مقالات  >  عمومی  >  شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن (Silencer)

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

زمانی که در ساختمان‌ها از سیستم تهویه مطبوع استفاده می‌شود، مردم اغلب صدایی که توسط جریان در داکت‌ها ایجاد می‌شود را متوجه می‌شوند. برای کمک به جلوگیری از پخش زیاد صدا، نیاز به طراحی صداخفه‌کن‌ها می‌باشد. طراحی بسیار مهم است بدلیل اینکه نتیجه طراحی اغلب یک مصالحه بین معیارهای مختلف (نظیر هندسه، افت فشار جریان و... ) است.

ورژن 18 نرم‌افزار ANSYS توانایی‌های جدیدی برای کمک به مهندسین برای شبیه‌سازی‌های چندگانه ایجاد کرده است تا مهندسین رفتار آکوستیکی صداخفه‌کن‌ها را درک کنند.

در این مقاله نکات و ترفندهایی برای تنظیم کردن یک آنالیز هارمونیک آکوستیکی برای بدست آوردن نتایج دقیق و سریع ارائه خواهد شد.


آماده‌سازی هندسه

در نگاه اول، هندسه شاید به نظر پیچیده به نظر برسد به این دلیل که هم قسمت‌های سازه‌ای و هم قسمت‌های سیالاتی باید در نظر گرفته شود.

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

 

از اینرو مدل المان محدود باید شامل یک جسم برای کانال هوا، یک جسم برای صفحه  و یک جسم برای جسم متخلخل باشد.

اکیدا توصیه می‌گردد که برای اجتناب از مناطق تماس بین قسمت‌ها (parts) هندسه یک قسمت چندجسمی واحد (single multi body) باشد.

به جای استفاده از صفحات مشبک واقعی که مش زدن آن‌ها یک کار بسیار طاقت فرسا است، Mechanical این امکان را ایجاد می‌کند که کاربر از مدل صفحه مشبک استفاده کند و سوراخ‌ها را مدل نکند که هم هندسه و هم تحلیل بدین طریق ساده می‌شود.

اگرچه شرط تقارن چرخه‌ای (cyclic symmetry) یک گزینه نیست، چرا که فرمول فعلی آن فقط درجه آزادی‌های سازه‌ای را به حساب می‌آورد، اما استفاده از تناوب خطی در صفحه افقی توسط مدل کردن فقط یک کانال امکان‌پذیر است.

از آنجایی که از پدیده‌های در جهت عمودی می‌توان صرف‌نظر کرد، این امکان وجود دارد که مدل کوچکتر شود. Mechanical اجازه تحلیل آکوستیک دوبعدی را نمی‌دهد، اما می‌توان از همان روشی که در کارهای CFD انجام می‌شود یک تک لایه برای سه‌بعدی کردن مساله در راستای عمودی اضافه کرد. از اینرو هندسه به شکل زیر درخواهد آمد:

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

اگر تکرارها نیاز به اعمال در طراحی باشند، یک راه مناسب برای پرهیز از تکرار کردن کارها در فاز پیش-پردازش زمانی که طراحی تغییر می‌کند تعریف کردن انتخاب نام (named selections) در اجسام آکوستیک (Acoustic bodies)، ورودی، خروجی و درگاه‌های آکوستیکی (Acoustic ports) است.

 

خواص مواد

جسم‌های آکوستیکی (Acoustic bodies) در محیط Mechanical تعریف خواهند شد، از اینرو نیاز واقعی به تعریف کردن خواص مواد در Engineering Data وجود ندارد. با این وجود، کپی کردن مواد پیش‌فرض و ساختن سه ماده از کتابخانه (هوا، جسم متخلخل و صفحه مشبک) کار خوبی خواهد بود.

رنگ این مواد را تغییر دهید و Display Style را توسط material در Mechanical ست کنید.

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

 

شرایط مرزی

اجسام آکوستیک (Acoustic Bodies)

برای استفاده از المان‌های آکوستیک (FLUID30، FLUID220 یا FLUID221)، اجسام آکوستیکی نیاز به تعریف در موارد زیر دارند:

·         مجرای کانال: فقط خواص آکوستیکی هوا که به صورت پیش‌فرض هستند تعریف کنید.






شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

 

·         ماده متخلخل: در این قسمت کاربر باید خواص معادل سیال ماده متخلخل را مشخص کند. بسته به خواص ماده که ارائه شده است، مدل‌های فیزیکی مختلفی می‌توانند استفاده شوند:

o       Johnson-Champoux-Allard (JCA)

§         مقاومت ویژه σ

§         تخلخل Ø

§         انحنا α

§         طول مشخصه ویسکوز Λ

§         طول مشخصه حرارتی ′Λ

o       Delany-Bazley (DLB)

§         مقاومت سیال σ

§         زمانی استفاده می‌شود که  

o       Miki (MIKI)

§         مقاومت سیال σ

§         زمانی استفاده می‌شود که  

o       امپدانس مرکب و ثابت تحریک (ZPRO)

§         مقاومت RS

§         مقاومت واکنشی XS

§         ضریب میرایی α

§         ثابت فاز ß

o       چگالی مرکب و سرعت (CDV)

§         چگالی موثر مرکب

§         سرعت

در مثال جاری، مدل MIKI انتخاب شد:






شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER



شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

 

·         صفحه مشبک: صفحه توسط یک ماتریس پذیرش انتقال 2*2 ساده می‌شود تا ساختار پیچیده شبکه قسمت‌بندی شود، این کار به جای شبکه‌بندی صفحه با سوراخ‌ها انجام می‌شود.

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

برا اساس الگوی سوراخ‌ها 3 مدل برای ماتریس انتقال موجود می‌باشد:

o       صفحه شبکه شش‌وجهی (Hexagonal grid plate)

o       صفحه شبکه مربعی (Square grid plate)

o       ماتریس پذیرش انتقال کلی (General transfer admittance matrix)

برای دو مدل اول صفحات شبکه، پارامترهای زیر باید تعریف شوند:

§         شعاع سوراخ‌ها

§         پریود شبکه

§         ضخامت صفحه

§         برای ساختارهای استوانه‌ای، نسبت ساختار داخلی و خارجی (مقدار 0/1 می‌تواند برای صفحات تخت در نظر گرفته شود)

اگر پارامترهای یاد شده با طراحی واقعی مطابقت داشتند، نتایج همانند موردی که سوراخ‌های واقعی در نظر گرفته شود خواهد شد.








شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

 

درگاه‌های خروجی آکوستیکی

درگاه‌ها برای جای دادن مناطق آکوستیکی مشخص استفاده می‌شوند برای تعریق کردن ماتریس پذیرش انتقال بین دو درگاه و محاسبه نتایچ توان صوتی (توان ورودی برای یک درگاه یا هدررفت انتقالی بین دو درگاه)

از اینرو، 6 درگاه خارجی آکوستیکی نیاز به تعریف است:

·         در ورودی و خروجی برای مجاسبه اتلاف انتقال (قسمت 1 و قسمت 2). توصیه می‌شود که درگاه شماره 1 و درگاه شماره 2 برای پلات‌های نتیچه توان استفاده شود.

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

·         در مرزهای عمودی دو صفحه مشبک برای تعریف کردن ماتریس پذیرش انتقال

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

 

شرط مرزی تشعشع

برای اجتناب از موج‌های منعکس شده در ورودی و خروجی، یک مرز تشعشعی آکوستیکی در مکان‌های نشان داده شده در شکل زیر تعریف شده است. این شرط، شرط Robin نامیده می‌شود.

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

 

بارگذاری

سرعت سطح نرمال

به عنوان یک محرک، یک سرعت نرمال می‌تواند به ورودی اعمال شود با این هدف که صدای تولید شده را توسط سطح ارتعاشی تولید کند.

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

 

معمولا این مدل تحلیل برای گرفتن نتیجه اتلاف انتقالی ساخته می‌شود، که نرخ تابش انرژی با انرژی انتقالی است. به همین دلیل، اندازه تحریک در ورودی مهم نیست. با این وجود مهم است که بدانیم که این مقدار مقدار سرعت جریان نیست.

 

شبکه‌بندی

شبکه‌بندی در این مدل تحلیل بسیار مهم است بخصوص آنجایی که سایز المان بسیار مورد توجه می‌باشد.

سایز المان به شدت به طول موج وابسته است.

برای ضبط پخش صدا با دقت قوانین زیر باید دنبال شوند:

·         اگر المای‌های خطی (بدون گره‌های میانی-کناری) استفاده شوند، حداقل 12 المان بر طول موج نیاز می‌باشد.

·         اگر المان‌های مربعی استفاده شوند، فقط 6 المان بر طول موج نیاز است.

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

نکته برای شبکه‌بندی صفحات مشبک: المان مرتب برای ماتریس پذیرش انتقالی فقط برای المان‌های شش‌وجهی و منشوری امکان‌پذیر است. برای المان‌های شش‌وجهی، فقط یک جفت المان سطح روبه‌رو به عنوان درگاه‌ها می‌توانند تعریف شوند. برای المان‌های منشوری، فقط دو المان سطح مثلثی برای درگاه‌ها استفاده می‌شود. یک جفت درگاه ماتریس پذیرش انتقالی 2*2 باید در همان المان تعریف شود. محدودیتی برای سایز شبکه‌بندی المان مرتب بین دو درگاه وجود ندارد.

 

 تنظیمات تحلیل

مراحل زیر باید انجام شود:

·         بازه فرکانس نیار به تعریف دارد

·         روش کامل (Full Method) باید مشخص شود

·         بانک اطلاعاتی MAPDL باید ذخیره شود

·         نتایج متفرقه کلی (General Miscellaneous) باید محاسبه شوند

امکانات متعددی برای تعریف بازه فرکانس تحلیل وجود دارد. شاید متداول‌ترین شیوه، استفاده از امکانات User Defined Frequency و مشخص کردن فرکانس‌های داده‌هایی که معمولا برای جاذب‌های آکوستیکی همانند فرکانس‌های مرکز باندهای اکتاو (63 هرتز، 125 هرتز، 250 هرتز، 500 هرتز، 1000هرتز، 2000 هرتز، 4000 هرتز، 8000 هرتز) می‌باشد.


شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

 

دو نقطه آخر برای همه تحلیل‌ها در امکانات Mechanical می‌تواند تنظیم شود:

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER


شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

 

نتایج

فشار آکوستیکی در هر فرکانس تحلیل می‌تواند رسم شده و با انیمیشن نشان داده شود.

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

متداول‌ترین نتیجه درخواستی توسط کاربران منحنی افت انتقال است. افت انتقال نرخ توان صوتی حادث شده که از میان سیستم منتقل می‌شود. برای تعریف این نتیجه، خیلی ساده می‌توان از Acoustic Power Result Plot که از درگاه‌های خارجی آکوستیکی 1 و 2 که به شرایط مرزی به ترتیب ورودی و خروجی مرتبط می‌شود استفاده کرد.

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

یا در مقیاس لگاریتمی

شبیه‌سازی آکوستیکی صداخفه‌کن ACOUSTIC SIMULATION OF A SILENCER

 

نتیجه‌گیری

حل مساله کمتر از یک دقیقه با دو هسته طول می‌کشد. برای بهینه کردن ساده و سریع طراحی یک صداخفه‌کن استفاده از DesignXolorer امکان‌پذیر می‌باشد. برای این کار نیاز به تعریف پارامترهایی نظیر ابعاد هندسی و یا خواص ماده مثل مقاومت جسم متخلخل، افت انتقالی بیشینه و... است. تعمیم توسعه محصول مبتنی بر شبیه سازی در این مورد سودمند خواهد بود چرا که ارزیابی چندین نمونه اولیه مجازی، بسیار بهتر از فرآیند کلاسیک ساخت نمونه‌های واقعی و آزمایش آن‌ها خواهد بود.

ترجمه: مهندس نرج‌آبادی
منبع: www.simutechgroup.com