Статистический энергетический анализ
Статистический энергетический анализ (СЭА) — это метод прогнозирования передачи звука и вибрации через сложные структурные акустические системы. Этот метод особенно хорошо подходит для быстрого прогнозирования реакции на уровне системы на ранней стадии проектирования продукта, а также для прогнозирования реакции на более высоких частотах. В SEA система представляется в виде ряда связанных подсистем и набор линейных уравнений выводится , которые описывают вход, хранение, передачу и рассеивание энергии внутри каждой подсистемы. Параметры в уравнениях SEA обычно получаются путем принятия определенных статистических предположений о локальных динамических свойствах каждой подсистемы (аналогично предположениям, сделанным в акустике помещений и статистической механике ). Эти предположения значительно упрощают анализ и позволяют анализировать реакцию систем, которые часто слишком сложны для анализа с использованием других методов (таких как методы конечных элементов и граничных элементов ).
История
[ редактировать ]Первоначальный вывод SEA возник в результате независимых расчетов, сделанных в 1959 году Ричардом Лайоном. [ 1 ] и Престон Смит [ 2 ] в рамках работ по разработке методов анализа реакции крупных сложных аэрокосмических конструкций на воздействие пространственно-распределенной случайной нагрузки. Расчет Лиона показал, что при определенных условиях поток энергии между двумя связанными осцилляторами пропорционален разнице энергий осцилляторов (что позволяет предположить, что тепловая аналогия существует в структурно-акустических системах). Расчет Смита показал, что структурная мода и диффузное реверберирующее звуковое поле достигают состояния «равнораспределения энергии» по мере уменьшения затухания моды (что позволяет предположить, что в структурно-акустических системах может существовать состояние теплового равновесия). Распространение результатов двух осцилляторов на более общие системы часто называют модальным подходом к SEA. [ 3 ] [ 4 ] Хотя модальный подход дает физическое представление о механизмах, управляющих потоком энергии, он включает в себя предположения, которые были предметом серьезных дискуссий на протяжении многих десятилетий. [ 5 ] Теория, сочетающая в себе детерминированные методы конечных элементов (МКЭ) и СЭА, была разработана Филом Шортером и Робином Лэнгли и называется гибридной теорией МКЭ/СЭА. [ 6 ] [ 7 ] В последние годы стали доступны альтернативные выводы уравнений СЭА, основанные на волновых подходах. Такие выводы составляют теоретическую основу ряда современных коммерческих кодов СЭО и обеспечивают общую основу для расчета параметров модели СЭО. Также существует ряд методов постобработки моделей FE для получения оценок параметров SEA. Лайон упомянул использование таких методов в своем первоначальном учебнике по СЭО в 1975 году, но за прошедшие годы был представлен ряд альтернативных вариантов. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
Метод
[ редактировать ]Чтобы решить проблему шума и вибрации с помощью SEA, система разделена на ряд компонентов (таких как пластины , оболочки, балки и акустические полости), которые соединены вместе в различных соединениях. Каждый компонент может поддерживать несколько различных типов распространяющихся волн (например, изгибные , продольные и поперечные волновые поля в тонкой изотропной пластине). С точки зрения SEA, реверберирующее поле каждого волнового поля представляет собой ортогональный запас энергии и поэтому представляется как отдельная энергетическая степень свободы в уравнениях SEA.
Емкость хранения энергии каждого реверберирующего поля описывается параметром, называемым «модальной плотностью», который зависит от средней скорости, с которой волны распространяют энергию через подсистему (средняя групповая скорость ), и общего размера подсистемы.
Передача энергии между различными волновыми полями в переходе данного типа описывается параметрами, называемыми «коэффициентами потерь связи». Каждый коэффициент потерь связи описывает входную мощность в прямое поле данной приемной подсистемы на единицу энергии в реверберирующем поле конкретной подсистемы источника.
Коэффициенты потерь связи обычно рассчитываются с учетом того, как волны рассеиваются на различных типах соединений (например, точечных, линейных и площадных соединениях). Строго говоря, SEA предсказывает среднюю реакцию совокупности или ансамбля систем, поэтому коэффициенты потерь связи и модальные плотности представляют собой средние величины по ансамблю.
Чтобы упростить расчет коэффициентов потерь на связь, часто предполагается, что внутри каждой подсистемы существует значительное рассеяние (если рассматривать весь ансамбль), так что прямая передача поля между несколькими соединениями с одной и той же подсистемой незначительна и доминирует реверберационная передача. На практике это означает, что SEA часто лучше всего подходит для задач, в которых каждая подсистема велика по сравнению с длиной волны (или с модальной точки зрения каждая подсистема содержит несколько мод в заданном интересующем диапазоне частот).
Уравнения SEA содержат относительно небольшое количество степеней свободы, поэтому их можно легко инвертировать, чтобы найти энергию реверберации в каждой подсистеме, обусловленную заданным набором внешних входных мощностей. Затем (средние по ансамблю) уровни звукового давления и скорости вибрации внутри каждой подсистемы можно получить путем наложения прямых и реверберирующих полей внутри каждой подсистемы.
Приложения
[ редактировать ]За последние полвека SEA нашел применение практически во всех отраслях, где шум и вибрация вызывают беспокойство. Типичные области применения включают в себя:
- Прогнозирование внутреннего шума и разработка звуковых пакетов в автомобилях, самолетах, винтокрылых машинах и поездах.
- Внутренний и внешний шум, излучаемый в морских условиях
- Прогнозирование динамических сред в ракетах-носителях и космических кораблях
- Прогнозирование шума от потребительских товаров, таких как посудомоечные, стиральные машины и холодильники.
- Прогнозирование шума от генераторов и промышленных холодильных машин
- Прогнозирование воздушного и структурного шума в зданиях
- Проектирование корпусов и т.д.
Дополнительные примеры можно найти в материалах таких конференций, как INTERNOISE, NOISECON, EURONOISE, ICSV, NOVEM, SAE N&V.
Реализации программного обеспечения
[ редактировать ]Доступно несколько коммерческих решений для статистического энергетического анализа:
- Модуль Actran SEA от Free Field Technologies, MSC Software , [ 12 ]
- Модуль VA One SEA (ранее AutoSEA) от ESI Group , Франция [ 13 ]
- ШОВ, ШОВ 3D от Cambridge Collaborative Inc., США, [ 14 ] с апреля 2019 года под Altair Hyperworks . [ 15 ]
- wave6 от Dassault Systèmes SIMULIA [ 16 ]
- GSSEA-Light от Gothenburg Sound AB, Швеция [ 17 ]
- SEA+ от InterAC, Франция, распространяется LMS International [ 18 ]
Бесплатные решения:
- Бесплатное программное обеспечение для статистического анализа энергии, [ 19 ]
- SEAlab — открытый код в Matlab/Octave от Applied Acoustics, Чалмерс, Швеция (с открытым исходным кодом) [ 20 ]
- pyva — набор инструментов Python для виброакустического моделирования, Германия (с открытым исходным кодом) [ 21 ]
Другие реализации:
- NOVASEA, Университет Шербрука, Канада [ 22 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ ЛИОН, Р.Х.; МАЙДАНИК, Г.: Поток мощности между линейно связанными генераторами, Журнал Акустического общества Америки ; 34, стр. 623–639, 1962 г.
- ^ Смит, П.В. «Отклик и излучение структурных мод, возбуждаемых звуком». Журнал Акустического общества Америки 34.5 (1962): 640–647.
- ^ Лион, Ричард Х. Статистический энергетический анализ динамических систем: теория и приложения. 1975.
- ^ Ле Бот, А., «Основы статистического энергетического анализа в виброакустике. Oxford University Press, 2015.
- ^ Фэи, Ф.Дж., «Статистический энергетический анализ: критический обзор». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия A: Физические и технические науки 346.1681 (1994): 431-447».
- ^ Шортер, П.Дж., и Лэнгли Р.С., «Виброакустический анализ сложных систем». Журнал звука и вибрации 288.3 (2005): 669-699.
- ^ Пайффер, А., «Виброакустическое моделирование: введение в статистический энергетический анализ и гибридные методы», Джон Вили, 2022.
- ^ Лалор, Н. «Измерение коэффициента потерь SEA на полностью собранной конструкции», Технический отчет ISVR 150, 1987 г.
- ^ Симмонс, К. «Передача структурного звука через соединения пластин и оценка коэффициентов потерь в морской связи с использованием метода конечных элементов», Journal of Sound and Vibration, 144 (2) 215-227, 1991.
- ^ МЕЙС, Б. и др. «МОДЕЛИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ ИЗ АНАЛИЗА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ», Журнал Звука и Вибрации, (233) 3, 2000, 369-389
- ^ Борелло Г. и др. «Виртуальный SEA: моделирование структурного шума на средних частотах на основе анализа конечных элементов», Конференция SAE по шуму и вибрации - 6–8 мая 2003 г. - Траверс-Сити, Мичиган, США
- ^ «Актран Продукт» . Free Field Technologies, Программное обеспечение MSC . Проверено 22 февраля 2019 г.
- ^ «Программные решения» . Группа компаний ЭСИ . Проверено 10 марта 2017 г.
- ^ «Программное обеспечение SEAM для прогнозирования акустики и вибрации» . Шов.com . Проверено 10 марта 2017 г.
- ^ Vehicledynamicsinternational.com, апрель 2019 г., Altair расширяет портфолио решателей за счет приобретения SEAM, данные получены 29 января 2021 г.
- ^ «волна6» . Dassault Systèmes SIMULIA . Проверено 20 июля 2018 г.
- ^ «Программное обеспечение SEA для статистического энергетического анализа - GSSEA-Light - Gothenburg Sound AB» . Gothenburgsound.se . Проверено 10 марта 2017 г.
- ^ «ИнтерАК» . Interac.fr . Проверено 10 марта 2017 г.
- ^ "Дом" . Free-sea.de . Проверено 10 марта 2017 г.
- ^ «Прикладная акустика – СЭАЛаб» . Ta.chalmers.se . Архивировано из оригинала 7 октября 2011 г. Проверено 10 марта 2017 г.
- ^ "пыва" . pyva.eu. Проверено 15 ноября 2022 г.
- ^ «NOVASEA, Фарук Беллахирек» (PDF) .