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1. ACTRAN軟件在計(jì)算聲學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

ACTRAN軟件是比利時(shí)FFT開發(fā)的聲學(xué)軟件，ACTRAN軟件已經(jīng)覆蓋聲學(xué)、振動(dòng)聲學(xué)、流動(dòng)聲學(xué)等領(lǐng)域。

1.1 聲學(xué)數(shù)值方法的發(fā)展

目前聲學(xué)數(shù)值仿真方法有邊界元、有限元與統(tǒng)計(jì)能量法三種。由于網(wǎng)格劃分技術(shù)以及計(jì)算機(jī)內(nèi)存的限制，邊界元方法在上世紀(jì)60年代得到應(yīng)用。邊界元方法能夠降低分析問題的維度，并進(jìn)而減少模型自由度。但是由于邊界元方法形成的線性方程組的系數(shù)矩陣是滿陣，在處理大規(guī)模問題時(shí)計(jì)算速度極慢，不再適合工程應(yīng)用。一般來說邊界元方法適合于處理小規(guī)模問題，而在航空聲學(xué)問題上，由于模型規(guī)模大、自由度數(shù)量眾多，邊界元方法不再適用。

統(tǒng)計(jì)能量分析方法是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)，從能量的角度來分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的響應(yīng)。它運(yùn)用能量流關(guān)系式對(duì)復(fù)合的、諧振的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性、振動(dòng)響應(yīng)及聲輻射的模擬和預(yù)測(cè)。受到計(jì)算機(jī)硬件水平的制約，統(tǒng)計(jì)能量法在上世紀(jì)七、八十年代在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該方法在某種程度上忽略了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)，計(jì)算得到的是空間與頻域上的平均值，給工程師提供的信息相當(dāng)有限，并且受統(tǒng)計(jì)能量法理論基礎(chǔ)的制約，計(jì)算精度較差。

聲學(xué)數(shù)值仿真和優(yōu)化CAE技術(shù)的最新進(jìn)展表現(xiàn)隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的進(jìn)步與高性能算法的改進(jìn)和創(chuàng)新，有限元技術(shù)得到國際上越來越多的認(rèn)同，在工程上已經(jīng)成為排他性的工具。近十年來，有限元方法成為國際航空、船舶、艦艇、汽車領(lǐng)域制造商的首選。

1.2 ACTRAN在聲學(xué)數(shù)值方法的優(yōu)勢(shì)

ACTRAN軟件創(chuàng)始人Dr. Jean-Pierre Coyette、Dr. Jean-Louis Migeot是國際噪聲仿真計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，在歐盟合作框架下參與了噪聲理論與仿真分析工程應(yīng)用研究，走在學(xué)術(shù)的最前沿。ACTRAN軟件基于有限元和無限元技術(shù)，用統(tǒng)一的方法模擬流動(dòng)噪聲、振動(dòng)噪聲及聲傳播問題，可計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)聲學(xué)響應(yīng)，獲得頻譜曲線和指向性曲線等。ACTRAN代表著目前計(jì)算聲學(xué)的最先進(jìn)技術(shù)，并在航空氣動(dòng)聲學(xué)、船舶螺旋槳、水下聲納、輪胎噪聲、磁懸浮列車、高鐵等高難度、異常復(fù)雜的工程問題上得到驗(yàn)證與廣泛應(yīng)用。其提供了領(lǐng)先的MUMPS 求解器以及基于求解域并行或頻率并行等多線程處理能力，計(jì)算聲場(chǎng)時(shí)不受頻率范圍的限制，為有限元方法的應(yīng)用拓寬了道路。

2. ACTRAN功能特性

在過去用能量統(tǒng)計(jì)法和邊界元法分析時(shí)，工程師們必須對(duì)模型做出很多簡化。這些模型大多忽略了很多重要的因素及參數(shù)，如：精確外形、結(jié)構(gòu)材料的非均質(zhì)性、隔音層材料的非均質(zhì)性、多層復(fù)合結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)筋等。這將導(dǎo)致模擬過程更多的依賴于試驗(yàn)。

基于有限元法的聲學(xué)計(jì)算軟件ACTRAN，為工程師深入細(xì)致研究這些真實(shí)模型中的復(fù)雜因素提供了可能。經(jīng)過FFT(Free Field Technologies)公司在有限元/無限元技術(shù)上持續(xù)開發(fā)和投入，以及在世界領(lǐng)先飛機(jī)制造商、船舶和汽車的實(shí)際工程應(yīng)用，使FFT公司在對(duì)氣動(dòng)噪聲模擬方面，無論是軟件技術(shù)還在建模經(jīng)驗(yàn)都處于行業(yè)領(lǐng)先水平。下文將對(duì)ACTRAN的功能特性進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 高效率的聲輻射和聲傳播模擬軟件——ACTRAN Acoustics

ACTRAN Acoustics是軟件基礎(chǔ)模塊，具備基礎(chǔ)聲學(xué)分析功能，ACTRAN軟件系列的基礎(chǔ)，它既可以單獨(dú)使用，又是其它高級(jí)工具ACTRAN Aero-Acoustics、ACTRAN TM、ACTRAN DGM要求配置的基礎(chǔ)軟件。

ACTRAN Acoustics包含了許多排他性聲學(xué)模擬能力，既可以模擬簡單的部件，也可以模擬復(fù)雜的系統(tǒng)。ACTRAN Acoustics的聲學(xué)模擬能力得益于FFT公司具有排他性、高魯棒性、高效率的聲學(xué)有限元和無限元庫及求解技術(shù)。

ACTRAN Acoustics同時(shí)提供模態(tài)方法和物理方法，因而可以輕而易舉的分析空腔中的聲場(chǎng)。吸音壁面可以用阻抗邊界條件和多孔材料模型加以詳細(xì)模擬。

對(duì)非均質(zhì)流動(dòng)和溫度梯度效應(yīng)的處理是ACTRAN Acoustics的重要特色之一。除此之外，還包含了處理粘熱效應(yīng)的特殊單元，這對(duì)聲波在窄通道和薄空腔中的傳播特別重要，典型的應(yīng)用如助聽器、聲納陣面板等。ACTRAN Acoustics能夠研究飛機(jī)乘客艙、駕駛艙及管道系統(tǒng)等聲傳播，獲得內(nèi)部聲場(chǎng)。

ACTRAN Acoustics的典型應(yīng)用：渦輪機(jī)械、環(huán)控系統(tǒng)、乘客艙、管道系統(tǒng)、傳動(dòng)系、發(fā)動(dòng)機(jī)部件（油底殼、進(jìn)氣岐管、空氣過濾器、閥蓋）、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、壓縮機(jī)、電機(jī)、揚(yáng)聲器及聽覺設(shè)備等。

圖2.1  ACTRAN/ACOUSTICS典型應(yīng)用

2.2 高級(jí)振動(dòng)聲學(xué)模擬軟件——ATRAN Vibro-Acoustics

ACTRAN Vibro-Acoustics是當(dāng)今最完備的振動(dòng)聲學(xué)模擬軟件。ACTRAN Vibro-Acoustics建立于ACTRAN Acoustics之上，ACTRAN Vibro-Acoustics提供豐富單元庫、材料庫、邊界條件和激勵(lì)類型、求解方法和求解器，因而被要求最為嚴(yán)格的工程師和研究人員用來模擬當(dāng)今最有挑戰(zhàn)性的振動(dòng)聲學(xué)設(shè)計(jì)問題。

在ACTRAN中可以利用它豐富的材料庫建立結(jié)構(gòu)模型。事實(shí)上，ACTRAN不僅提供表達(dá)聲學(xué)和粘彈性介質(zhì)等常規(guī)材料，而且還包含許多特殊模型，用于表達(dá)多孔和不可壓縮性介質(zhì)、復(fù)合材料以及主動(dòng)單元部件（包括壓電陶瓷）。所有的材料可以結(jié)合在一個(gè)模型中，這樣就可以取得最真實(shí)的結(jié)果。

可以選擇在物理坐標(biāo)和模態(tài)坐標(biāo)下的求解聲振耦合模型或非耦合模型，既可以在頻域求解頻率響應(yīng)函數(shù)，也可以在時(shí)域求解結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)。高效率的線性方程求解器和并行處理能力可以使您在聲學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)求解工業(yè)規(guī)模的問題。

圖2.2  ACTRAN/VIBRO-ACOUSTICS典型應(yīng)用

2.3 系統(tǒng)級(jí)裝飾件噪聲模擬工具——ACTRAN for NASTRAN

ACTRAN for NASTRAN是結(jié)合了ACTRAN和NASTRAN所有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的高級(jí)振動(dòng)聲學(xué)軟件，它建立在功能強(qiáng)大ACTRAN Vibro-Acoustics和NASTRAN之上，二者不是通過接口，而是將NASTRAN融入到ACTRAN的血液之中，這樣就可以在聲學(xué)分析時(shí)利用NASTRAN的超單元特性。

ACTRAN for NASTRAN給CAE工程師提供了將兩種領(lǐng)先的技術(shù)——ACTRAN的物理模型和NASTRAN的模態(tài)模型結(jié)合在一起方法。ACTRAN for NASTRAN使模擬包含所有裝飾件的整車成為可能。

   

圖2.3 ACTRAN for NASTRRAN典型應(yīng)用

2.4 流動(dòng)噪聲模擬軟件——ACTRAN Aero-Acoustics

ACTRAN Aero-Acoustics是預(yù)測(cè)流動(dòng)噪聲的聲學(xué)有限元軟件。ACTRAN Aero-Acoustics采用混合方法求解流動(dòng)噪聲問題，即從商業(yè)CFD程序如Fluent、Star-CD、CFX、StarCCM+、Powerflow、Ensight等的模擬結(jié)果獲取流動(dòng)聲源。

完整的模擬過程包含以下五步，如圖2.4所示：

圖2.4  ACTRAN/AERO-ACOUSTICS分析步驟

（1）利用CFD程序完成非定常流動(dòng)模擬。

（2）將每一個(gè)時(shí)間步CFD的解（速度、密度、壓力場(chǎng)）存儲(chǔ)為CFD程序自身的格式或通用的Ensight格式。

（3）ACTRAN Aero-Acoustics根據(jù)領(lǐng)先的步的CFD的結(jié)果計(jì)算流動(dòng)噪聲源。這包括將流場(chǎng)結(jié)果按照Lighthill聲類比或Morhing聲類比方法轉(zhuǎn)換為聲源，并從時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域。

（4）將噪聲源從CFD網(wǎng)格插值到聲學(xué)網(wǎng)格，并計(jì)算其傳播，得到聲壓、聲速和聲強(qiáng)，以及各種局部量（壓力）和全局（功率）的頻率響應(yīng)函數(shù)。

（5）在ACTRAN/VI中查看結(jié)果。

多步方法將帶來以下好處：

（1）每一部分工作由不同的工程師、部門分別完成；

（2）同一CFD模擬結(jié)果可以用于不同的聲學(xué)模型；

（3）聲學(xué)網(wǎng)格不必像CFD網(wǎng)格那樣在流動(dòng)結(jié)構(gòu)很小的區(qū)域細(xì)化。

聲輻射和傳播計(jì)算。得到聲壓、聲速和聲強(qiáng)，以及各種局部量（壓力）和全局（功率）的頻率響應(yīng)函數(shù)。

ACTRAN Aero-Acoustics的典型應(yīng)用：APU、環(huán)控系統(tǒng)、管道系統(tǒng)噪聲、排氣系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、艦船螺旋槳噪聲、空調(diào)系統(tǒng)、后視鏡噪聲、水動(dòng)力噪聲、汽車風(fēng)噪聲等。

2.5 旋轉(zhuǎn)機(jī)械噪聲模擬軟件——ACTRAN TM

ACTRAN TM是分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械及管道輻射噪聲的分析工具。ACTRAN TM提供了渦輪機(jī)械噪聲分析所需要的所有高級(jí)模擬功能。ACTRAN TM具有以下獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）準(zhǔn)確捕捉非均質(zhì)流的對(duì)流和折射效應(yīng)，既可以用ACTRAN計(jì)算非均質(zhì)背景流動(dòng)，也可以從其它CFD仿真程序?qū)耄?

（2）利用ACTRAN TM中的Myers邊界條件，聲襯的影響被精確統(tǒng)計(jì)；

（3）可以用入射管道模態(tài)來定義聲源，或者根據(jù)一組平面的壓力脈取聲源，壓力脈動(dòng)來自CFD的瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果。

聲學(xué)CAE的挑戰(zhàn)之一就是處理大馬赫數(shù)、大幾何尺寸、形狀復(fù)雜的大模型， ACTRAN TM具有包含高級(jí)并行處理能力在內(nèi)的高效率求解技術(shù)，只有ACTRAN TM才可以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

ACTRAN TM的典型應(yīng)用：渦輪機(jī)械（航空、船舶）、航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、管道式冷卻系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。

圖2.5  ACTRAN/TM典型應(yīng)用

2.6 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲模擬軟件——ACTRAN DGM

ACTRAN DGM是對(duì)ACTRAN TM的最好補(bǔ)充，它可以求解比ACTRAN TM更高的馬赫數(shù)和更高的頻率，使ACTRAN DGM成為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)排氣等噴流噪聲的排他性工具。

ACTRAN DGM使用非連續(xù)伽遼金法求解線性化的歐拉方程，能夠預(yù)測(cè)在復(fù)雜物理?xiàng)l件下的聲傳播，這使ACTRAN DGM具有非常優(yōu)異的并行加速比，因而ACTRAN DGM可以求解非常大的工程問題。它特別適合于求解具有二級(jí)空氣系統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)問題，它精確統(tǒng)計(jì)了強(qiáng)剪切流、大溫度梯度的聲傳播效應(yīng)，ACTRAN DGM模擬排氣噪聲需要的所有邊界條件：表達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇聲源的管道模態(tài)激勵(lì)、無反射邊界條件、速度邊界、導(dǎo)納條件、聲襯邊界條件以及反映安裝效應(yīng)的Thompson邊界條件等。

ACTRAN DGM的典型應(yīng)用：渦輪排氣噪聲、大型渦輪進(jìn)氣噪聲、所有涉及非均質(zhì)平均流動(dòng)效應(yīng)的聲傳播問題。

圖2.6  ACTRAN/DGM典型應(yīng)用

2.7 功能強(qiáng)大的前后處理工具——ACTRAN VI

ACTRAN VI是專業(yè)聲學(xué)前后處理軟件，它可以完成分析任務(wù)的生成、編輯等前處理任務(wù)。與傳統(tǒng)的有限元程序的使用流程相同，易于被工程師接受和理解，操作方便，同時(shí)提供腳本文件編輯功能，用戶可以不需要啟動(dòng)軟件前處理界面就可以直接在文本文件中添加與修改求解參數(shù)，并提交計(jì)算。支持邊界條件的可視化，支持在做前處理時(shí)可以直接查看如梁單元方向、施加載荷的位置和方向等。

ACTRAN VI除了具有云圖、矢量圖、數(shù)據(jù)報(bào)告等通用后處理功能外，還具有瀑布圖、多工況曲線圖等后處理能力，滿足聲學(xué)分析對(duì)后處理的特殊要求。支持以動(dòng)畫的形式展示結(jié)果，通過設(shè)置的場(chǎng)點(diǎn)，可以描繪出聲學(xué)指向性曲線，指向性曲線可以快速找到室內(nèi)噪聲輻射較大的方向位置，方便找出聲源。還可以將場(chǎng)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)的頻譜曲線結(jié)果轉(zhuǎn)換為聲音文件，讓使用者聆聽通過仿真預(yù)測(cè)到的聲音。

圖2.7  ACTRAN/VI

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