پدیده آکوستیک در ANSYS

پدیده آکوستیک علم مطالعه اصوات است که دارای کاربردهای فراوانی در بسیاری از شاخه­ های علوم می­ باشد. یکی از کاربردهای نوین آن که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است بکارگیری امواج صوتی در زیر آب است. این فناوری دارای کاربردهای بسیار متنوعی از قبیل ردیابی ماهی­ ها، عمق سنجی دریاها، زمینه­ های نظامی و بسیاری موارد دیگر می­ باشد. به همین علت ساخت تجهیزات مناسب جهت بکارگیری این فناوری همواره مورد توجه محققان بوده است. در این مسیر استفاده از نرم افزارهای شبیه ­سازی مانند ANSYS می ­تواند با کاهش هزینه­ ها و بهینه سازی فرآیند ساخت کمک شایان را به طراحان کند.

۱) مقدمه ­ای برآکوستیک:

آکوستیک به معنای تولید ، تراگسیل و دریافت انرژی ناشی از ارتعاش در ماده است. در واقع اگر اتمها و مولکولها از حالت طبیعی خود خارج شوند، این امر باعث ارتعاشهای نوسانی و در نتیجه تراگسیل موجهای آکوستیکی می‌شود. به طور کلی امواج صوتی امواج مادی بوده که هم به صورت طولی و هم عرضی منتشر می­شوند. امواج آکوستیکی یا ارتعاشهای صوتی بر حسب حدود فرکانس­شان به سه دسته تقسیم می‌شوند:

• ارتعاشهای فراصوتی از فرکانسهای ۱۵۰۰۰ سیکل بر ثانیه (Hz) به بالا
• ارتعاشهای صوتی که با گوش شنیده می‌شوند با حدود فرکانس بین ۲۰ الی ۱۵۰۰۰ سیکل بر ثانیه
  
• ارتعاشهای فروصوتی ، از فرکانسهای ۲۰سیکل بر ثانیه به پایین

 

۲) کاربرد آکوستیک در آب:

بکار بردن امواج صوتی درون آب برای تراگسیل اطلاعات یکی از موارد کاربرد آکوستیک است. بعضی از این کاربردها عبارتند از:

• تعیین ژرفای آبها به کمک اندازه گیری زمان رفت و برگشت صوت
• ایجاد ارتباط در زیر آب
• ردیابی کشتی­ ها و زیر دریایی­ ها، مسیریابی حرکت اژدرها و …

سرعت صوت در آب شیرین تابع دما است. البته باید توجه داشت دو عامل دیگر بر سرعت صوت در آب دریا تأثیر دارند که عبارتند از شوری آب و تغییرات فشار که رابطه مستقیم با عمق آب دارد.

 

۳) سونار:

سونار (SONAR) یا به عبارت دیگر “ناوبری وتشخیص فاصله توسط صوت“ (Sound Navigation and Ranging) تکنولوژی است که با استفاده از انتشار صدا در زیر آب قادر به شناسایی دیگر ناوها و کشتی هاست. تفاوت رادار و سونار این است که رادارها با امواج الکترومغناطیسی و سونارها با امواج فراصوتی دارای بسامد بسیار بالا سروکار دارند. سونارخود بهدونوعتقسیم می­ شود.

*سونارفعال (Active SONAR)

نحوه کار سیستم سونار فعال به این صورت است که یک پالس صدا را می­فرستند و منتظر پژواک آنمی­مانند. در سیستم سونار فعال ، منبع مانند یک دریافت کننده عمل می­ کند. اندازه­ گیری عمق دریا ( عمق سنجی آکوستیکی ) و اندازه ­گیری مسافت بین دو پاسخگر برخی از کاربردهای این نوع سونار می­ باشد.

*سونارغیرفعال(Passive SONAR)

سیستم سونار غیر فعال علاوه بر دریافت پژواک­های منعکس شده از اهداف، به صداهای تولید شده توسط دیگر منابع زیر آب که در حال ارسال امواج صوتی می باشند، می ­پردازد.

برای مشاهده نمونه پروژه‌های انجام شده در زمینه آکوستیک کلیک کنید

۴) شبیه­ سازی پدیده آکوستیک در ANSYS:

شبیه سازی این فرآیند با پدیده ­هایی مانند تولید، جذب و انعکاس امواج فشاری در محیط سیال سروکار دارد که همان طور که در بالا به آن اشاره شد برای شبیه سازی سیستم­های دریافت کننده صوت به ­کار می­ رود. به طور کلی موارد کاربرد این تحلیل در نرم افزار ANSYS عبارتند از:

• سونار
• طراحی محیط­های پخش موسیقی
• بهینه­ سازی (کاهش دادن) شدت صوت در خودرو و محیط­ های کار
• آکوستیک زیر آب
• و بسیاری موارد دیگر

 

تحلیل پدیده آکوستیک در این نرم ­افزار به طور کلی به دو شکل انجام می­ گیرد. تحلیل نوع اول متمرکز بر بررسی انتشار امواج آکوستیک است و تحلیل نوع دوم فرآیند کوپله سازه-سیال (Fluid Structural Interaction) می­ باشد که شامل بر یک سری فرضیات می­ باشد.

• سیال تراکم پذیر (Compressible) است.
• سیال غیر جاری (Non-Flowing) است.
• سیال غیرویسکوز (Inviscid) فرض می ­شود.
  

 

به طور کلی رابطه انتشار موج آکوستیک به صورت زیر است:

که C در آن سرعت صوت و P فشار سیال است. معمولا تحلیل­ هایی که در این حوزه انجام می­ گیرند تحلیل­های هارمونیک، مودال و در مواردی نیز دینامیک گذرا می­ باشند. در آنالیز هارمونیک برای فشار رابطه ­ای هارمونیک به شکل زیر فرض می­ شود:

 

در نتیجه رابطه انتشار موج در حالت هارمونیک به شکل زیر در می­ آید:

توجه شود که در تحلیل آکوستیک، نوع آنالیز هارمونیک باید به صورت کامل (Full ) باشد. نمی توان از روش برهم نهی مدها (Mode Superposition) در آنالیز آکوستیک استفاده کرد.

 

۵) المانهای تحلیل آکوستیک:

آکوستیک به معنای تولید ، تراگسیل و دریافت انرژی ناشی از ارتعاش در ماده است. در واقع اگر اتمها و مولکولها از حالت طبیعی خود خارج شوند، این امر باعث ارتعاش های نوسانی و در نتیجه تراگسیل موجهای آکوستیکی می‌شود. به طور کلی امواج صوتی امواج مادی بوده که هم به صورت طولی و هم عرضی منتشر می­شوند. امواج آکوستیکی یا ارتعاشهای صوتی بر حسب حدود فرکانس­شان به سه دسته تقسیم می‌شوند:

یکی از مهمترین مراحل در شبیه­ سازی فرآیندهای آکوستیک تعیین المان مورد استفاده جهت تحلیل است. جدول زیر المان­های این حوزه را نشان می دهد: