案例41-粘热谐振器的声学分析

该示例问题使用声学单元和粘热损失（比较边界层阻抗[BLI]模型和低频率[LRF]模型）来分析带有四分之一波长谐振器的吸音装饰板。

重点介绍了以下特性和功能：

• 三维声学单元

• 法向表面速度

• 边界层阻抗（BLI）模型

• 低频率（LRF）模型

• 端口定义

• 吸收系数后处理

介绍

开发最小化噪声的系统是一个持续的过程，因为噪声是一个可能快速且不利地影响舒适性的因素。例如，在飞机机舱中，机身周围的湍流边界层是中高频范围（500-2000Hz）噪声的主要来源。为了降低机舱内的声压级，一种有效的解决方案是由不同直径和长度的管组成的四分之一波谐振器面板。共振板的吸收能力是四分之一波现象和粘热损失综合作用的结果。

这里提出的问题计算了示例谐振器面板的吸收系数。

问题描述

为了减少飞机机舱内的噪声，可以将粘热四分之一波谐振器面板放置在机舱内。谐振管的长度和直径经过优化，以使感兴趣的频率范围内的声音吸收最大化。因此，本文描述的谐振器模型使用阻抗管方法进行了实验和数值测试。

下图显示了本仿真中使用的谐振器模型的几何结构：

该图显示了由不同直径和长度的管组成的谐振器，从而优化了所有频率的吸收：

每个管的半径和长度由以下值定义：

建模

结构的三维模型在ANSYS DesignModeler中创建，并用FLUID220和FLUID221三维声学单元进行网格划分，压力作为唯一的自由度（KEYOPT（2）=1）。

在阻抗管入口施加法向速度和无反射辐射边界，模拟扬声器实验产生的声音。

边界层阻抗（BLI）和低频率（LRF）模型相继应用于谐振管，以分析粘性和热效应。

所选择的单元尺寸确保对于感兴趣的最高频率，每个波长至少有六个单元。

所有实体都被分组在一个单独的部分中，用于实体接口处的节点连接。

材料属性

用于所有主体的材料特性如下：

以下输入定义了材料属性：

边界条件和加载

由于模型仅使用声学单元，因此仅应用声学边界条件和载荷。

法线表面速度应用于外部。透明端口和辐射边界也应用于同一面：

用于计算吸收系数的另一个端口定义在管道末端：

有两种模型可用于模拟窄管中的粘热损失：

• 在管面上定义了边界层阻抗（BLI）模型，以说明粘热效应：

• 通过TB，AFDM，，，CIRC材料模型为每根管子定义了一个低频率（LRF）模型：

通常，LRF模型适用于截止频率以下的层和管，BLI模型适用于与粘热边界层厚度相比较大的几何结构。

分析和求解控制

以10 Hz的增量从1000 Hz到2000 Hz进行全谐波分析。声载荷是阶跃施加的（即，在频率范围内具有恒定的单位速度值）。

以下输入设置了分析：

本分析使用稀疏求解器。

结果和讨论

减音器的性能取决于它吸收的声能。一个完美的谐振器在频率范围内具有1的恒定吸收系数，这意味着进入系统的所有噪声都被吸收。

在后处理（PLAS，ALPHA）中绘制系统的吸收系数。

为了分析吸收系数，比较了边界层阻抗（BLI）和低频率（LRF）模型，如下图所示：

两种模型都给出了接近的结果。

结果表明（除了1000Hz的较低的初始吸收），该谐振器是有效的，因为在频率范围内吸收系数接近1。

建议

要进行涉及声学粘热模型的类似分析，请考虑以下建议：

• 通过调整网格单元大小以适应分析的频率范围，确保每个波长至少有六个单元用于感兴趣的最高频率。

• 选择一种可用的粘热模型：低降低频率（LRF）模型适用于截止频率以下的层和管，边界层阻抗（BLI）模型应用于与粘热边界层厚度相比较大的几何结构。

• 发出PLAS，ALPHA命令，对系统的吸收系数进行后处理。

参考文献

Hannink, M. H. C., Wijnant, Y. H., de Boer, A. (2004). Optimised sound absorbing trim panels for the reduction of aircraft cabin noise. 11th International Congress on Sound and Vibration, St. Petersburg, Russia