用于声学仿真的LMS Virtual. Lab Acoustics

LMS Virtual. Lab Acoustics通过对内部和外部声辐射进行仿真,最大限度减少设计中的噪声并优化声品质。通过LMS Virtual. Lab Acoustics进行声学仿真可以帮助您在短时间内完成声学网格划分和模型修改,在一天内完成声学响应分析。您将能够在设计阶段早期做出正确的决策,系统性地改善和优化产品的声学性能。

通过将LMS Sysnoise技术融合到LMS Virtual. Lab Acoustics中,我们利用虚拟模型创建了全球首个重头至尾的声学性能工程设计环境。LMS Virtual. Lab Acoustics声学仿真解决方案既能够覆盖常规应用,例如结构噪声辐射和空腔声场仿真,也可以提供针对专业声学工程问题的专业解决方案,包括发动机升速、流体噪声和随机声学载荷

一 LMS Virtual. Lab Acoustics仿真功能介绍

1.1 声学有限元

使用有限元方法(FEM)可以在LMS Virtual. Lab Acoustics中预测耦合与非耦合振动声学模型的噪声和声音特性。LMS Virtual. Lab Finite Element Acoustics提供了一种高级声学分析方法,可用于预测和改进各种系统的噪声和声音性能。使用有限元方法 (FEM),您可以对传播区域进行建模。通过此模块,您可以对声学区域进行详细的建模(例如考虑温度梯度导致的流体密度变化,或模型中含有多个流体属性)。

声学有限元是解决封闭问题的首选方法,它会明确限定要划分网格的区域。此外,声学有限元包含许多高级技术,能让您创建一个简化的有限元网格,以便有效执行辐射声学仿真,而不必对整个传播区域进行建模,例如:

完美匹配层方法(PML)

自动完美匹配层方法(AML),一种完全自动的PML方法

FEM能够处理完全耦合的振动声学仿真,充分考虑结构和流体之间的相互作用。当结构接触重流体(例如潜艇)时,或在内场声学中空腔模态与结构存在相互作用时,轻型结构(例如扬声器振膜)中经常出现结构声学耦合现象。

您可以利用有限元声学,在时域和频域执行声学仿真。当您需要考虑涡轮机中的温度场和流体效应,或消音器中的吸声材料时,使用 FEM也是非常合适的选择。

有限元声学采用自适应阶次有限元技术(FEMAO)。通过该技术,您可以在整个频率范围内使用一个网格,减少所需的单元数量,从而将有限元方法 计算速度提升一个数量级。

此外,也可以使用高级有限元解算器,比如直接 MUMPS 解算器和迭代Krylov解算器,它们均可大幅提升计算速度。

声学有限元可为您提供以下功能:

用于解决辐射噪声问题的完美匹配层(PML)和自动完美匹配层技术(AML)

自适应阶次声学有限元

完备的振动声学耦合

二维曲线与三维云图查看:SPL(声压级)、ISO 3744声功率、RMS(均方根)、dB加权、(1/3)倍频程、TL(传递损失)

直接MUMPS求解器、迭代Krylov求解器、并行计算(实现最佳解算器速度)

温度场、体积耗散、流动效应

声学有限元可以帮助您:

考虑多种材料属性

执行快速计算

考虑温度场、流动效应等因素,快速找出噪声问题的根源

准确地预测声学性能,并将设计风险降到最低

1.2 声学边界元

LMS Virtual. Lab Boundary Element Acoustics是一种声学仿真工具,使用边界元方法可预测耦合与非耦合振动声学模型的声音和噪声特性采用直接模型和嵌入式求解器技术,能够快速、轻松地获得结果,同时保证精确度。

边界元方法(BEM)能够有效地将复杂的三维模型简化为二维平面模型。在结构系统中,只有振动或散射声音的表面区域需要建模。边界元模型的尺寸通常只限于几万个单元,相对更小、更易于创建、检查和处理。这些简化的边界元模型可以在更短的时间内得出结果,帮助您快速评估设计的声学性能。

利用边界元方法能够准确地对结构声学耦合现象进行建模,这些现象通常发生在轻型结构上(例如扬声器振膜),或者发生在结构接触到重流体时(例如潜艇)。边界元具有一系列广泛的应用,例如电子或家用设备的声音质量、发动机辐射噪声等等,并且尤其适合处理外部辐射噪声问题。此解决方案可以与其他CAE软件一起运行,并且能无缝链接到 Abaqus、Ansys、I-deas、Nastran和Permas。边界元声学是标准和专业化应用的理想起点。

声学边界元可以提供以下功能:

间接和直接边界元方法

完备的振动声学耦合

二维曲线和三维云图查看:声压映射、SPL、ISO 3744声功率、RMS、dB加权、(1/3) 倍频程

表面吸收面板

边界条件,包括表面振动及压力和声源

不兼容的结构和声学网格之间的高效映射

边界元分析可以帮助您:

通过最小的工作量建模,即可查找噪声问题的根源

准确地预测声学性能,并将设计风险降到最低

利用网格粗化和高速BEM选项加速开发流程

1.3 快速多级边界元

快速多极声学边界元方法 (BEM)专门用来处理超大规模 BEM 问题,是对现有 BEM 技术的完美补充。传统BEM解算器可以高效处理多达20,000个节点的BEM模型,而LMS Virtual. Lab快速多极声学边界元能够处理超过一百万个节点。如此一来,更高频、更大问题便可以得到有效解决,从而使得 BEM方法的应用范围大为扩展。

快速多极声学边界元利用高速迭代技术以及基于多极扩展和多级分层单元子结构化的复杂算法求解BEM方程。该模块不是直接解算整个模型,而是自动将模型拆分成若干子区域,然后再对这些子区域进行反复拆分。总计算时间与BEM模型的节点数呈准线性关系,因此,该计算所需的内存比起标准BEM分析大幅减少。模型可在Windows PC、多CPU集群和分布式系统上运行。

利用快速多级边界元技术,大型模型运行速度大大加快,一系列全新的应用也得以实现,包括研究频率高达几千赫兹的整车、飞机、船舶、潜艇、大型发动机(含外壳)、涡轮机等等的外部声学问题。

快速多极声学边界元可为您提供以下功能:

声源、振动边界条件和阻抗边界条件

具有多极扩展和高效预处理的迭代求解器

在并行系统上完全可扩展

快速多极声学边界元可帮助您:

解决单元数超百万的超大型BEM问题

更快的计算大型BEM模型,弥补了标准BEM的缺陷

缩短声学前处理时间(网格要求不那么严格)

大幅扩大分析的频率范围

1.4 时域BEM(TDBEM)

LMS Virtual. Lab Time-Domain Boundary Element Method (TDBEM)求解器非常适合处理短时激励信号(如碰撞激励)的声辐射问题。激励可以在时域中以声源的形式定义,也可以通过在边界施加振动的方式定义。这种时变振动可以通过用户函数定义,或者可以从振动测试或外部结构有限元分析 (FEA)软件导入。

时域求解器也支持根据结构模态计算瞬态结构响应,并重新将振动响应用作边界条件,从而解决声辐射问题。声阻尼可以通过表面阻抗边界条件引入。

这一革命性的TDBEM技术经过了 10 年的发展,并在众多应用中得到了充分验证。TDBEM解算器不仅可以让您深入了解声源辐射在时域中的传播情况,还支持在标准个人计算机上求解超大型模型。

时域边界元可为您提供以下功能:

时域中的间接边界元方法

声源、振动边界条件(如果需要,还提供启动平滑系数)和阻抗边界条件

快速解算器技术包含矩阵装配、核内和核外求解器的解决方案,以及多线程处理

在场内任意位置进行的场点后处理

结构和声学模型的响应均在时域进行计算

时域边界元可以帮助您:

使用一个非常高效、快速的求解器

在时域内执行符合实际情况的仿真

通过大量的后处理,深入了解在时域中定义的声学问题

处理大型模型

1.5 有限元声振耦合求解器

LMS Virtual. Lab有限元声振耦合求解器用于对结构和振动声学模型进行直接和模态计算的求解,可帮助您计算结构模态、结构响应和振动声学响应。

模态计算可以将包含许多物理自由度(DOF)的模型转换为带有一套缩减的模态自由度的结构模态模型,从而显著缩小问题规模。您可以使用有限元声振耦合求解器计算模态,随后可在任何基于模态的振动声学分析中使用。

在有局部阻尼的情况下,或者当部分结构具有频变属性时,使用物理坐标下的的直接方法比模态方法更准确。

在单向弱耦合情况下,可以首先计算直接结构响应,并将结果用作边界条件,从而解决随后的声学问题。在强耦合情况下则会构建完整振动声学模型(包括耦合条件),并同时计算结构和声学结果。一些应用要求使用直接振动声学耦合方法,这些应用包括门的传递损耗、多层挡风玻璃、塑料进气系统和燃油管路响应。

有限元声振耦合求解器可为您提供以下功能:

模态求解器和直接求解器

含有大量一维、二维和三维有限元的结构单元库

一系列丰富的材料和属性选项,包括复合材料和频变弹性材料

为响应选择所需的任意物理和函数类型

有限元声振耦合解算器可以帮助您:

充分结合集成的振动声学分析

利用高性能求解器

实现极高的模型精确度

通过大量的 LMS Virtual.Lab后处理,深入了解得到的结果

1.6 声线法

声线法是利用射线跟踪技术计算音频和车内声学舒适性仿真时的高频声学计算方法,人类最高可以听到18 kHz左右的声音。使用传统有限元方法(FEM)和边界元方法(BEM)时,对这么高的频率范围开展声学仿真并不是很容易,因为这时涉及到的模型尺寸太大,无法高效地处理。LMS Virtual. Lab Ray Acoustics能够针对这些高频声学问题进行精确的声学分析。

声线法以几何声学为基础,通过射线追踪的方式在时域内执行声学仿真,这意味着,您可以“跟踪”在系统周围传播、反射和散射的声音射线。声线法特别适合解决高频率的大型声学问题,例如汽车、火车或飞机舱。

射线声学求解器可以自动处理复杂的叠加问题,例如来自不同表面的多个反射的叠加。结果能以多种方式显示:从1/3倍频程谱和回响图到声压级(SPL)云图和多种声品质指标。例如,您可以使用双耳回放听到有25个扬声器的车载音频系统的音响效果

声线法可为您提供以下功能:

具有漫射/镜面反射和复杂阻抗/导纳特点的吸声面板

相干/不相干声源

声源指向性

声源和响应点间的衍射

基于声学传递向量(ATV)技术的振动结构辐射

针对相干声源的窄带分析

大量单耳和双耳声品质指标列表(SPL、STI、Clarity、IACC 等)

基于头部相关传递函数库(HRTF)的双耳合成

声线法可以帮助您:

定位远场中的完整频率范围

支持声音回放

使用超大型高效解算器

无需创建详细网格

与BEM/FEM相结合,执行精确的声源建模

1.7 气动声学

LMS Virtual. Lab Aero-Acoustics利用计算流动力学,高效地对流体噪声进行仿真。为应对气动声学仿真挑战,LMS Virtual. Lab Aero-Acoustic Modeling与边界元方法(BEM)和有限元方法(FEM)技术相结合,可帮助您精确预测和解决流体噪声问题,包括:

电器中的风扇噪声(散热风扇和推进风扇)

飞机中的湍流噪声

HAVC、进气和排气系统中的湍流噪声

风噪声

气动声学建模使用基于气动声学类比的方法。 气动声学建模使用任意流体力学(CFD)工具计算出的结果,得到等效的气动声源,并支持CGNS接口。 随后可以采用BEM或FEM技术,使用这些气动声源计算所产生的辐射或散射噪声。

气动声学建模可为您提供以下功能:

采用通用CGNS格式,为商用CFD软件(Fluent、CFX、Powerflow、STARCCM+、Skryu/Tetra、CFD++ 等等)提供一个直接接口

采用守恒的映射方法,缩短计算时间并保持高精确度

气动声源,包括表面偶极子声源、扇声源和体积四极子声源 

气动声学建模可帮助您:

通过最少的建模工作量,即可查找流体噪声问题的根源

研究安装效应(例如管道形状和散射面)和远场声传播

分析设计变更(例如叶片间距和旋转速度)和隔音措施对辐射噪声的影响

1.8 声学选项

LMS Virtual. Lab Acoustics 提供了若干声学选项,旨在通过声学仿真和分析做出更明智的设计决策,可帮助您满足特定的声学仿真分析需求,在全局流程中集成声学求解器,极大地加快处理速度,同时保证高精确度。

LMS Virtual. Lab Acoustics选项包括:

先进的技术以打造更快、更精确的解决方案

将 LMS Virtual. Lab Acoustics融入更大的CAE流程所需的选项,这些选项是对标准软件包的补充,可以提供模型创建或修改工具,或者提供更精确的载荷。

各选项分析功能包括:

LMS Virtual. Lab ATV

ATV是一种用来建立和驱动声学有限元(FEM)或边界元(BEM)模型的求解器,并可以计算和存储声学传递矢量(ATV)。您可以将这些ATV与振动响应仿真结果结合在一起,高效计算从振动表面辐射的噪声。使用ATV工具,您可以快速仿真多种载荷条件下的噪声特征,并在LMS Virtual. Lab Acoustics中分析仿真结果。

LMS Virtual. Lab HPC Extension for Acoustics

HPC Extension for Acoustics模块支持使用多处理器执行高性能计算,您可使用各种配置的并行硬件,加快声学FEM或BEM计算。频率级、区域级和矩阵级并行处理策略均可以使用。在LMS Virtual. Lab Desktop 中建立声学FEM或BEM模型,并通过将相关的LMS Virtual.Lab Acoustics求解器与多处理器并行扩展配合使用。并行计算得到的文件与单CPU 解算器类似,并可以常规方式在LMS Virtual. Lab中进行后处理。

LMS Virtual. Lab Modification Prediction

使用修改预测模块,您可以快速分析已修改的结构设计,并仿真大量设计方案的声学性能。 此模块会将设计修改应用到结构模态,并评估结构变化对总体噪声性能的影响,同时又不会重新求解整个结构或声学方程。

LMS Virtual.Lab Load Identification Analysis

载荷识别分析模块会从工作测量开始,计算系统的工作结构作用力。 相关计算可使用悬置刚度直接进行,使用传递函数矩阵逆推,或者同时使用这两种方式。 逆推法也适用于根据工作声压和声学传递函数计算声学载荷。

LMS Virtual.Lab Random Vibro-Acoustic Analysis

随机振动声学分析会对弹性结构在受到随机声学激励或机械激励时的响应进行建模,例如火箭结构在发射过程中的压力载荷,或者飞机机身上的边界层效应。在主分量分析(PCA)中,我们会运用不同的方法,包括激励信号的奇异值分解(SVD)。

LMS Virtual. Lab H-Matrix BEM

H-Matrix(分层矩阵)BEM求解器能让您求解声辐射问题。H-Matrix BEM可以高效地处理大中型边界元模型,这些模型使用标准BEM解算并不现实,而且又因为规模不够大,不能有效的使用快速多极方法。H-Matrix BEM是对上述两种方法的完善,从而能够极其高效地处理整个频带范围。

NX Nastran for Acoustics

NX Nastran for Acoustics解算器包括一套鲁棒性强的FEM解决方案,可与LMS Virtual. Lab Acoustics 协同运行。NX Nastran for Acoustics的输入模型可以在LMS Virtual. Lab Acoustics中创建。接下来便可将NX Nastran for Acoustics计算的动态响应结果与Virtual. Lab Acoustics一起使用。您可以通过NX Nastran for Acoustics访问众多有限元类型和材料模型库,稳健地处理载荷工况,以及获得线性静态学、模态和频率响应分析的若干高效的解算序列。

LMS Virtual.Lab Fast Trim

快速内饰模块使您能够从吸收和传播角度,评估多层材料的声学性能。多吸声层一般会应用到基础结构,其结果用与频率相关的复传递导纳表示。然后,利用这些结果评估多层材料对系统的全局声学性能的影响,例如汽车或飞机内部。传递导纳矩阵评估以比奥(Biot)理论为依据。

LMS Virtual. Lab FEM Meshing for FEM Acoustics

利用Meshing for FEM Acoustics,您可以从二维表面网格开始,创建三维单元网格进行声学仿真。该模块包含用来检查这些二维表面网格有效性的工具,用以创建三维声学四面体网格并分析其质量。它还包含自动创建声学有限元(FEM)自动匹配层(AML)网格所需的工具。

LMS Virtual.Lab Cavity Meshing

空腔网格划分工具可以帮助您直接从结构模型生成高质量的以六面体为主的网格,从而确保两个网格紧密贴合。 在自动创建高质量的网格之前,系统会执行孔洞探测和修补。

LMS Virtual.Lab Optimization

LMS Virtual.Lab Optimization可以提供一套功能强大的工具,用于单属性和多属性优化。通过实验设计(DOE)和响应面建模(RSM)技术,您可以快速而深入地了解所有符合特定要求的可能设计方案。使用包括六西格玛制造在内的高级优化例程时,LMS Virtual. Lab会自动选择最佳设计,考虑实际可变性,同时符合最严格的鲁棒性、可靠性和质量标准的要求。

二 行业应用

2.1 LMS Virtual. Lab Acoustics在汽车工业的应用



2.2 LMS Virtual. Lab Acoustics在机车及铁路工业领域的应用


2.3 LMS Virtual. Lab Acoustics在航空工业领域的应用



2.4 LMS Virtual. Lab Acoustics在航天工业领域的应用


2.5 LMS Virtual. Lab Acoustics在船舶工业领域的应用


2.6 LMS Virtual. Lab Acoustics在工程机械工业领域的应用


2.7 LMS Virtual. Lab Acoustics在加电工业领域的应用