Akustika – úvod do simulací

Akustika – úvod do simulací

Akustika je velmi diskutované téma u velké většiny inženýrských profesí. Výrobní organizace se snaží u svých zařízení splnit hlukové limity, projekční kanceláře dosáhnout adekvátního akustického mikroklimatu, případně nejlepšího požitku z poslechu hudby v daném prostoru a kontrolní orgány co nejpřesněji stanovit kýžené akustické parametry. Hlavní podporou činností vedoucí k danému cíli mohou být akustické simulace, které se s narůstajícími výpočetními výkony, jeví stále více atraktivní.

Motivace řešení akustických úloh již ve fázi návrhu

Akustika je vědní obor, který nabývá na důležitosti i v oblastech, kde ještě v nedávné době nebylo nutné záležitosti s generováním a šířením zvuku ve větší míře uvažovat. Tento trend je velmi úzce spojen s aktuálními směry, které se ve výrobním průmyslu soustředí na vylehčování materiálů, což se negativně podepisuje na schopnosti tlumit zvuk, případně na přicházející elektromobilitu, kdy nastává čas se soustředit i na zvuky, které byly dříve maskovány hlučnějšími typy pohonných jednotek.

Požadavky na hluk vychází od zákazníka a projevují se zavedením různých hlukových předpisů, které se výrobci snaží u svých zařízení splnit. Výsledný zvukový projev zařízení či jeho subjektivní vjem v místě poslechu, souvisí s emocionálně estetickým cítěním a tato přijatá informace může být rozhodujícím kritériem u hodnocení kvality produktu. Z toho důvodu se konstruktéři, akustičtí inženýři a NVH týmy opírají o různé simulační nástroje, které jim pomáhají případné problémy predikovat a výsledný zvukový projev naladit tak, aby korespondoval s image firemní značky.

Klasifikace zdroje zvuku

Většina strojních zařízení obsahuje části, které konají vratný nebo rotační pohyb, s nímž je spojeno i silové působení na okolní součásti. Tyto časové změny pohybu, případně geometrie těles, mají za následek rozkmitání jejich povrchu, což vyvolá i kmitání částic obklopující tekutiny, kterou se následné vzruchy šíří prostorem ve formě vlnění. Tyto typy akustických zářičů jsou označovány jako stacionární zdroje, které jsou převážně mechanického a elektrického typu. Celkový vyzařovaný akustický výkon takového stroje je tvořen celým souborem akustických výkonů generovaných dílčími částmi stroje, a tudíž i směrové účinky jsou nerovnoměrně v rámci okolního prostoru.

Odlišnou skupinou zdrojů zvuku jsou tzv. aerodynamické zářiče, jejichž hlavní příčinou je volné nestacionární turbulentní proudění. V tomto případě je vznik akustického vlnění způsoben pohybem vzduchu, a nikoliv kmitáním pevného povrchu tělesa. Samotná generace zvuku může být způsobena

• fluktuacemi objemu tekutiny,
• oscilačními sílami v důsledku interakce tekutiny a pevné části,
• oscilačními sílami v důsledku interakce tekutiny a pohybujících se těles,
• tečného napětí proudící tekutiny.

Dle toho, jaké fyzikální mechanismy generování zvuku způsobují, rozlišujeme zdroje zvuku monopólového, dipólového a kvadrupólového charakteru. Tyto zdroje se od sebe liší především účinností vyzařování a směrovým činitelem.

Řešení akustických úloh pomocí nástrojů Ansys

Volba vhodného řešiče akustického problému se děje na základě klasifikace zdroje zvuku, přesnosti výsledků, náročnosti výpočtu, oboru parametrů, které jsou vstupem či výstupem analýzy (časová, frekvenční doména), případně době a pravidelnosti akustického vzruchu.

Obrázek 1 - Možnosti řešení akustických úloh pomocí numerických simulací.

Nástroje využitelné v oblasti mechanické akustiky jsou Ansys Mechanical, Ansys LS-Dyna a Ansys Motion. Do oblasti mechanické akustiky spadá i hluk elektrických točivých strojů, kde k simulacím buzení statorem dochází v Ansys Maxwell, jehož výstupy dále vstupují do Ansys Mechanical. Výpočetní aeroakustiku (CAA) obstarává Ansys Fluent a v případě potřeby postihnout interakci proudící tekutiny a konstrukce se jedná o „couplované“ řešení Ansys Fluent/Ansys Mechanical, příkladem může být hluk v kabině vozidla při jízdě.

Obrázek 2 - Couplovaná úloha simulace hluku v kabině při jízdě.

Protože u většiny zařízení se na výsledném zvukovém projevu podepisuje více komponent, je i v případě hodnocení úprav jednoho zdroje zvuku nutné pracovat s daty celého zařízení. Pro provádění lokalizace, analýzy, izolace a modifikace jednotlivých zvukových komponent slouží nástroj Ansys Sound Analysis and Specification. Ten umožnuje také pracovat s experimentálně získanými daty a například nově vyvíjenou komponentu z celkového zvuku odfiltrovat a nahradit daty ze simulace.

Pouze takto komplexní přístup k řešení akustických problémů může vést ke zdárnému splnění vytyčených hlukových kritérií. Cílem série článků s tématem Akustika je čtenářům více přiblížit proces predikce a návrhů možných strategií vedoucí ke snížení hluku. Následující články budou již věnovány konkrétní problematice a řešení vzorových úloh mechanické akustiky i výpočetní aeroakustiky.