第五章 声学
5.1什么是声学？
声学研究声压波在流体介质中的产生、传播、吸收和反射。声学有如下的应用：
·声纳—声学上雷达的对应物 ·设计音乐厅，希望声压均匀分布。 ·减小机器厂房内的噪音 ·汽车中的噪声消除 ·水下声学
·设计扬声器、音箱、声滤、消音器及其他类似装置。 ·地球物理探测
5.1.1声场分析的类型
只有在ANSYS/Multiphysics 和 ANSYS/Mechanical中能进行声场分析，通常包括对流体介质及其周围结构的建模。典型感兴趣的是不同频率的声波在流体中的压力分布、压力梯度、粒子速度、声压级及声波的散射、衍射、传输、辐射、衰减和散射。耦合的声场分析将考虑流体-结构的相互作用。非耦合的声场分析模型只考虑流体而忽略任何流体-结构的相互作用。
ANSYS程序假定流体是可压的，但只允许压力与平均压力相比有较小的变化。而且，流体假定为非流动并且无粘的（即粘性不引起耗散作用）。假定平均密度和平均压力不变，压力求解偏离平均压力而不是绝对压力。
5.2求解声学问题
通过执行一个谐波响应分析可以解决许多声学问题。分析计算流体-结构界面上的谐波载荷（正弦变化）引起流体中的压力分布。通过指定载荷的频率范围，可以观察到在不同的频率时压力的分布。可以执行模态和瞬态的声学分析。（参见《ANSYS Structural Analysis Guide》中关于这种分析更详细的叙述。）
谐波声场分析的过程包括以下三个主要步骤： ·建立模型。
·施加边界条件和载荷并获得求解。
·查看结果。
5.3建立模型
在此步骤中，用户指定工作名称和分析标题，然后用PREP7前处理器定义单元类型，单元实常数，材料属性和模型几何尺寸。这些任务与多数分析相同，在《ANSYS Basic Analysis Guide》中有叙述。
5.3.1谐波声场分析准则
对一个谐波声场分析，考虑以下几点：
单元类型—ANSYS声场分析指定了四种单元类型：对二维和三维模型的流体部分分别使用Fluid29和Fluid30单元，Fluid129和Fluid130与FLUID29和FLUID30单元一起使用，用来构造包围Fluid29和Fluid30单元的无限外壳。利用这些单元类型可以构造流体部分的模型，然后利用相应的结构单元（PLANE42、SOLID45等）构造固体模型。只有Fluid29和Fluid30单元才能与结构单元相接触（在结构的内部或外部）；Fluid129和Fluid130单元只能与Fluid29和Fluid30单元相接触，而不能直接与结构单元接触。
5.3.1.1 FLUID29与FLUID30单元
对与固体相接触的声单元，要确保使用KEYOPT(2)=0，缺省的设置允许流体-结构的相互作用。UX，UY，UZ和PRES作为自由度引起单元矩阵的不对称。对所有其它的声单元，设置KEYOPT（2）=1，致使带有PRES自由度的单元矩阵的对称。（见图5-1）对称矩阵需要的内存和计算时间更少，因此只要可能就应该使用它。关于流体-结构的相互作用的详细信息参见《ANSYS, Inc. Theory Reference》。
图5-1二维声模型的例子（流体在结构的内部）
5.3.1.2 FLUID129和FLUID130单元
对无限的吸收压力波的声单元，模拟在FLUID29和FLUID30单元之外无限延伸域的输出效果。FLUID129和FLUID130单元提供了第二级的吸收边界条件，所以输出的压力波到达模型的边界以最小的反射吸收到流体域内。
FLIUD129单元用来建立二维流体区域的边界和诸如线单元。FLIUD130单元用来建立三维流体区域的边界和诸如平面表面单元。
材料属性—声单元需要密度（DENS）和声速（SONC）作为材料属性（FLUID129和FLUID130只需要SONC）。如果在流体-结构界面存在声的吸收，利用标记MU来指定边界导纳β（吸收系数）。值β通常由实验来测定。对结构单元，指定杨氏模量（EX）、密度（DENS）和泊松比（PRXY或NUXY）。
实常数—当用FLUID129和FLUID130单元时，里面的有限元网格边界必须是圆形的（二维及轴对称）或球形的（三维），而且圆形或球形边界的有限区域的半径必须指定为实常的RAD。（见图5-2）圆或球的中心也必须用实常数指定：
R,3,RAD,X0,Y0!REAL set 3 for FLUID129 R,3,RAD,X0,Y0,Z0!REAL set 3 for FLUID130
如果二维轴对称情况圆的中心坐标（X0，Y0）或三维情况球的中心坐标（X0，Y0，Z0）不是通过实常数指定的，ANSYS假定中心为总体坐标系的原点。
图5-2应用吸收单元的例子
图5-3浸在水中的圆筒
5.4对模型进行网格划分
下面为使用二维无限的声单元进行网格划分的典型程序。对三维单元的程序与此相同。如果还有结构部分，结构单元必须与FLUID29单元相邻，而不要与无限流体单元（FLUID129）相邻。
这个过程自动在有限区域的边界加入FLUID129单元。这里环形结构用PLANE42结构单元进行网格划分。与PLANE42单元接触的流体单元层用带有UX和UY自由度的FLUID29单元划分网格同时打开流体-结构接触面。流体的外层用没有UX和UY自由度的FLUID29单元建模。在X0=Y0=0处放置FLUID129单元的半径为0.31242（参见§5.4.2节）。可用下列方法定义FLUID129单元：
命令：ESURF
GUI: Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Inf Acoustic
5.4.1步骤一：内部流体区域的网格划分
用FLUID29单元对圆形或球形边界（PLANE42）所包围的内部流体区域划分网格。
图5-4 对流体区域划分网格
5.4.2步骤二：生成无限的声单元
按以下步骤：
1．选择圆形或球形边界上的节点： 命令：NSEL
GUI: Utility Menu>Select>Entities
2．指定FLUID129单元作为与FLUID29单元相联系的无限流体单元。 命令：TYPE, REAL
GUI: Main Menu>Preprocessor>Attributes>Default Attribs Main Menu>Preprocessor>Real Constants
无限单元对低频及高频激励都执行得很好。数值实验已确定吸收单元远离结构或振动源区域以外大约0.2λ放置能产生准确的结果。这里λ=c/f压力波的主波长。c是流体中的声速（SONC），f是压力波的主频。例如，对浸没在水中的圆盘或球壳的直径D，封闭边界的半径RAD至少应为D/2+0.2λ。而且，对一般的声分析，网格必须足够的细致以能分辨最小的主频。 3．在边界生成吸收单元（FLUID129）。 命令：ESURF
GUI: Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Inf Acoustic
图5-5 在边界加入吸收单元
5.4.3步骤三：指定流体-结构接触面 指定流体-结构接触面： 1．选择界面上的所有节点。 命令：NSEL
GUI: Utility Menu>Select Entities 2．选择附属于这些节点上的流体单元。 命令：ESEL