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用于聲學仿真的LMS Virtual. Lab Acoustics

LMS Virtual. Lab Acoustics通過對內部和外部聲輻射進行仿真，最大限度減少設計中的噪聲并優化聲品質。通過LMS Virtual. Lab Acoustics進行聲學仿真可以幫助您在短時間內完成聲學網格劃分和模型修改，在一天內完成聲學響應分析。您將能夠在設計階段早期做出正確的決策，系統性地改善和優化產品的聲學性能。

通過將LMS Sysnoise技術融合到LMS Virtual. Lab Acoustics中，我們利用虛擬模型創建了全球領先的重頭至尾的聲學性能工程設計環境。LMS Virtual. Lab Acoustics聲學仿真解決方案既能夠覆蓋常規應用，例如結構噪聲輻射和空腔聲場仿真，也可以提供針對專業聲學工程問題的專業解決方案，包括發動機升速、流體噪聲和隨機聲學載荷

一 LMS Virtual. Lab Acoustics仿真功能介紹

1.1 聲學有限元

使用有限元方法（FEM）可以在LMS Virtual. Lab Acoustics中預測耦合與非耦合振動聲學模型的噪聲和聲音特性。LMS Virtual. Lab Finite Element Acoustics提供了一種高級聲學分析方法，可用于預測和改進各種系統的噪聲和聲音性能。使用有限元方法 (FEM)，您可以對傳播區域進行建模。通過此模塊，您可以對聲學區域進行詳細的建模（例如考慮溫度梯度導致的流體密度變化，或模型中含有多個流體屬性）。

聲學有限元是解決封閉問題的首選方法，它會明確限定要劃分網格的區域。此外，聲學有限元包含許多高級技術，能讓您創建一個簡化的有限元網格，以便有效執行輻射聲學仿真，而不必對整個傳播區域進行建模，例如：

完美匹配層方法(PML)

自動完美匹配層方法(AML)，一種完全自動的PML方法

FEM能夠處理完全耦合的振動聲學仿真，充分考慮結構和流體之間的相互作用。當結構接觸重流體（例如潛艇）時，或在內場聲學中空腔模態與結構存在相互作用時，輕型結構（例如揚聲器振膜）中經常出現結構聲學耦合現象。

您可以利用有限元聲學，在時域和頻域執行聲學仿真。當您需要考慮渦輪機中的溫度場和流體效應，或消音器中的吸聲材料時，使用 FEM也是非常合適的選擇。

有限元聲學采用自適應階次有限元技術(FEMAO)。通過該技術，您可以在整個頻率范圍內使用一個網格，減少所需的單元數量，從而將有限元方法計算速度提升一個數量級。

此外，也可以使用高級有限元解算器，比如直接 MUMPS 解算器和迭代Krylov解算器，它們均可大幅提升計算速度。

聲學有限元可為您提供以下功能：

用于解決輻射噪聲問題的完美匹配層(PML)和自動完美匹配層技術(AML)

自適應階次聲學有限元

完備的振動聲學耦合

二維曲線與三維云圖查看：SPL（聲壓級）、ISO 3744聲功率、RMS（均方根）、dB加權、(1/3)倍頻程、TL（傳遞損失）

直接MUMPS求解器、迭代Krylov求解器、并行計算（實現最佳解算器速度）

溫度場、體積耗散、流動效應

聲學有限元可以幫助您：

考慮多種材料屬性

執行快速計算

考慮溫度場、流動效應等因素，快速找出噪聲問題的根源

準確地預測聲學性能，并將設計風險降到最低

1.2 聲學邊界元

LMS Virtual. Lab Boundary Element Acoustics是一種聲學仿真工具，使用邊界元方法可預測耦合與非耦合振動聲學模型的聲音和噪聲特性采用直接模型和嵌入式求解器技術，能夠快速、輕松地獲得結果，同時保證精確度。

邊界元方法(BEM)能夠有效地將復雜的三維模型簡化為二維平面模型。在結構系統中，只有振動或散射聲音的表面區域需要建模。邊界元模型的尺寸通常只限于幾萬個單元，相對更小、更易于創建、檢查和處理。這些簡化的邊界元模型可以在更短的時間內得出結果，幫助您快速評估設計的聲學性能。

利用邊界元方法能夠準確地對結構聲學耦合現象進行建模，這些現象通常發生在輕型結構上（例如揚聲器振膜），或者發生在結構接觸到重流體時（例如潛艇）。邊界元具有一系列廣泛的應用，例如電子或家用設備的聲音質量、發動機輻射噪聲等等，并且尤其適合處理外部輻射噪聲問題。此解決方案可以與其他CAE軟件一起運行，并且能無縫鏈接到 Abaqus、Ansys、I-deas、Nastran和Permas。邊界元聲學是標準和專業化應用的理想起點。

聲學邊界元可以提供以下功能：

間接和直接邊界元方法

完備的振動聲學耦合

二維曲線和三維云圖查看：聲壓映射、SPL、ISO 3744聲功率、RMS、dB加權、(1/3) 倍頻程

表面吸收面板

邊界條件，包括表面振動及壓力和聲源

不兼容的結構和聲學網格之間的高效映射

邊界元分析可以幫助您：

通過最小的工作量建模，即可查找噪聲問題的根源

準確地預測聲學性能，并將設計風險降到最低

利用網格粗化和高速BEM選項加速開發流程

1.3 快速多級邊界元

快速多極聲學邊界元方法 (BEM)專門用來處理超大規模 BEM 問題，是對現有 BEM 技術的完美補充。傳統BEM解算器可以高效處理多達20,000個節點的BEM模型，而LMS Virtual. Lab快速多極聲學邊界元能夠處理超過一百萬個節點。如此一來，更高頻、更大問題便可以得到有效解決，從而使得 BEM方法的應用范圍大為擴展。

快速多極聲學邊界元利用高速迭代技術以及基于多極擴展和多級分層單元子結構化的復雜算法求解BEM方程。該模塊不是直接解算整個模型，而是自動將模型拆分成若干子區域，然后再對這些子區域進行反復拆分。總計算時間與BEM模型的節點數呈準線性關系，因此，該計算所需的內存比起標準BEM分析大幅減少。模型可在Windows PC、多CPU集群和分布式系統上運行。

利用快速多級邊界元技術，大型模型運行速度大大加快，一系列全新的應用也得以實現，包括研究頻率高達幾千赫茲的整車、飛機、船舶、潛艇、大型發動機（含外殼）、渦輪機等等的外部聲學問題。

快速多極聲學邊界元可為您提供以下功能：

聲源、振動邊界條件和阻抗邊界條件

具有多極擴展和高效預處理的迭代求解器

在并行系統上完全可擴展

快速多極聲學邊界元可幫助您：

解決單元數超百萬的超大型BEM問題

更快的計算大型BEM模型，彌補了標準BEM的缺陷

縮短聲學前處理時間（網格要求不那么嚴格）

大幅擴大分析的頻率范圍

1.4 時域BEM（TDBEM）

LMS Virtual. Lab Time-Domain Boundary Element Method (TDBEM)求解器非常適合處理短時激勵信號（如碰撞激勵）的聲輻射問題。激勵可以在時域中以聲源的形式定義，也可以通過在邊界施加振動的方式定義。這種時變振動可以通過用戶函數定義，或者可以從振動測試或外部結構有限元分析 (FEA)軟件導入。

時域求解器也支持根據結構模態計算瞬態結構響應，并重新將振動響應用作邊界條件，從而解決聲輻射問題。聲阻尼可以通過表面阻抗邊界條件引入。

這一革命性的TDBEM技術經過了 10 年的發展，并在眾多應用中得到了充分驗證。TDBEM解算器不僅可以讓您深入了解聲源輻射在時域中的傳播情況，還支持在標準個人計算機上求解超大型模型。

時域邊界元可為您提供以下功能：

時域中的間接邊界元方法

聲源、振動邊界條件（如果需要，還提供啟動平滑系數）和阻抗邊界條件

快速解算器技術包含矩陣裝配、核內和核外求解器的解決方案，以及多線程處理

在場內任意位置進行的場點后處理

結構和聲學模型的響應均在時域進行計算

時域邊界元可以幫助您：

使用一個非常高效、快速的求解器

在時域內執行符合實際情況的仿真

通過大量的后處理，深入了解在時域中定義的聲學問題

處理大型模型

1.5 有限元聲振耦合求解器

LMS Virtual. Lab有限元聲振耦合求解器用于對結構和振動聲學模型進行直接和模態計算的求解，可幫助您計算結構模態、結構響應和振動聲學響應。

模態計算可以將包含許多物理自由度(DOF)的模型轉換為帶有一套縮減的模態自由度的結構模態模型，從而顯著縮小問題規模。您可以使用有限元聲振耦合求解器計算模態，隨后可在任何基于模態的振動聲學分析中使用。

在有局部阻尼的情況下，或者當部分結構具有頻變屬性時，使用物理坐標下的的直接方法比模態方法更準確。

在單向弱耦合情況下，可以首先計算直接結構響應，并將結果用作邊界條件，從而解決隨后的聲學問題。在強耦合情況下則會構建完整振動聲學模型（包括耦合條件），并同時計算結構和聲學結果。一些應用要求使用直接振動聲學耦合方法，這些應用包括門的傳遞損耗、多層擋風玻璃、塑料進氣系統和燃油管路響應。

有限元聲振耦合求解器可為您提供以下功能：

模態求解器和直接求解器

含有大量一維、二維和三維有限元的結構單元庫

一系列豐富的材料和屬性選項，包括復合材料和頻變彈性材料

為響應選擇所需的任意物理和函數類型

有限元聲振耦合解算器可以幫助您：

充分結合集成的振動聲學分析

利用高性能求解器

實現極高的模型精確度

通過大量的 LMS Virtual.Lab后處理，深入了解得到的結果

1.6 聲線法

聲線法是利用射線跟蹤技術計算音頻和車內聲學舒適性仿真時的高頻聲學計算方法，人類最高可以聽到18 kHz左右的聲音。使用傳統有限元方法(FEM)和邊界元方法(BEM)時，對這么高的頻率范圍開展聲學仿真并不是很容易，因為這時涉及到的模型尺寸太大，無法高效地處理。LMS Virtual. Lab Ray Acoustics能夠針對這些高頻聲學問題進行精確的聲學分析。

聲線法以幾何聲學為基礎，通過射線追蹤的方式在時域內執行聲學仿真，這意味著，您可以“跟蹤”在系統周圍傳播、反射和散射的聲音射線。聲線法特別適合解決高頻率的大型聲學問題，例如汽車、火車或飛機艙。

射線聲學求解器可以自動處理復雜的疊加問題，例如來自不同表面的多個反射的疊加。結果能以多種方式顯示：從1/3倍頻程譜和回響圖到聲壓級(SPL)云圖和多種聲品質指標。例如，您可以使用雙耳回放聽到有25個揚聲器的車載音頻系統的音響效果

聲線法可為您提供以下功能：

具有漫射/鏡面反射和復雜阻抗/導納特點的吸聲面板

相干/不相干聲源

聲源指向性

聲源和響應點間的衍射

基于聲學傳遞向量(ATV)技術的振動結構輻射

針對相干聲源的窄帶分析

大量單耳和雙耳聲品質指標列表（SPL、STI、Clarity、IACC 等）

基于頭部相關傳遞函數庫(HRTF)的雙耳合成

聲線法可以幫助您：

定位遠場中的完整頻率范圍

支持聲音回放

使用超大型高效解算器

無需創建詳細網格

與BEM/FEM相結合，執行精確的聲源建模

1.7 氣動聲學

LMS Virtual. Lab Aero-Acoustics利用計算流動力學，高效地對流體噪聲進行仿真。為應對氣動聲學仿真挑戰，LMS Virtual. Lab Aero-Acoustic Modeling與邊界元方法(BEM)和有限元方法(FEM)技術相結合，可幫助您精確預測和解決流體噪聲問題，包括：

電器中的風扇噪聲（散熱風扇和推進風扇）

飛機中的湍流噪聲

HAVC、進氣和排氣系統中的湍流噪聲

風噪聲

氣動聲學建模使用基于氣動聲學類比的方法。氣動聲學建模使用任意流體力學(CFD)工具計算出的結果，得到等效的氣動聲源，并支持CGNS接口。隨后可以采用BEM或FEM技術，使用這些氣動聲源計算所產生的輻射或散射噪聲。

氣動聲學建模可為您提供以下功能：

采用通用CGNS格式，為商用CFD軟件（Fluent、CFX、Powerflow、STARCCM+、Skryu/Tetra、CFD++ 等等）提供一個直接接口

采用守恒的映射方法，縮短計算時間并保持高精確度

氣動聲源，包括表面偶極子聲源、扇聲源和體積四極子聲源

氣動聲學建模可幫助您：

通過最少的建模工作量，即可查找流體噪聲問題的根源

研究安裝效應（例如管道形狀和散射面）和遠場聲傳播

分析設計變更（例如葉片間距和旋轉速度）和隔音措施對輻射噪聲的影響

1.8 聲學選項

LMS Virtual. Lab Acoustics 提供了若干聲學選項，旨在通過聲學仿真和分析做出更明智的設計決策，可幫助您滿足特定的聲學仿真分析需求，在全局流程中集成聲學求解器，極大地加快處理速度，同時保證高精確度。

LMS Virtual. Lab Acoustics選項包括：

先進的技術以打造更快、更精確的解決方案

將 LMS Virtual. Lab Acoustics融入更大的CAE流程所需的選項，這些選項是對標準軟件包的補充，可以提供模型創建或修改工具，或者提供更精確的載荷。

各選項分析功能包括：

LMS Virtual. Lab ATV

ATV是一種用來建立和驅動聲學有限元（FEM）或邊界元（BEM）模型的求解器，并可以計算和存儲聲學傳遞矢量(ATV)。您可以將這些ATV與振動響應仿真結果結合在一起，高效計算從振動表面輻射的噪聲。使用ATV工具，您可以快速仿真多種載荷條件下的噪聲特征，并在LMS Virtual. Lab Acoustics中分析仿真結果。

LMS Virtual. Lab HPC Extension for Acoustics

HPC Extension for Acoustics模塊支持使用多處理器執行高性能計算，您可使用各種配置的并行硬件，加快聲學FEM或BEM計算。頻率級、區域級和矩陣級并行處理策略均可以使用。在LMS Virtual. Lab Desktop 中建立聲學FEM或BEM模型，并通過將相關的LMS Virtual.Lab Acoustics求解器與多處理器并行擴展配合使用。并行計算得到的文件與單CPU 解算器類似，并可以常規方式在LMS Virtual. Lab中進行后處理。

LMS Virtual. Lab Modification Prediction

使用修改預測模塊，您可以快速分析已修改的結構設計，并仿真大量設計方案的聲學性能。此模塊會將設計修改應用到結構模態，并評估結構變化對總體噪聲性能的影響，同時又不會重新求解整個結構或聲學方程。

LMS Virtual.Lab Load Identification Analysis

載荷識別分析模塊會從工作測量開始，計算系統的工作結構作用力。相關計算可使用懸置剛度直接進行，使用傳遞函數矩陣逆推，或者同時使用這兩種方式。逆推法也適用于根據工作聲壓和聲學傳遞函數計算聲學載荷。

LMS Virtual.Lab Random Vibro-Acoustic Analysis

隨機振動聲學分析會對彈性結構在受到隨機聲學激勵或機械激勵時的響應進行建模，例如火箭結構在發射過程中的壓力載荷，或者飛機機身上的邊界層效應。在主分量分析(PCA)中，我們會運用不同的方法，包括激勵信號的奇異值分解(SVD)。

LMS Virtual. Lab H-Matrix BEM

H-Matrix（分層矩陣）BEM求解器能讓您求解聲輻射問題。H-Matrix BEM可以高效地處理大中型邊界元模型，這些模型使用標準BEM解算并不現實，而且又因為規模不夠大，不能有效的使用快速多極方法。H-Matrix BEM是對上述兩種方法的完善，從而能夠極其高效地處理整個頻帶范圍。

NX Nastran for Acoustics

NX Nastran for Acoustics解算器包括一套魯棒性強的FEM解決方案，可與LMS Virtual. Lab Acoustics 協同運行。NX Nastran for Acoustics的輸入模型可以在LMS Virtual. Lab Acoustics中創建。接下來便可將NX Nastran for Acoustics計算的動態響應結果與Virtual. Lab Acoustics一起使用。您可以通過NX Nastran for Acoustics訪問眾多有限元類型和材料模型庫，穩健地處理載荷工況，以及獲得線性靜態學、模態和頻率響應分析的若干高效的解算序列。

LMS Virtual.Lab Fast Trim

快速內飾模塊使您能夠從吸收和傳播角度，評估多層材料的聲學性能。多吸聲層一般會應用到基礎結構，其結果用與頻率相關的復傳遞導納表示。然后，利用這些結果評估多層材料對系統的全局聲學性能的影響，例如汽車或飛機內部。傳遞導納矩陣評估以比奧(Biot)理論為依據。

LMS Virtual. Lab FEM Meshing for FEM Acoustics

利用Meshing for FEM Acoustics，您可以從二維表面網格開始，創建三維單元網格進行聲學仿真。該模塊包含用來檢查這些二維表面網格有效性的工具，用以創建三維聲學四面體網格并分析其質量。它還包含自動創建聲學有限元（FEM）自動匹配層(AML)網格所需的工具。

LMS Virtual.Lab Cavity Meshing

空腔網格劃分工具可以幫助您直接從結構模型生成高質量的以六面體為主的網格，從而確保兩個網格緊密貼合。在自動創建高質量的網格之前，系統會執行孔洞探測和修補。

LMS Virtual.Lab Optimization

LMS Virtual.Lab Optimization可以提供一套功能強大的工具，用于單屬性和多屬性優化。通過實驗設計(DOE)和響應面建模(RSM)技術，您可以快速而深入地了解所有符合特定要求的可能設計方案。使用包括六西格瑪制造在內的高級優化例程時，LMS Virtual. Lab會自動選擇最佳設計，考慮實際可變性，同時符合最嚴格的魯棒性、可靠性和質量標準的要求。