高效计算穿孔板的声学转移阻抗

Linus Andersson 2016年 9月 29日

消音器等装置中的孔眼可使部分声音在消声室间和管道内外传播,从而达到消声的效果。当模拟穿孔板时,我们可以绘制出每一个小孔并进行网格剖分,但这会增加求解模型所需的时间。一种更有效的办法就是使用半透明边界。在本文中,我们将讨论几种使用了半透明边界的技术,并介绍一种可计算穿孔板转移阻抗的方法。

用于表征穿孔板的技术

举个例子,假设您已经完成了消音器几何模型的绘制。这一几何模型十分简单,仅由几个表示管道的圆柱体和一个表示主消声室的扁椭圆组成。在接下来的操作中,我们需要在管道的某些部位和分隔消声室的挡板上打孔,并且孔的位置还应符合特定的要求。针对这一需求,我们可以采用阵列 工具,它能绘制任意大小的小孔集合。然而由此产生的问题是,对最终模型的网格剖分和求解需要耗费大量的时间,且内存占用量也会很大。

消音器几何模型,包含了带有数千个孔的穿孔区域。
消音器几何模型的细节图,包括由数千个小孔组成的穿孔区域。

您无需对此担忧——我们有更好的解决方案。最简便的方法是绘制多孔区域的等值线,并应用内部多孔板 条件。然后应用属性(例如小孔直径和穿孔板厚度),便可以获得代表穿孔板的半透明表面。

在很多情况下,该方法的精确度可以满足仿真要求。然而面对一些更为复杂的工程条件时,该精确度很可能无法满足。例如,如果孔的尺寸非常小,且彼此之间距离非常接近,或者小孔形状并非圆形,就很可能无法获得可靠的结果。

图像展示了应用了边界条件的消音器几何模型,替代了穿孔操作。
穿孔操作现已被 穿孔板 内部阻抗边界条件替代,两种方法都可以得到相同的消音器几何模型。

内部阻抗 条件是比内部多孔板 条件更加通用的替代方案。借助内部阻抗 条件,我们可以指定一个复数值转移阻抗,该数值是穿孔板两侧的压降与穿孔板中粒子的法向速度之间的比值。内部多孔板 条件是内部阻抗 条件的一个特殊预定义版本。阻抗值是由导入的测量数据或解析表达式得出的。如果我们无法测量出可靠的转移阻抗数据,或没有合适的解析表达式,则需要利用数值结果进行求解。下文便对此方法进行了介绍,它能有效简化阻抗的数值模拟过程。

计算穿孔板的转移阻抗

下图为穿孔板的转移阻抗教学模型中的穿孔板。该模型的原理非常简单:我们向小孔发送一个平面波,然后根据产生的压差和贯穿其中的平均速度,计算出转移阻抗。

仿真结果显示了多孔板和模型域。
穿孔板几何模型,其中的着色的模型域表示的是局部声速场。

该示例模型利用了自身对称性,仅使用了小孔的四分之一和孔距的一半。此案例中,小孔直径为 1 mm,由于直径过小,我们必须考虑热粘性边界层和损耗。为了引入这些因子,我们使用了热声 接口。

屏幕截图展示了 COMSOL Multiphysics 中的背景声场节点。

我们使用背景声场 节点来发送平面波,该节点是压力声学 接口中的一个主要功能,最近被添加到了热声 接口中。利用接口中平面波 选项,可以根据速度和热量衰减,发送与其压力、速度及温度分布一致的平面波。另外通过在模型域的上方和下方添加完美匹配层,可对模型进行上下的包围。

如需获得更多关于多孔消音器转移阻抗的信息,请参阅热声阻抗模型。除了计算穿孔板的转移阻抗外,该案例还演示了如何使用完整消音器模型的结果,并详细总结和讲解了本篇博客文章中提到的内容。

更多关于声学仿真的资源


博客分类

博客标签

技术资料
加载评论……

博客分类


博客标签