具有国际领先核心算法&自主开发的中高频噪声分析软件ProNas（含安装包）

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用ProNas软件对整船进行中高频噪声预测和分析的过程。通过导入整船网格模型，自动生成舱室空腔，并施加结构噪音载荷和材料声学包等激励，最终提交求解获得整船中高频噪声的有限元模型。计算结果显示，ProNas软件在处理大规模整船计算时具有良好的兼容性和效率，结果合理准确。此外，文章还对比了ProNas与其他两款知名声学软件的能力，指出ProNas在核心算法、计算效率、模型细节表达、子系统划分等方面具有优势。最后，文章总结了ProNas产品的整体优势，包括模拟结果的准确性、声学包模块的独特算法、易用性以及软件自主可控性等特点。

1.案例背景概述

1.1船舶行业背景

在船舶新产品开发、详细设计以及产品装配等方面，大力采用计算机仿真分析手段，通过CAE软件在计算机上进行虚拟模拟，在产品基本达到各项性能指标后，再开始生产，这样会大大提高产品的合格率，并能保证产品安全、稳定的投入实际使用。

噪声是评判船舶设计水平的重要参数，整个船舶的噪音分析一直都是一个巨大的挑战。当前在这个工业领域统计能量分析占有统治地位，对于工程师而言，是希望同时能运用能量有限元计算结构噪音和利用统计能量法计算空气噪音。直接利用强度和振动计算的有限元模型，声学包的属性直接附在考察空腔周界的壁板上，所有空腔和板单元的声振响应都被预测得到。和统计能量分析不同的是，能量有限元模型并不需要对现有的有限元模型作重大改变，因此，能量有限元-统计能量混合技术对艇船噪音分析是有巨大的工程应用价值。

艇船的噪声设计和控制在产品开发的不同阶段有不同的目标。减振降噪部需要有较好的软件在不同阶段进行噪声的预测，分析和设计优化，迭代完成噪声指标的分解，保证产品满足最后噪声指标要求，从船体不同部位，不同舱室都能够达标验收。

1.2软件概述

ProNas软件是安世亚太自主开发、拥有100%国内自主软件著作权的自主可控中高频噪声软件，目前噪声振动预测分析领域内具有国际领先的最新技术结晶，是能量有限元分析（EFEA）和统计能量分析（SEA）领域的代表性解决方案。ProNas混合EFEA-SEA技术和基于能量有限容积算法的工程开发与应用，代表着振动噪声工程界新一代的前沿技术。
    在物理样机制造之前，利用ProNas软件对设计的虚拟样机进行振动噪声预测，以达到降低产品成本、缩短开发周期、提高产品质量，并降低产品风险的目的。同时，在物理样机设计开发的过程中，可应用该软件进行大量的灵敏度分析和整个系统在结构激励或声场激励下广谱的随机噪声振动评估。
       ProNas软件建模灵活、计算效率高，具有宽泛的阻尼和耦合强度适用范围和简单易学的用户操作界面，非常适用于结构声学问题的可行性研究、灵敏度分析及优化设计等。ProNas软件最新版本为2019，具有中英文界面。

2.软件详情

2.1 软件功能

采用ProNas/ EFEA-SEA可以有效解决中高频噪声振动问题，实现以下功能：

整个系统在结构激励或声场激励下广谱的随机噪声振动预测

在空气或水等各种介质中的中高频辐射声场的分析和模拟

板、壳、梁及声场之间的各种耦合与联结

板状结构的中高频振动分析和模拟

板-板结构(不同角度，厚度或不同材料参数)之间的联结

内部声场(水或空气)的分析和模拟

结构与内部声场(水或空气)之间的耦合

结构外表面上的声音辐射的分析和模拟

标准输入接口：网格输入数据可采用标准有限元格式

智能自动搜索有限元网格模型，创建声学空腔

方便实用的用户界面和接口

2.2 软件模块

ProNas软件主要模块包括：

ProNas/GUI，EFEA-SEA   用户界面、建模基本环境及前后处理、能量有限元-统计能量混合模块

ProNas/AM（Acoustic Materials）  声学材料模块

2.3 软件特点与优势

ProNas特点及优势：

ProNas是基于能量有限元为基础的高频噪音计算软件，由于采用了有限元为载体进行高频噪音计算，与传统的统计能量法相比，具有以下先天性的优势：

模型重复利用率得到了质的提升，基于振动甚至强度计算的有限元模型可直接用于高频噪声计算

可利用结构的边界网格快速生成几何空腔或者有限元空腔，即可快速评估空腔的整体声压，又可评估空腔中声压的准确分布，方便用户根据精度需求灵活创造自己的声学模型

可在有限元模型上灵活地按实际精确分布噪音控制材料、阻尼材料、不均匀材料、泄露、直达声场分布载荷等一系列参数，所见即所得，免去了大量简化归纳及在此过程中产生的工程误差甚至错误

由于摈弃了模态密度等相关概念，免去了计算、测量和仿真结构阻抗的过程，免去判断SEA理论假设是否符合的大量工作以及避免了由此产生的错误，直接在模型中加载结构加速度载荷即可得到准确的结构噪音载荷及传递路径，是结构噪音计算的里程碑式的进步

直观显示结构振动速度、能量及能量密度在结构上的分布

直观显示声腔声压级、能量及能量密度在声腔空间或体单元中的分布

快速直观地找到结构振动及噪声辐射的热点

结构、声场、声学材料一并解决；只需简单粗化的有限元网格，计算效率高

3. 测试案例

本次测试时通过一系列中高频噪声钢板和空腔典型模型软件计算，然后与实验或理论结果比对，验证软件的可行性。

验证案例1：结构传播噪声混合空气传播噪声耦合效应

测试模型说明：

三空腔三箱体

一空腔输入功率

结构响应及空腔声学响应

模型输入网格文件为bdf， 计算结果云图显示：

图1  结构传播噪声和空气传播噪声声压分布云图结果

结构传播噪声和空气传播噪声整体计算频响结果见图2：

图2 整体计算频响结果

我们任一挑选箱体钢板上中心位置处的结构传播噪声，采用工程公式计算外加试验验证给与参数的结果和ProNas计算结果进行对比：

图3 箱体钢板上中心位置处的结构传播噪声频响结果对比曲线

我们任一挑选空腔在体积中心位置处的空气传播噪声和混合噪声结果，采用工程公式计算外加试验验证给与参数的结果和ProNas计算结果进行对比：

图4 空腔体积中心位置处的空气和混合传播噪声频响结果对比曲线

验证案例2：散射激励输入下的空气传播噪声计算精度

测试模型说明：

结构：5mm钢板单箱体结构

激励：散射声场（介质：水）

仿真结果对比：空腔声学响应

模型输入网格文件为bdf， 计算结果云图显示：

图5  空气传播噪声空腔腔室内声压分布云图结果

激励输入和空气传播噪声响应整体计算频响结果见图6：

图6  空气传播噪声激励输入和噪声响应频响曲线对比结果

验证案例3：声压激励约束下的虚拟面板的空气传播噪声计算精度

测试模型说明：

频率：1/3倍频程                 结构：1mm钢板

声腔：单声腔 (含多块虚拟板面）  激励：声压级约束

仿真结果对比：空腔声学响应（Mass law 质量定律耦合）

激励输入和空气传播噪声响应整体计算频响结果见图7：

图7  空气传播噪声激励输入和噪声响应频响曲线对比结果

验证案例4：声学包功能和使用效率测试

基于材料的9大声学属性后,利用Boit理论，Pronas声学包AM模块可以计算出任意材料组合的吸声系数和隔声系数，其计算精度可以满足大部分的工程应用。

运用间接测量计算法最大的优势在于只要测出材料的基本声学属性,就可以利用软件对任意厚度,任意组合,任意大小的材料组合进行分析,从而得到吸声系数和隔声系数,大大降低实验费用和周期。

图8  Pronas计算隔声量和吸声系数

ProNas层叠声学包使用和界面：

图9  ProNas层叠声学包使用和界面

声学包赋予或加载到实际船体结构的核心功能界面为：

图10  ProNas声学包加载使用界面

PRONAS的声学包采用手工基板单面施加NCT，软件自动基板双面施加NCT的加载方式；传统声学包采用手工基板双面施加NCT的加载方式。与传统声学包加载方式相比， PRONAS理论上可成百上千倍的提高工程师加载NCT的效率。

图11  Pronas定义声学包的效率优势

验证案例5：整船噪声分析计算,测试完整大模型计算规模，计算结果合理性，效率

800客客箱船“海蓝鲸号”是我国自主研发建造的第一艘大型客箱船，也是迄今全球最大客箱船，隶属于渤海国际轮渡有限公司，由黄海造船厂建造。船长182.6米，型宽25.2米，船舶总吨2万吨以上，载客定额810人，载货460标准箱，服务航速22.5节，主机为MAN B&W 9S50ME-C8.5 2sets。该船于2017年5月正式投入中韩航线运营。

由于详细的模型涉及保密和知识产权，安世亚太只能提供非常简化的整船网格模型做为测试案例的输入，包括相关的其它输入。

通过BDF整船网格模型导入，软件会自动基于定义的组，创建空腔模型。根据设计，进行声学包铺层，中速机主机结构激励，气动噪声激励源输入，螺旋桨输入，空调，电机，齿轮箱等不同类型的结构传播，空气传播和水动传播噪声源设置，基于1/3倍频程，求解整个中高频频段噪声结果。

ProNas读入整船网格模型整体情况见下图:

图12  Pronas整船模型导入情况

在组定义完成后，自动生成舱室空腔的模型见下：

图13  Pronas整船结构和舱室空腔生成后有限元模型示意图

主要的结构噪音载荷分布和施加：

图14  整船结构噪音载荷分布和施加示意图

整船材料声学包和其它激励输入后提交求解前的模型示意图见下：

图15  整船中高频噪声ProNas最终模型

在本地测试的工作站上提交计算，1/3倍频程从20Hz---20000Hz计算，工作站配置为（四核八线程，CPU主频2.93GHz，48G内存），网格节点模型42万，计算单一频率需要时间30分钟，完整所有频段计算完成需要15.5小时。

整体来看，该完整详细模型适合初步设计和详细设计使用。

如果在概念设计阶段，网格模型规模在5万左右，计算时间大大减少，效率将大幅提高。

计算的空腔SPL计算结果为：

图16  空腔SPL计算结果

具体舱室某一频率如500Hz声压结果如下图：

图17  空腔舱室声压计算结果（500Hz）

结构传播噪声振动速度结果为：

图18  整船结构振动速度计算结果

结构速度计算结果为：

图19  结构速度计算结果

各舱室计算结果可以直接快速导出Excel表，制定噪声标准要求，筛选满足和不满足的舱室结果：

4 ProNas声学功能对比

我们选择了声学比较知名的三款软件进行了各方面的对比。包括某知名的有限元噪声软件，某知名的边界元噪声软件和安世亚太的ProNas。

相关的整体说明和对比见下：

l 某知名的有限元噪声软件

声学模拟能力采用声学有限元和无限元库及求解技术。提供模态方法和物理方法，分析空腔中的声场。吸音壁面可以用阻抗边界条件和多孔材料模型加以详细模拟。对非均质流动和温度梯度效应的处理比较出色，同时进行低频的声振耦合分析，旋转机械噪声分析，气动噪声分析等特色功能模块。但目前不能进行中高频噪声分析，仅仅限于低频噪声求解。

l 某知名的统计能量法噪声软件

比较知名的中高频噪声分析软件，基于比较流行的统计能量法进行，但在模型细节表达，子系统划分，前后处理和建模效率有核心算法带来的系列缺陷和低下。包括直达声场耦合，易用性等存在明显不足。

l ProNas

基于能量有限元混合统计能量法进行中高频噪声分析，相比统计能量法的核心算法，由于可以采用有限元网格进行能量的统计、传递和计算，客服了场馆统计能量法的弊端，同时有保存了能量法的自身特性。是目前中高频噪声预测分析领域内具有国际领先的最新技术结晶，是能量有限元分析（EFEA）和统计能量分析（SEA）领域的代表性解决方案。

表1  三款软件能力对比

5.结论

ProNas产品的整体结论见下：

l 通过对ProNas软件相关算法和功能的测试计算，模拟结果和理论试验结果基本吻合，大规模整船计算规模兼容，计算结果合理，效率较好。因此，利用ProNas对整船进行中高频噪声预测和分析是可行且相比其他类似产品有较大优势的。

l ProNas声学包模块采用独特算法，可以大幅提高声学材料的定义和使用，明显提高了工程师的使用和工作效率。

l ProNas体现船舶中高频噪声分析特色，易用方便，上手较快，便于操作。

l ProNas的核心算法和功能具有竞争性，同时ProNas是安世亚太100%软件著作权，自主研发的中高频软件，软件开发团队全在国内，具有自主可控，未来可配合相关型号单位进行底层修改和软件使用修改。

附件中是：安装程序和License配置说明