透過Actran分析新型風扇的氣動噪音 Actran Acoustic 風扇 氣動噪音

引 言 

氣動聲學（Aeroacoustics）是一門研究氣流與聲音之間相互作用的學科，主要關注由氣體（通常是空氣）的運動或擾動產生的聲音。這門學科涉及分析聲音如何隨氣流傳播、如何被湍流或其他氣流現象所激發，以及如何控制和減少由氣動過程引發的噪音。

混合方法在 Actran 中是一種常用的計算 氣動聲學 方法。 該方法假設 氣動聲源 與湍流流動相關，但聲場對流場沒有反作用。 本質上，這是一個兩步求解方案。 首先，使用 URANS 、 LES 或 DES 求解非定常流場； 接著，從 CFD 結果中提取聲源並求解聲音傳播。

軸流風扇產生的聲音具有兩個獨特的特徵： 線譜音調 和 寬頻帶。 混合方法 （使用Lighthill類比和對整個信號進行一次離散傅立葉變換） 可以預測寬頻帶信號，但通常會得到 不切實際 的高波動噪聲結果。

本文使用Actran提出了一種針對 風扇噪聲 問題的新組合方法。 與傳統混合方法不同，該方法能 ” 準確捕捉線譜音調噪聲，並能獲得平滑的寬頻帶噪聲曲線。”  

 

數 值 計 算 

首先進行非穩態CFD仿真。 計算域由靜止場和包圍風扇的旋轉域組成。該模型捕捉了所有細節，包含風扇孔口、風扇護罩、線圈和百葉窗。 在本研究中，線圈被建模為多孔區域，並應用滑動網格方法來計算 Actran 氣動聲學模擬所需的非定常CFD結果。 旋轉域 （風扇） 的旋轉頻率為1118 RPM，時間步長為0.0005秒，總模擬時間為0.8秒，確保所求最小頻率遠小於37.2Hz （葉片通過頻率） 。  

(旋轉域包圍風扇葉片，靜止域包含流動障礙物和多孔線圈)

 

Lighthill聲類比有兩種源的計算方式： 在域的整個體積上和在源的表面上計算。 如果採用前者，源計算需要整個域的CFD信息；但在後者中，我們只需要在單個表面上讀取速度信息 （以及不可壓縮模擬情況下的密度） ，這對於文件管理來說是一個很大的優勢。 在本研究中，風扇作為唯一的主要聲源，為了加速CFD模擬，僅導出包圍風扇的表面，即轉子-定子界面靜態側的CFD數據。 CFD求解器使用480個核心，模擬時間接近40小時。 最耗時的部分是在每個時間步寫入數據，這會減慢求解速度。

 

本例基於Actran2021.1，採用Lighthill面源方法，將聲源映射到聲學 Acoustic 網格上，並完成時域氣動聲源轉換成頻域的計算。 這項研究的新穎之處在於這一步，其中採用兩個互補的離散傅里葉變換 （DFT） 設置來精確計算線譜音調和寬頻噪聲，同時避免了由於採樣時間有限而在高頻下出現不切實際的聲壓級波動：

1. 對於葉片通過頻率 （BPF） 及其諧波引起的線譜音調噪聲，使用最小二乘法在整個採樣時間內定義並完成第一個DFT。 該方法強制提取用戶設定的頻率。在本研究中，設定為從BPF開始並提取BPF高達1000Hz的每個諧波。 
2. 對於寬頻帶噪聲，時域數據樣本分解為多個較小的樣本 （多重離散傅立葉變換）  ，這些樣本彼此重疊50%，並對每個樣本應用Hanning窗以平滑每個子樣本之間的過渡。 在本研究中，原始時域數據被分為78個重疊樣本，每個樣本的持續時間為0.02秒，正好對應50個CFD時間步長。 子採樣持續時間為0.02秒，最小頻率和頻率步長固定為50Hz。 選擇這些參數是為了獲得不包含BPF或其諧波的頻率列表，因此僅提取寬頻帶噪聲的結果。 此方法的缺點是沒有充分利用CFD的全部結果。

 

通 過 上 述 兩 步 ，獲 得 了 兩 組 氣動噪聲 ：

1. 一個DFT得到BPF及其諧波的噪聲。
2. 多重DFT方法得到的寬頻帶噪聲。使用兩組互補的結果，並使用腳本進行合併，便可獲得組合氣動聲學模擬的總體頻率響應。

(音調和寬頻帶結果相結合以獲得模擬的頻率響應)

 

結 果 分 析

使用A計權法和Hanning窗，以25600 Hz的採樣率和1 Hz的頻率分辨率在多個位置記錄持續一分鐘的聲壓級。 使用快速傅立葉變換來獲得頻域數據。 本研究中的接收器距離設備56英寸，距離地面68英寸。

(接收器相對於裝置的放置示意圖)

 

下 圖 對 比 了 新 方 法 （New Method） 、實 驗 測 試 和 使 用 Lighthill類比 的 傳統混合方法 （Hybrid Method） 的 計 算 結 果 。 Actran 之 新 方 法 在 解 決 寬頻帶噪聲 方 面 更 加 成 功， 但 它 高 估 了 較 高 頻 率 下 線 譜 音調噪聲 的 貢 獻 量 。

 

下 表 總 結 了 三 個 數 據 集 的 聲壓級 。 混合方法低估了實際SPL測量值，頻譜中SPL值普遍較低。 而新方法預測的寬頻帶信息與測試數據更為接近，相較傳統混合方法有顯著改善。 但在高於五次諧波的頻率後，該方法高估了BPF下的噪聲值 （188 Hz） ，這導致上表中報告的OASPL值更高。

 

查 看 完 整 原 文 請 搜 索 ： Ali Nikparto, Alexis Talbot, Asad Sardar, Clement Roy. Outdoor unit split fan noise prediction using a hybrid lighthill analogy method. NOISE-CON. 2022: 727-736.

 

 

 

 

Actran 用 在 各 種 形 式 的 聲 學 模 型

 

常 見 應 用 的 產 業 Actran Acoustic 風扇 氣動噪音

• 航太:  經過駕駛艙和機身 、 發動機短艙內襯 、 機身和駕駛艙絕緣 、 ECS（環境控制系統） 、 APU 和 ECS 入口和出口消音器 、 後緣 、 聲納 、 直升機渦輪噪聲 、 起飛時火箭有效載荷的隨機動態響應的聲音傳輸 、 聲納。（飛機在飛行中，特別是當氣流通過機翼、渦輪發動機或其他部件時，會產生噪音。Actran能解決在飛機的設計和運行過程中如何減少這些噪音。）
• 車輛:  動力總成 、 裝飾設計 、 風噪聲 、 發動機部件 、 壓縮機 、 進氣歧管 、 空氣濾清器 、 閥蓋 、 擋板 、 電動機 、 揚聲器 、 消聲器 、 輪胎噪聲 、 消音器 、 高壓分配管道 、 馬達 、 齒輪箱。（在汽車中，隨著車速的增加，空氣在車身表面和結構間的流動會產生噪音。Actran能解決使設計更流線型的車輛外形，從而降低風噪。）
• 消費品: 電話 、 免提電話通訊 、 耳機 、 揚聲器 、 助聽器 、 樂器 、 洗衣機 、 冰箱 、 吸塵器。

 

• 電子產品: 光碟硬碟等轉動裝置 、 手機 、 相機 、 液晶投影設備的風扇。

 

• 機械裝置: 渦輪機械 、 暖通空調 、 割草機和農業機械 、 排氣系統 、 馬達。（建築物的暖通空調系統中的氣流，也會產生噪音，Actran能優化氣流設計，降低噪音並提高舒適度。）

 

 

 

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