空气声学 | 声学与CFD

1、CFD计算声学

在使用计算流体动力学（CFD）进行声学时会有以下几个问题：

• 声源定义
• 声源强度
• 不同声源的贡献度
• 声源的分类
• 声波的传播/跟踪
• 声波的精确传输/跟踪

2、声源分类

(1) 单极

流体体积波动:如不稳定燃烧、活塞机或空化产生的声音。

• 单极子是一种向各个方向均匀地辐射声音的源
• 单极声源通过交替地向周围区域引入和去除流体来产生声波。
• 例子：炉膛内的燃烧，小型电动机、泵
   

(2) 双极子

波动的外力:例如，固体或运动表面(如风扇叶片)周围流动产生的声音。

• 一个偶极子由两个强度相同但相位相反的单极子源组成。分离距离比声波长要小。
• 当一个源扩展时，另一个源收缩。结果是两个声源附近的流体(空气)来回晃动产生声音
• 偶极子源不会向各个方向均匀地辐射声音
• 例子：在小物体周围的分离流动，叶片周围的流动(旋转机械，风扇，…)    

(3) 四极

• 两个相反的偶极子组成四极子源
• 横向四极子：偶极子不沿同一条线存在（在正方形的角处相位交替的四个单极子）。
• 线性四极子：两个相反的相位偶极子位于同一条线上：它们组成了一个线性四极子源。

3、CFD空气声学分析的挑战

• 声学问题本质上是不稳定的。
• 需要能够准确模拟感兴趣区域的不稳定
• 声辐射只包含初级流能量的一小部分
• 流动中的大部分不稳定能量不辐射!
• 声压的大小与气动压力相比是非常小的
• SPL=80dB,    ~0.2Pa和    Pa:声压和流压差异很大
• 感兴趣的频率范围很大:20Hz→20kHz
• 气动声学的时间分辨率可能比流动中的气动时间尺度大好几个数量级
• 需要捕获小的涡流，同样需要足够的空间分辨率
• 在低马赫数下的长度尺度分离
• 当𝑀远小于1时，声波波长变得比相关的“涡流”长度尺度大得多。
• 如果假设空气声学和空气动力学的时间尺度是相同的(即声周期等于涡旋运动的时间尺度)，那么气动流与声场相比就会变得“冻结”。

4、声学方法

• 直接计算声学（CAA,Direct Methods Computational Aeroacoustics）
• 没有声音的建模……声波在Navier-Stokes方程中求解
• 单次计算（两个计算/域之间无耦合等）
• 高计算成本（由于解决声学的要求）
• CFD和CAA的数值很难结合起来
• 积分法（Integral Methods）
• 比直接的方法计算量更小
• 考虑了不同的声音产生和传输方法
• 准确定义CFD/CAA
• 对声音向远场传播的假设。
• 耦合方法（Coupling Methods）
• 专用的声学求解器来解决复杂的声音传播问题
• 需要来自CFD的输入，以提供声源（来自流体运动）
• 宽带噪声方法（Broadband Noise Methods）
• 计算量很小（宽松的网格要求，稳态解决方案等）。
• 从稳态RANS计算得到
• 强烈依赖于RANS的空气动力学结果
• 没有声音的传播，所以精度很有限