Abaqus 声学分析.doc

Abaqus 声学分析Airmage1. 要点1) 基本物理量2) 实例模型说明3) 材料属性设定4) 求解类型设定5) 边界条件设定6) 载荷和声源7) 网格划分8) 结果后处理2. 基本物理量1) 声压设气体的初始压强为P0，受到声扰动后，压强为P0+P。则这个压强改变量就称为声压，单位为Pa，一般取其有效值。2) 声压级声压级（Sound Pressure Level）定义为声压得有效值与基准声压的有效值之比的常用对数20倍，（取分贝单位），即式中，Pe是测量声压，Pr是参考声压，Pr通常取210-5 Pa，它是人耳对1kHz空气声所能感觉到的最低声音的声压。3) 声强声强（Sound Intensity）是指在垂直于传播方向上单位面积上通过的平均声能量流，即4) 声强级声强级（Sound Intensity Level）定义为声强和参考声强之比的常用对数的10倍，即式中，基准声强I0取10-12 W/m2为可听最小声强。5) 声功率级声功率级（Sound Power Level）定义为声功率与基准声功率之比的常用对数的10倍，即式中，基准声功率W0取10-12 W。3. 实例模型说明我们用下面的模型来说明分析流程声源吸收边界其余壁面不做设定4. 材料属性设定Abaqus中模拟声音传播的材料需要的物性参数为两个，Density和Acoustic Medium，分别输入密度和体积模量（因为声波是纵波），如下图：这里输入了空气的材料性能。在Abaqus中声速公式统一用来计算，这本就是液体的声速公式。密度没什么问题，关键是体积模量k。对于气体中的声速，就有，P是压强，r为绝热系数，如该气体可认为是理想气体，则其绝热系数r就是定压比热容与定容比热容之比，即；固体中声速的计算公式为，于是就有，是泊松比。材料对声能的吸收可以用Volumetric Drag coefficient来描述，其表达式为，F是力，V是体积，v是速度。它可以使声强随距离以指数规律衰减，可以输入成一个随频率变化的参数。5. 求解类型设定在Abaqus中求解类型在Step中设定，Procedure type 选择 Linear perturbation，一般用 Steady-state dynamics, Direct 方法。Lower Frequency为求解的最低频率，Upper Frequency 为求解的最高频率，Number of Points 为求解的频率点个数，Bias控制这些点的分布规律。6. 边界条件设定 在Interaction中输入声场求解区域与外部空间的相互作用。缺省的外部边界条件为刚性壁面边界条件。首先要创建接触属性Acoustic impedance ，Impedance是声阻抗，Admittance是声导纳，它们互为倒数，都是复数值。如果将导纳设为0，则为刚性壁面属性，与不加任何边界条件效果相同。编辑Interaction中Nonreflecting为设置完全吸收边界条件的选项。7. 载荷和声源 声载荷Acoustic pressure也就是声压，在边界条件里添加，也是一个复数值。8. 网格划分首先要确保把单元种类选为声学单元如AC3D20，这里选用二次单元是经过一番比较的。使用不同单元类型与网格密度的结果（声压POR最大幅值）比较如下表：AC3D8AC3D202cm37.883cm31.4446.055cm19.0646.1510cm7.4747.45从表中可以看出，二次单元的结果比较稳定，而一次单元的结果受网格密度的影响非常大，网格越密越接近二次单元的结果，但即使用2cm的网格，仍有较大误差，因此实际工程计算中最好采用二次单元。本问题求解频率300Hz，也就是波长约1m，这样当单元尺寸为5cm即波长的1/20时，计算结果的精度就比较理想了。9. 结果后处理首先必须注意某些结果量只有幅值才有意义，比如声压POR，计算结果是一个复数值，缺省的输出是它的实部，没多大意义，应改成幅值输出。主要的输出量如下：POR，声压GRADP，声压梯度SPL，声压级文中例子的计算结果如下声压POR 声压梯度GRADP 声压级SPL10. 讨论Abaqus具备了基本的声学有限元分析能力，可以求解如下问题：l 求解固体流体区域的声传播问题，考虑声吸收和声耗散。l 可以求解声固耦合问题，声固界面容易创建，固体计算较为专业。但与其他声学分析软件相比，仍有如下不足之处：l 缺乏边界元BEM方法，任何计算区域都需要用有限单元填充，对于辐射范围较大的模型计算规模会十分庞大。l 缺乏多层介质描述