自主CAE | PERA SIM声学解决方案综述

0 引 言

声音是由物体振动产生，并需要通过介质传播，最终被接受者所接收。

声学是研究声音的科学，只有探明声音的产生原因、传播特性，工程中才能有效避免或利用声音中的能量，获取并识别声音中携带的信息。

1. PERA SIM声学解决方案介绍

1.1声学全频段解决方案

PERA SIM通用仿真软件是安世亚太自主研发的核心产品，包含了结构、流体、电磁、声学、高级前后处理器等不同的模块单元。基于PERA SIM进行声学研究，首先，PERA SIM Mechanical结构仿真、PERA SIM Fluid流体仿真、以及PERA SIM LEmag电磁仿真，提供了面向工业用户各类产品声音产生的仿真评估能力，例如：模态刚度分析、湍流模拟、电磁力计算等。其次，PERA SIM AcousticBEM和PERA SIM ProNas分别采用声学边界元、能量有限元方法实现声学响应预测，与传统的声学数值计算方法相比，创新性地提出针对不同的频率分析范围，可以基于同一套模型实现全频段的快速预测，解决不同产品在声学传播特性方面的分析需求。最后，整个平台各模块之间耦合、多物理场协同仿真，实现声源确定、传递路径分析、接收响应完整的声学评估能力。

1.2声学快速边界元

PERA SIM AcousticBEM快速边界元模块，基于声学边界元方法（BEM）并通过快速多级子（FMM）、自适应交叉近似（ACA）等快速算法加速求解，与传统的边界元方法相比，计算效率获得了若干数量级的提高，适用于中低频较宽范围的声学问题，避免了中频算法计算低频问题的数值不稳定，也解决了低频方法计算中频问题时误差大求解效率低的问题。在大规模、全空间域、半空间域等的重大工程声学问题分析中显示出超强的计算能力。

1.3能量有限元分析

统计能量法（SEA）一直以来被认为是解决结构中、高频振动噪声的有效方法。但在中频段，分析模型面临模态密度不足的问题；而在高频段结果取决于模态分析的精度，无法考虑每个子系统内能量密度的变化；并且，该方法阻尼需是均匀的，内损耗因子和耦合损耗因子也一直没有系统成熟的理论。因此，在解决中高频振动噪声问题，统计能量分析的发挥受到极大限制。

能量有限元（EFEA）是基于波动理论的功率流方法，对结构模态密度没有要求，分析频段可以扩展到中、高频段；且能量控制方程是二阶偏微分方程，可以利用现有的有限元方法进行数值模拟。

PERA SIM ProNas能量有限元模块，采用能量有限元和统计能量混合算法（EFEA-SEA技术），求解方程形式上和统计能量法极为相近，基于有限元模型解决中高频振动噪声问题，避免了冗长的子系统建模和模态密度反复判断的过程，大大节省工程设计人员的建模时间。同时，基于完全Biot理论，可以研究声学包性能，解决结构噪声失真度大的问题，使工程人员在设计初期能够有效地进行工程预测和优化。

2.PERA SIM声学解决案例介绍

2.1 潜艇散射声场计算

潜艇是在水下的隐蔽性作战平台，隐身无疑是非常重要的一个性能指标，隐身性能好代表着难以被敌军侦察到，可以更好的完成作战任务，保护全艇人员的安全，目前探测潜艇最有效的技术还是声呐。本案例用一个平面波模拟声纳发出的声波，完成在水下声场中，潜艇对水下入射声场的影响。并将计算结果与专业的商用声学分析软件对比，验证了国产自主PERA SIM的高精度计算。

使用软件：PERA SIM AcousticBEM

图1 潜艇散射声场计算结果对比（100Hz）

2.2 主轴电机辐射声场计算

随着数控机床产业的发展和人们环保理念的提高，机床运行过程中的噪声污染越来越受到重视，目前，噪声已成为检验机床产品合格与否的重要指标之一。主轴电机是机床主要噪声源，它一侧安装于机床内，另一侧与加工工件接触，工作时在安装点及与工件的接触点，会受到反作用力而引发壳体振动产生噪声。本案例分析机床在稳定运行工况下，电机受力在壳体表面产生的振动速度作为声源激励，求解电机壳体振动后的辐射声场。

使用软件：PERA SIM AcousticBEM

声辐射分析模型：电机声学表面和球形声场面

图2 电机声辐射分析模型示意图

图3 电机声学表面、声场面声压级云图对比

图4 声场面的最大声压级、远场的声功率级结果对比

2.3 汽车舱内声场及声板贡献量计算

在汽车NVH分析中，声固耦合分析应用较多，如噪声传递函数NTF和路噪计算。车内噪声是由于声腔耦合面上某些面板的振动产生（如前顶横梁、顶棚、地板、前围板、备胎池等），所以解决噪声峰值就必须找到对应频率下各面板部件的振动贡献量，进而完成相应的分析、优化。本案例中，将车内声场的声学面网格分成不同的单元组，并按组定义为不同声板面，计算每个板块引起的声压量，并统计出各声板面对总声压正负贡献的大小，这种思路是汽车NVH设计中确定声源很常用的一种方法。

使用软件：PERA SIM AcousticBEM

车舱声腔分析模型，确定顶棚、地板、前后挡风玻璃、左右车门共6个声板面，及舱内3处场点：

图5 车舱声腔模型

图6 场点声压大小比较

图7 各声板贡献量结果显示

2.4汽车前围板声学性能计算

汽车前围板是分隔发动机舱和车厢的重要部件，它通常包含机舱与车厢之间的板，以及板内外面上安装的声学包隔热材料。前围板隔声性能的好坏在很大程度上决定了驾驶员、乘客受发动机等噪声干扰的程度。采用合理有效的方法准确预测其隔声量及找出主要薄弱部位，是进一步分析、评价、改进其隔声性能的前提，对改善汽车声学性能具有重要意义。

使用软件：PERA SIM ProNas

图8 声学包结构吸隔声性能预测

图9 汽车前围板声学性能预测

2.5客箱船降噪设计

本案例采用ProNas能量有限元法（EFEA-SEA技术），继承了统计能量法的一些概念，克服了统计能量法的不足，可以用于强耦合和非保守的系统；摒弃了模态密度的概念，基于离散的单元比统计能量法中的子系统更为灵活，对实际结构的几何特性和阻尼特征也可以进行充分表述，能对结构的局部响应进行预测。因此，能量有限元方法对大型复杂结构的中高频振动及噪声分析有着现实意义。

使用软件：PERA SIM ProNas

图10 整船能量有限元模型及结构载荷、噪声载荷模型

图11 结构速度响应云图、声腔响应云图

表1 个别舱室仿真-测试结果对比

2.6整流罩振动噪声分析

卫星整流罩是运载火箭的重要组成部分，当运载火箭在大气中飞行时，可用于保护卫星及其它有效载荷，防止卫星受气动力，气动加热及声振等有害环境的影响；对于整流罩结构来说，外部噪声（尤其是中高频噪声）对结构及内部有效载荷的影响很大。本案例对某整流罩结构进行振动环境的预示，采用能量有限元分析的方法，建立了能量有限元模型，获得了整流罩结构上能量传递云图，以及上、下腔室内的声压级响应结果。

使用软件：PERA SIM ProNas

图12 火箭整流罩模型

图13 整流罩分析结果‍

3.结论

PERA SIM声学解决方案，可以在统一平台下，彻底解决用户对声学问题在全频范围内的分析需求。通过上述各行业典型应用案例的分析对比表明，无论是解决耦合还是非耦合问题，PERA SIM声学模块都能实现准确的仿真预测。最后，如果读者想要进一步了解我们产品，请与安世亚太技术人员联系。