

1、FFT ACTRAN,ACTRAN在水声换能器领域的应用,Free Field Technologies,1998，由Jean-Pierre Coyette教授、Jean-Louis Migeot教授创立 总部在比利时布鲁塞尔，法国图卢兹、日本东京、美国底特律设有分部 1999-2001，雷诺, 标志, 菲亚特, 通用汽车, 空中客车, 壳牌石油, 德国Lloyd船级社等十一家大型企业，共同资助FFT开发ACTRAN软件 专业的声学仿真工具（ Actran/Acoustics ）: 振动声学 (Actran/Vibro Acoustics, Actran for Nastran) 流动声学 (

2、Actran/TM, Actran/DGM, Actran/Aero Acoustics) 前后处理器 (Actran/VI) 服务: 培训, 技术交流, 工程咨询, 特别开发 科研:FFT参加众多科研项目，从风机噪声、螺旋桨噪声、轮胎噪声、航空发动机噪声到高性能计算以及产品的声学设计等。,Locations,中国区客户,换能器 杭州715所，西安705所，山东科学院海洋仪器研究所 船舶 701、702、703、昆明705、707、719 高校 上海交大船舶学院 哈工程水声学院、船舶学院 西安交通大学 天津大学,海基声学部门,咨询项目 某型飞机典型结构、空调系统、机翼声学分析与优化 高速机车振

3、动、气动噪声分析 核工业管道共振腔气动噪声分析、声疲劳分析 汽车空调系统振动/气动噪声分析 高速电梯气动/振动声学一体化分析 培训与教学 声学课程 噪声分析培训 ACTRAN软件培训 请关注,Some Automotive Customers,Some Aerospace Customers,Some Other References,The ACTRAN software suite,ACTRAN Vibro-Acoustics,ACTRAN Aero-Acoustics,ACTRAN Acoustics,ACTRAN VI,ACTRAN for NASTRAN,ACTRAN Acousti

4、cs,声学仿真工具 声学有限元/无限元 声源: 点声源, 平面波, 管道模态, 结构振动 非均质流体(密度和温度梯度) 精确模拟管道声学问题的边界条件(解析解) 更多的功能: 传递矩阵法, 不匹配网格, 特殊单元类型 典型应用 管道中声传播, 障碍物衍射 振动结构辐射噪声 高性能求解器，并行技术,Exhaust Muffler,Diffraction w/ flow,Powertrain Radiation,ACTRAN VibroAcoustics,振动声学仿真工具 Actran/Acoustics + a standard structural solver 结构与声学的求解完全耦合 丰富

5、的有限单元与材料库: 声学有限元与无限元 粘弹性梁单元、壳单元与实体单元 复合材料单元、薄壳单元，允许考虑预应力作用 (*) 多孔与多孔弹性单元 压电材料单元，支持换能器、声纳与噪声主动控制模拟 (*) 真实的激励方式: 声学，运动学与动态激励 随机激励：湍流边界层、扩散声场、相关激励，得到平均值、标准偏差、包络等,Loudspeaker,Side window transmission,Muffler Radiation,ACTRAN AeroAcoustics,宽带流致噪声仿真工具 特性： 支持大多数的CFD软件，并经过大量实验验证； Lightill 声类比、Mhring 声类比； 在有

6、限元网格上可以定义边界条件： 任何边界条件都可使用 ! 这是与其他处理方法(如Curle, FWH or BEM)相比，最大的区别！ 可以与VibroAcoustics联合计算 客户：Daimler, BMW, VW, Delphi, Visteon, John Deere, Brothers, PSA.,风扇噪声,空调管道,与实验结果比较,ACTRAN VI,ACTRAN各模块的前后处理器 利用其他CAE工具创建的网格，建立ACTRAN分析模型 提供脚本化语言编辑功能 方便快捷的后处理功能 云图、频谱曲线、瀑布图、指向性曲线 自动计算全局量 从云图结果提取场点响应 Plt2audio：将频谱

7、曲线转换为声音文件,Model creation and validation,Advanced post-processing,FRF Display Tool,Actran 在船舶行业的应用,Examples of shipbuilding Applications,ACTRAN在船舶行业的应用,应用1：换能器仿真分析 应用2：水下航行体仿真分析 应用3：船舱窗结构隔声分析-瑞利边界元的应用 应用4：舰艇螺旋桨噪声仿真分析 应用5：拉法耶级护卫舰声学处理仿真分析 应用6：柴油发动机辐射噪声分析 应用7：潜艇整体声学分析 应用8：舱板声学分析 应用9：船用消声器分析,换能器仿真分析,换能器模

8、拟 拖曳声纳声学分析,附加质量效应,Application Review,ACTRAN 主要特性,声场媒质与结构有限元 可以考虑附加质量效应 声学无限元 计算远场声辐射 不匹配网格的映射 支持结构与流体使用不同类型的网格 多种激励方式与边界条件，可以与其他CAE工具联合分析 支持真实工况的条件,ACTRAN 模型说明,无限元模拟“自由场”辐射,海平面: 压强设为环境压强 (p=0),Actran建立一个模型，包括流体与结构. 可以考虑流体对结构的附加质量效应 结构与流体耦合,Actran 支持不匹配网格: 结构与流体网格可以使用不同的单元拓扑形式 (例如: 流体使用四面体单元, 结构使用六面体

9、单元),可以施加不同类型的激励(结构或声学),结果比较,水载荷: 相同频率的结果 (70Hz). 变形不同 水对结构的动态响应有非常重要的影响!,完全耦合模型,无流体模型,平板模型,目的: 评价流体附加质量效应对结构的影响 比较两个模型: 1, 流体是空气 2, 流体是水 (高密度流体),远场声压结果,平板模型计算结果对比,蓝线: 空气,绿线: 水,结论: 水作用于结构时 结构的共振频率向低频移动 出现水的共振频率,Tonpilz型换能器模拟,内容,介绍 建模步骤 模型说明 发射模型 接收模型 后处理与结果 发射模型的结果 接收模型的结果 计算性能 结论,介绍,物理问题为电/结构/流体的耦合问

10、题（海水，油，质量块，橡胶，压电材料等） 研究以下效应： 海水中的换能器在电势激励下的声学响应 水中声学激励，电极的电学响应 计算使用轴对称模型. 频率范围是100Hz45kHz，步长400Hz 各种后处理方法 (云图，频响函数，空间指向性),建模步骤: Overview,Actran VI创建Actran模型,计算与后处理: Actran VA 电极边界条件施加在所有的 压电陶瓷接触面上 (在电极节点上施加相同的电势); 位移边界条件施加在后端质量与前端橡胶边界处,模型说明- 2,发射模型: 0 伏和1伏电势边界条件施加在特定的电极 计算有限元与无限元域内的声压,接收模型: 0伏电势边界条件

11、施加在特定的电极 ELECTRODE边界条件施加在其余的电极上 (节点将被限制为相同的电势) 无限元水域中放置一个点声源 计算电极边界处的电势,结构与流体区域网格划分遵循每弯曲波长8个线性单元的规则,模型说明- 3压电材料,在前面的例子中，使用真实的压电材料属性 压电材料属性的详细描述见 Actran Manual,模型说明 4材料属性,后端质量(SOLID): 密度: 7900 kg/m3 杨氏模量: 2.1E11 Pa 泊松比: 0.3 支撑结构(SOLID): 密度: 1200 kg/m3 杨氏模量: 3E9 Pa 泊松比: 0.4 前段质量(SOLID): 密度: 1800 kg/m3

12、 杨氏模量: 4E10 Pa 泊松比: 0.32,前段橡胶(不可压缩SOLID): 密度: 1320 kg/m3 杨氏模量: 3E6 Pa 泊松比: 0.5 油: 声速: 1290 m/s 密度: 900 kg/m3 CP and CV: 1800 J/kgK 海水 声速: 1500 m/s 密度: 1030 kg/m3 CP and CV: 3850 J/kgK,后处理,场点= 虚拟的传声器或虚拟的加速度计: 场点数据 (结构位移，声压, 等) 被写入*.plt结果文件，基于*.plt文件，可以得到频响函数（FRF）和空间指向性结果 有限元计算域内的结果被写入*.op2文件 (或 .unv,

13、 .punch, .nod, 等.),结果 发射模型,结果 接收模型,基于不同电极的频响函数, 后续信号处理可以得到功率谱密度(PSD) 和互谱密度,ACTRAN在水下的应用声纳解决方案,ACTRAN可以模拟多种类型的声纳的工作过程 可以模拟声纳缝隙中空气的热粘性对声纳工作特性的影响 可以模拟声纳中各个发射部件的相互作用,自辐射阻抗与互辐射阻抗分析 自辐射阻抗 互辐射阻抗 辐射阻抗结果,换能器基阵模拟,水下声散射模拟,计算使用的激励 平面波、点声源或压电换能器激发的声场 圆柱障碍物的水下声散射,结论,Actran可以计算真实的电/结构/流体耦合的压电换能器模型 Actran模型可以使用任何网格

14、划分软件与Actran/VI建立。 使用标准的PC机，计算时间非常短，内存需求也很少 ActranVI支持多种后处理操作,展望,模型可以支持更多的真实电学激励以及声学激励方式 基于电学与力学输出，可以利用其他的数据处理手段（如 Matlab）分析换能器特性： 接收灵敏度; 电阻抗, 等. 换能器基阵可以在一个模型里建立 (2D or 3D 模型) ，研究以下特性： 换能器单元互辐射性能 单个换能器辐射声波对周围换能器的影响,拖曳式线列阵声纳声学分析,FFTACTRAN,Model description - 1,拖曳声纳的模拟,Cross section,Plastic skin thickn

15、ess: 5 mm,Tube diameter: 0.13 m,Zoom to array tube cross section ,Colored Map: real part of acoustic pressure,Post Processing - 2,water,oil,water,oil,Observation: At higher frequency, the scattering effect of the tube on sound propagation is more remarkable,Post Processing - 3,Colored map: amplitude

16、 of acoustic pressure,Observation: At lower frequency, the sound level reduction by the plastic tube on sound wave passing through and entering the tube is more remarkable,water,oil,water,oil,拖曳式线列阵声纳流致噪声影响分析,FFTACTRAN,研究背景,拖曳式线列阵声纳在水下反潜战中发挥着重要作用。 拖曳阵工作时，由于拖缆和海水间的相对运动，在拖缆护套的外表面附近存在海水介质微团的湍流脉动，由此激发出水

17、动力噪声，称之为流致噪声。 流致噪声的强度是影响拖曳式声纳实际工作性能的重要因素： 高速拖曳状态时，流噪声的强度有时远大于环境噪声，目标的质点振速信息将被完全淹没在流噪声中。,拖曳式声纳流噪声机理,当拖缆在海水中拖曳时，海水和拖缆间的相对运动会产生流噪声。按其机理，可分为两种： 一种是拖缆外表面处湍流边界层中的脉动压力，主要由湍流的微尺度运动及表面的涡脱落产生。共有两种作用模式： 透过护套，传递到内部流体； 护套的耦合激励产生再辐射噪声。 另一种是由拖船尾流、涡流等不稳定性所引起的拖缆和尾缆的振动，这两种振动即使经过隔震模块衰减，仍可引起线阵的振动，并由此可产生三种传播形式的波： 在液体介质中

18、传播的纵波； 在护套壳内传播的剪切波； 结构共振模态产生的再辐射声波。 本次计算仅考虑第一种机理产生的噪声影响，第二种机理海基盛元也可以提供咨询服务！,ACTRAN软件模块,计算使用ACTRAN Vibro-Acoustics与Aero-Acoustics模块,研究对象,拖曳声纳管道以水平方向拖动，管道外是水，管内是油，水听器放置在管道中； 本次计算忽略水听器，仅求解外部湍流边界层脉动压力作用于管壁以及管内的声场分布； 管道直径0.066米，壁厚0.002米，以7米/秒的速度沿轴向拖动； 管壁材料参数：杨氏模量5.35E10帕，阻尼0.1，泊松比0.35，密度1180千克/米3； 管内流体：桐

19、油密度933千克/米3，声速1450米/秒。,分析步骤,分析步骤详细介绍,步骤1. Fluent非定常流场计算 步骤2. ACTRAN/iCFD表面脉动压力的提取与时频转换 步骤3. ACTRAN拖曳声纳流致噪声影响计算,步骤1-Fluent计算模型,外部建立圆柱流场包裹管道，管长L=1米，管道半径r=0.033米，流体圆柱体半径R=0.2米。,X0=0,XL=1,步骤1-Fluent计算,定常流动模拟 使用RANS定常流动计算，建立流场。 流场建立后转非定常大涡模拟 一般需要等流场稳定后，才能得到可利用的数据； 本次计算从演示的目的出发，从0.2026s时间步开始保存数据，连续保存270个时

20、间步结果。,分析步骤,步骤1. Fluent非定常流场计算 步骤2. ACTRAN/iCFD表面脉动压力提取与时频转换 步骤3. ACTRAN拖曳声纳流致噪声影响计算,ACTRAN -iCFD 提取流动噪声源,Nyquist Theorem 原始连续时间变量q(t) 离散采样时间序列q(tk) q(t)q(tk) if t1/(2fmax) fmax = 5000Hz t0.0001s,CFD非定常流场采样 fmin = 1/(Nt) fmax = 1/(2t) f = fmin N = 270, t = 0.0001s f= fmin = 37.037 Hz fmax = 5000 Hz,步骤2-表面压力,1000Hz表面压力,步骤2-表面压力,200