Actran在水声换能器领域的应用

1、Copyright Free Field TechnologiesFFT ACTRANACTRAN在水声换能器领域的应用2Copyright Free Field TechnologiesFree 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/Acous

2、tics ）:振动声学 (Actran/Vibro Acoustics, Actran for Nastran)流动声学 (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。3Copyright Free Field TechnologiesLocations4Copyright Free Field Technologies中国区客户 换能器 杭州715所，西安

3、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5Copyright Free Field Technologies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 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 MufflerDiffraction w/ flowPowertrain Radiation11Copyright Free Field TechnologiesACTRAN VibroAcoustics 振动声学仿真工具Actra

6、n/Acoustics + a standard structural solver结构与声学的求解完全耦合丰富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LoudspeakerSide window transmissionMuffler Radiation12Copyright Free Field TechnologiesACTRAN

7、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13Copyright Free Field TechnologiesACTRAN VI ACTRAN各模

8、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：将频谱曲线转换为声音文件Model creation and validationAdvanced post-processingFRF Display ToolCopyright Free Field TechnologiesActran 在船舶行业的应用Examples of shipbuilding Applications15Copyright Free Field Technolo

9、giesACTRAN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16Copyright Free Field Technologies换能器仿真分析 换能器模拟 拖曳声纳声学分析Copyright Free Field Technologies附加质量效应Application Review18Copyright Free Field Technolo

10、giesACTRAN 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流体网格结构网格19Copyright Free Field TechnologiesACTRAN 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

11、单元)可以施加不同类型的激励(结构或声学)20Copyright Free Field Technologies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21Copyright Free Field Technologies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) 模型尺寸: 1m * 1m 10cm 厚 铝板点力激励铝板模型声媒质（自由场）Automatic Actran coupling process in both direction:

12、 fluidstructure22Copyright Free Field Technologies 远场声压结果 48 Hz120.5 Hz86.5 Hz46.5 Hz13.5 Hz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1.结构的共振频率向低频移动2.出现水的共振频率Copyright Free Field TechnologiesTonpilz型换能器模拟24Copyright Free Field Technologies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25Copyright Fre

13、e Field Technologies介绍 物理问题为电/结构/流体的耦合问题（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)26Copyright Free Field Technologies建模步骤: OverviewActranVI 中创建Actran模型ANSA中划分网格声场, 云图频响函数Actran VI创建Actran模型计算与后处理: Actran VA &Actran VI2

14、7Copyright Free Field Technologies模型说明- 1二维轴对称模型换能器的构成: 后端质量, 压电材料, 前端质量, 前端橡胶，油，支撑结构. 前端橡胶外表面为水建立两个模型: 发射模型与接收模型零电压边界条件施加在压电陶瓷接触面;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TransducerOilHousingPZTCounter MassFront RubberHead MassTransducer BCs0 Volt0 radial displacement0 axial displ

15、acement ELECTRODE BC28Copyright Free Field Technologies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1 Volt0 Volt0 radial displacement0 axial displacement 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0 Volt0 radial displacement0 axial

16、displacement ELECTRODE BC29Copyright Free Field Technologies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 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

17、0.0 DIELECTRIC 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

18、 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 0.0 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

19、/m3 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/kgK31Copyright Free Field Technologies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

20、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, .punch, .nod, 等.)32Copyright Free Field Technologies结果 发射模型声压实部云图 45 kHz45o远场场点声压级 (dB, ref: 1 Pa)45 kHz远场声压级指向性(dB, ref: 1 Pa)33Copyright Free Field Technologies结果 接收模型声压实部云图 45 kHz0 Volt0 radial displacement0 axial displacement ELECTRODE 4ELECTRODE 2基于不同电极的频响函

21、数, 后续信号处理可以得到功率谱密度(PSD) 和互谱密度电极2与电极4的电势34Copyright Free Field TechnologiesACTRAN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35Copyright Free Field Technologies 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36Copyright Free Field Technologies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

22、发的声场 圆柱障碍物的水下声散射37Copyright Free Field Technologies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38Copyright Free Field Technologies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

23、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Copyright Free Field Technologies拖曳式线列阵声纳声学分析FFTACTRAN40Copyright Free Field TechnologiesModel description - 1 拖曳声纳的模拟 Cross sectionwater domainTowed array sonarPlastic skin thickness: 5 mmPlastic skinoilTube diameter: 0.13 mZoom to array tube cross se

24、ction Actran 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 1960Hzwateroilwater

25、oilObservation: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 doma

26、in 1960HzObservation: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拖曳式线列阵声纳流致噪声影响分析FFTACTRAN44Copyright Free Field Technologies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

27、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。45Copyright Free Field Technologies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

28、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！46Copyright Free Field TechnologiesACTRAN软件模块ACTRAN Vibro-AcousticsACTRAN TMACTRAN AcousticsACTRAN DGMACTRAN VIACTRAN for NASTRANACTRAN Aero-Aco

29、ustics计算使用ACTRAN Vibro-Acoustics与Aero-Acoustics模块47Copyright Free Field Technologies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：桐油密度933千克/米3，声速1450米/秒。拖曳速度7m/s无限长管道外管径0.066米壁厚0

30、.002米48Copyright Free Field Technologies分析步骤分析步骤CFD URANS/LES/DES非定常流场分布 压力，速度，密度，等ACTRAN - iCFD根据CFD计算结果通过提取表面脉动压力 通过傅里叶变换将时域结果变换到频域ACTRAN 施加iCFD计算出的壁面脉动压力 计算声场分布以及指定位置的声学变量ACTRAN - VI计算数据后处理，声场云图及频谱显示From CFD to CAA .49Copyright Free Field Technologies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

31、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50Copyright Free Field Technologies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。速度进口7m/s压力出口，表压为零速度边界7m/s水域50米水深，参考压力=大气压加水压:0.1MPa+0.5MPaRrLX0=0XL=151Copyright Free Field Technologies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

32、，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个时间步结果。52Copyright Free Field Technologies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53Copyright Free Field TechnologiesACTRAN -iCFD 提取流动噪声源提取流动噪声源 Nyquist TheoremNyquist 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 CFDCFD非定常流场采样非定常流场采样fmin = 1/(Nt) fmax = 1/(2t)f = fminN = 270, t = 0.0001s f= fmin = 37.037 Hz fmax = 5000 Hz54Copyright Free Field Technologies步骤2-表面压力 1000Hz表面压力55Copyright Free Field Technol