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[其他软件] Abaqus声学分析实例分享

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发表于 2018-11-8 15:34 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  1. 基本物理量
  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。

  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
1.png
  式中,Pe是测量声压,Pr是参考声压,Pr通常取2×10-5Pa,它是人耳对1kHz空气声所能感觉到的最低声音的声压。

  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
2.png

  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
3.png
  式中,基准声强I010-12W/m2为可听最小声强。

  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
4.png
  式中,基准声功率W010-12W。

  2. 实例模型说明
  我们用下面的模型来说明分析流程:
5.png

  3. 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:
6.png
  这里输入了空气的材料性能。在Abaqus中声速公式统一用下式来计算。
7.png
  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
8.png
  有K=rP,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
9.png
  固体中声速的计算公式为
10.png
  于是就有
11.png
  式中,σ 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
12.png
  式中,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。

  4. 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。

  5. 边界条件设定
13.png
  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。

  6. 载荷和声源
14.png
  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。

  7. 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:
15.png
  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50px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125px即波长的1/20时,计算结果的精度就比较理想了。

  8. 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。

  上文中例子的计算结果如下:
16.png

  9. 应用
  Abaqus具备了基本的声学有限元分析能力,可以求解如下问题:

    · 固体流体区域的声传播问题,考虑声吸收和声耗散。

    · 声固耦合问题,声固界面容易创建,固体计算较为专业。

  来源:有限元在线微信公众号(ID:FEAonline_CAE)

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发表于 2018-11-13 10:54 | 显示全部楼层
感谢分享!请问有没有组件的实例呀,谢谢!
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