目前,国内外在阻尼声学材料设计方法研究方面,主要通过解析法和模拟计算法,但是,对于阻尼声学材料设计无法用解析解的形式予以精确求解,模拟计算法就成为解决这类工程问题的主要方法,利用数值分析技术来研究材料参数、声腔结构与声学性能之间的关系。本文采用LMS.Virtual lab-acoustic声学仿真软件,可以运用有限元方法和边界元方法进行声学建模和声振建模,可以计算流体介质中和流体-结构耦合作用下的声波行为,可计算声压、声强及声功率等,在软件中可以完成从几何建模到有限元前处理,从有限元前处理到振动,从振动到声学,从声学到优化的多功能数值仿真计算。LMS.Virtual lab-acoustic也可用于各类阻尼声学材料及制品的材料参数设计和声学性能预测,可提升结构设计水平和效率,对材料配方设计和制品结构设计都具有重要的指导意义。
本文采用LMS.Virtual.lab-acoustic对典型阻尼声学材料以及典型声性能测试环境—声管进行了模拟建模,参照的声管测试系统框图如图1所示,探讨了Virtual lab-acoustics在阻尼声学材料设计中的应用。
图1 声管测试模型示意图
1 阻尼声学材料建模的基本步骤
采用Virtual lab-acoustic建模之前,需要考虑三方面的问题。首先要考虑的是所模拟的声场是内声场还是外声场,内声场通常是指在一个封闭的流体空间,周围被固体所包围,振动向封闭的流体空间中辐射声音,例如封闭的汽车内的空气就构成一个内声场;外声场是指一个封闭的结构外侧的流体空间,这个空间是从结构外表面到无限远处,是一个无限大的空间,例如汽车表面以外的声场就是一个外声场。第二是根据声场来判断是采用声学有限元还是声学边界元,声学有限元通常用于计算封闭空间的声场,声学边界元内外声场都可以计算。根据声管测试系统原理,本文所模拟的声场为一内声场,采用声学有限元的方法来模拟。在确定了声场后,第三是要判断所模拟声学问题是耦合还是非耦合,这里的耦合主要指的是声振耦合,在大多数情况下,声场和结构之间的耦合关系可以忽略,例如汽车发动机,发动机和空气之间的耦合作用就很小,并不影响声场的计算精度,但在一些情况下,必须考虑耦合关系,否则计算出的结果将不准确。阻尼声学材料在声管环境中的模拟需要考虑声场(水—外部声场,空气—内部声场)和声学结构之间的相互作用,由于声学结构的刚度比较小,结构与声场的相互作用比较大,因此是一个耦合问题。最终,我们确定对阻尼声学材料声管模拟采用耦合声学有限元法来模拟。具体的建模步骤如图2所示。
图2 建模步骤
2 有限元网格
针对所要模拟的声管测试环境和声学结构在有限元软件MSC-PATRAN中分别划分有限元网格,声管直径为56mm、5m长。将有限元网格导入到Virtual lab-Acoustic中,如图3~5所示。要注意的是,初次导入的网格,需要定义网格的类型。网格类型通常有结构(structural)网格、声学(acoustical)网格、场点(field point)网格。这里我们定义尖劈中的空腔和声管中的水环境网格为声学网格,定义尖劈和声管网格为结构网格。定义的场点网格如图4所示。场点声压设置自由度为S。场点网格不影响计算,只是用于查看计算结果,场点网格上的每个点相当于一个声压传感器(水听器),场点定义在哪里,就是计算哪里的声场结果。边界条件的定义需要在包络网格——acoustic envelope上进行,包络网格为面网格,首先在水环境网格表面生成包络网格,通过包络网格与结构网格耦合起来,在包络网格上定义振动边界条件和吸声属性,生成的包络网格如图4所示。
图3 声学结构和声管网格