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1、第五章 声学5.1什么是声学？声学研究声压波在流体介质中的产生、传播、吸收和反射。声学有如下的应用：声纳声学上雷达的对应物设计音乐厅，希望声压均匀分布。减小机器厂房内的噪音汽车中的噪声消除水下声学设计扬声器、音箱、声滤、消音器及其他类似装置。地球物理探测5.1.1声场分析的类型只有在ANSYS/Multiphysics 和 ANSYS/Mechanical中能进行声场分析，通常包括对流体介质及其周围结构的建模。典型感兴趣的是不同频率的声波在流体中的压力分布、压力梯度、粒子速度、声压级及声波的散射、衍射、传输、辐射、衰减和散射。耦合的声场分析将考虑流体-结构的相互作用。非耦合的声场分析模型只考虑
2、流体而忽略任何流体-结构的相互作用。ANSYS程序假定流体是可压的，但只允许压力与平均压力相比有较小的变化。而且，流体假定为非流动并且无粘的（即粘性不引起耗散作用）。假定平均密度和平均压力不变，压力求解偏离平均压力而不是绝对压力。5.2求解声学问题通过执行一个谐波响应分析可以解决许多声学问题。分析计算流体-结构界面上的谐波载荷（正弦变化）引起流体中的压力分布。通过指定载荷的频率范围，可以观察到在不同的频率时压力的分布。可以执行模态和瞬态的声学分析。（参见ANSYS Structural Analysis Guide中关于这种分析更详细的叙述。）谐波声场分析的过程包括以下三个主要步骤：建立模型。
3、施加边界条件和载荷并获得求解。查看结果。5.3建立模型在此步骤中，用户指定工作名称和分析标题，然后用PREP7前处理器定义单元类型，单元实常数，材料属性和模型几何尺寸。这些任务与多数分析相同，在ANSYS Basic Analysis Guide中有叙述。5.3.1谐波声场分析准则对一个谐波声场分析，考虑以下几点：单元类型ANSYS声场分析指定了四种单元类型：对二维和三维模型的流体部分分别使用Fluid29和Fluid30单元，Fluid129和Fluid130与FLUID29和FLUID30单元一起使用，用来构造包围Fluid29和Fluid30单元的无限外壳。利用这些单元类型可以构造流体部
4、分的模型，然后利用相应的结构单元（PLANE42、SOLID45等）构造固体模型。只有Fluid29和Fluid30单元才能与结构单元相接触（在结构的内部或外部）；Fluid129和Fluid130单元只能与Fluid29和Fluid30单元相接触，而不能直接与结构单元接触。5.3.1.1 FLUID29与FLUID30单元对与固体相接触的声单元，要确保使用KEYOPT(2)=0，缺省的设置允许流体-结构的相互作用。UX，UY，UZ和PRES作为自由度引起单元矩阵的不对称。对所有其它的声单元，设置KEYOPT（2）=1，致使带有PRES自由度的单元矩阵的对称。（见图5-1）对称矩阵需要的内存和
5、计算时间更少，因此只要可能就应该使用它。关于流体-结构的相互作用的详细信息参见ANSYS, Inc. Theory Reference。图5-1二维声模型的例子（流体在结构的内部）5.3.1.2 FLUID129和FLUID130单元对无限的吸收压力波的声单元，模拟在FLUID29和FLUID30单元之外无限延伸域的输出效果。FLUID129和FLUID130单元提供了第二级的吸收边界条件，所以输出的压力波到达模型的边界以最小的反射吸收到流体域内。FLIUD129单元用来建立二维流体区域的边界和诸如线单元。FLIUD130单元用来建立三维流体区域的边界和诸如平面表面单元。材料属性声单元需要密度
6、（DENS）和声速（SONC）作为材料属性（FLUID129和FLUID130只需要SONC）。如果在流体-结构界面存在声的吸收，利用标记MU来指定边界导纳（吸收系数）。值通常由实验来测定。对结构单元，指定杨氏模量（EX）、密度（DENS）和泊松比（PRXY或NUXY）。实常数当用FLUID129和FLUID130单元时，里面的有限元网格边界必须是圆形的（二维及轴对称）或球形的（三维），而且圆形或球形边界的有限区域的半径必须指定为实常的RAD。（见图5-2）圆或球的中心也必须用实常数指定：R,3,RAD,X0,Y0!REAL set 3 for FLUID129R,3,RAD,X0,Y0,Z0
7、!REAL set 3 for FLUID130如果二维轴对称情况圆的中心坐标（X0，Y0）或三维情况球的中心坐标（X0，Y0，Z0）不是通过实常数指定的，ANSYS假定中心为总体坐标系的原点。图5-2应用吸收单元的例子图5-3浸在水中的圆筒5.4对模型进行网格划分下面为使用二维无限的声单元进行网格划分的典型程序。对三维单元的程序与此相同。如果还有结构部分，结构单元必须与FLUID29单元相邻，而不要与无限流体单元（FLUID129）相邻。这个过程自动在有限区域的边界加入FLUID129单元。这里环形结构用PLANE42结构单元进行网格划分。与PLANE42单元接触的流体单元层用带有UX和UY
8、自由度的FLUID29单元划分网格同时打开流体-结构接触面。流体的外层用没有UX和UY自由度的FLUID29单元建模。在X0=Y0=0处放置FLUID129单元的半径为0.31242（参见5.4.2节）。可用下列方法定义FLUID129单元：命令：ESURFGUI: Main MenuPreprocessorCreateElementsInf Acoustic5.4.1步骤一：内部流体区域的网格划分用FLUID29单元对圆形或球形边界（PLANE42）所包围的内部流体区域划分网格。图5-4 对流体区域划分网格5.4.2步骤二：生成无限的声单元按以下步骤：1选择圆形或球形边界上的节点：命令：NS
9、ELGUI: Utility MenuSelectEntities2指定FLUID129单元作为与FLUID29单元相联系的无限流体单元。命令：TYPE, REALGUI: Main MenuPreprocessorAttributesDefault AttribsMain MenuPreprocessorReal Constants无限单元对低频及高频激励都执行得很好。数值实验已确定吸收单元远离结构或振动源区域以外大约0.2放置能产生准确的结果。这里=c/f压力波的主波长。c是流体中的声速（SONC），f是压力波的主频。例如，对浸没在水中的圆盘或球壳的直径D，封闭边界的半径RAD至少应为D/
10、2+0.2。而且，对一般的声分析，网格必须足够的细致以能分辨最小的主频。3在边界生成吸收单元（FLUID129）。命令：ESURFGUI: Main MenuPreprocessorCreateElementsInf Acoustic图5-5 在边界加入吸收单元5.4.3步骤三：指定流体-结构接触面指定流体-结构接触面：1选择界面上的所有节点。命令：NSELGUI: Utility MenuSelect Entities2选择附属于这些节点上的流体单元。命令：ESELGUI: Utility MenuSelectEntities3指定所选择的节点作为流体-结构接触面上的节点。命令：SFGUI:
11、 Main MenuPreprocessorLoadsApplyFluid-StructOn Nodes注意在对分析进行求解前确保重选所有的节点。图5-6 指定流体-结构界面5.5施加载荷并获得求解在这个步骤里，用户定义分析类型和选项，施加载荷，指定载荷步选项，并开始有限元求解。下面几节解释如何做这些工作。5.5.1步骤一：进入SOLUTION求解器通过选择GUI途径Main MenuSolution或执行/SOLU命令进入SOLUTION求解器。5.5.2步骤二：定义分析类型利用GUI途径或命令集，定义分析类型和分析选项。用下列方法定义分析类型：命令：ANTYPE,HARMICGUI: Ma
12、in MenuSolutionNew Analysis必须选择新的分析NEW Analysis因为重启动对谐波响应分析无效。如果需要施加另外的谐波载荷，每次作一个新的分析（或用ANSYS Basic Analysis Guide中叙述的“部分求解”程序）。5.5.3步骤三：定义分析选项用下列方法指定求解方法：命令：HROPTGUI: Main MenuSolutionAnalysis Options尽管全量、减缩或模态叠加方法都是可选的方法，选择全量方法因为它自己就可以处理非对称矩阵。用下列方法定义求解列表格式：命令：HROUTGUI: Main MenuSolutionAnalysis Op
13、tions这个选项决定ANSYS如何在打印输出（Jobname.OUT）中对谐波自由度结果进行列表。用下列方法指定方程求解器：命令：EQSLVGUI: Main MenuSolutionAnalysis Options可以选择波前求解器（缺省），Jocobi共轭梯度（JCG）求解器，或不完全的Cholesky共轭梯度（ICCG）求解器。对大多数模型推荐使用JCG求解器。5.5.4步骤四：在模型上施加载荷由谐波分析的定义可知，假定任何施加的载荷随时间是简谐（正弦）变化的。在声学分析中完整地指定一个谐波载荷，通常需要两条信息：强迫力的频率和振幅。振幅是载荷的最大值，如表5-2所示用命令指定振幅。强
14、迫力的频率是谐波载荷的频率（循环/时间）。可用HARFRQ命令或GUI途径Main Menu SolutionTime/FrequencFreq & Substeps在随后的载荷步中指定它。参见5.5.5节步骤5。表5-1列出了所有对谐波声分析可用的载荷及定义、列表和删除它们的命令。除了惯性载荷，用户既可以在实体模型（关键点、线和面）上也可以在有限元模型（节点和单元）上定义载荷。对实体模型载荷与有限元载荷综合的讨论参见ANSYS基本分析程序指南中加载与求解的有关章节。表5-1声学分析中可用的载荷载荷类型种类命令族菜单途径位移 (UX,UY,UZ), 压力 (PRES)约束DMain MenuP
15、reprocessor-Loads-ApplyDisplacement or PotentialMain MenuSolutionApplyDisplacement or Potential力(FX,FX,FZ), 力矩 (MX,MY,MZ),流体载荷力FMain MenuPreprocessor-Loads-ApplyForce/MomentMain MenuSolution-Loads-ApplyForce/Moment压力 (PRES)阻抗 (IMPD)流体-结构相互作用标记(FSI)表面载荷SFMain MenuPreprocessor-Loads-Applyload typeMain MenuSolutionApplyload type重力旋转等惯性载荷ACEL, OMEGA, DOMEGA, CGLOC, CGOMEGA, DCGOM, IRLFMain MenuPreprocessor-Loads-Applyload
