Einstieg Abstrahlsimulation

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Wie steige ich in die Berechnung der Schallabstrahlung ein?

Vor der Berechnung von akustischen Aussenraumproblemen (=Schallabstrahlung ins Freifeld) empfiehlt es sich, sich kurz mit Innenraumproblemen zu befassen, um sich mit den akustischen Elementtypen und dem Postprozessing (=graphische Verarbeitung) der Analyseergebnisse vertraut zu machen: Wie gebe ich akustische Schnellen, den Schalldruck oder die Schallintensität aus und wie kann ich diese Schallgrößen visualisieren? Als einfachstes Beispiel bietet sich die Berechnung der Eigenfrequenzen in einem dreidimensionalen Quader an, da für diesen Fall eine einfache geschlossene Lösung für die Eigenfrequenzen existiert.

Danach sollte man sicher stellen, dass man die Modellierung am Gebietsaussenrand durch nicht-reflektierende Randbedingungen oder (halb-)unendliche Elemente beherrscht, indem Berechnungsergebnisse mit der analytischen Lösung des schallabstrahlenden Kugelstrahlers 0. Ordnung verglichen werden. Starten Sie mit Abstrahlberechnungen im Frequenzbereich, was für die meisten Anwendungsfälle der Maschinenakustik ausreicht, Abstrahlanalysen im Zeitbereich sind für die meisten Akustiker eher die Ausnahme.

Als letzten Schritt wagt man die Berechnung von strömungsakustischen Phänomenen im Zeitbereich.

 

Häufige Fragen zur akustischen Abstrahlberechnung

Welche Werkstoffkennwerte benötigt man für Luftschallanalysen?

Die Schallgeschwindigkeit c und die Dichte rL des Mediums der Schallausbreitung (z.B. der Luft).

Liefert die BEM oder die FEM genauere Analyseergebnisse akustischer Kenngrößen?

Beide Verfahren sind numerische Näherungsverfahren, sie liefern eine mathematische Näherungslösung eines physikalischen Problems. Die Toleranzen von Randbedingungen und Werkstoffgrößen der Simulation haben meist einen größeren Einfluss auf das Ergebnis als die mathematischen Grenzen des gewählten Simulationsverfahrens.

Sind bei Aussenraumanalysen nichtreflektierende Randbedingungen oder halbunendliche Elemente zu bevorzugen?

Zur Modellierung der Schallausbreitung ins Unendliche sollten beide Verfahren nur wenig abweichende Simulationsergebnisse zeigen. Dem Einsteiger wird die parallele Anwendungen beider Modellierungsvarianten zur Sicherung der Ergebnisgüte empfohlen.

 

Wie genau sind Abstrahlsimulationen?

Leistungsgrößen (wie die abgestrahlte Schallleistung oder der Abstrahlgrad) sind die geeigneten Größen, um die Genauigkeit von Abstrahlsimulationen zu beurteilen. Nachstehende Abb. zeigt eine Schwankungsbreite des Abstrahlgrades von bis zu 2 dB bei einer realen Struktur bei Verwendung verschiedener Elementtypen. Die Simulation mit den höherwertigen quadratischen Elementtypen liegt im oberen Bereich und somit näher an den Messungen. In der Praxis lassen sich Aussagen über die erzielbare Genauigkeit i.A. nur durch die Variation von Modellparametern erzielen.

Schwankungsbreite Abstrahlgrad als Messgröße  für Simulationsgenauigkeit

Schwankungsbreite (graue Fläche) des Abstrahlgrades verschiedener Simulationsmodelle (Variation des Elementtyps und der mathematischen Näherung der Sommerfeldbedingung).

Was ist der Unterschied zwischen Abstrahlberechnungen in Wasser vs. Luft? In kompressiblen Flüssigkeiten wie Wasser breiten sich Schallwellen nach der gleichen Differentialgleichung (Helmholtzgleichung) aus wie in Luft. Allein die Schallgeschwindigkeit und die Dichte unterscheiden sich deutlich.

Bei der statischen und dynamischen Verformungsanalyse unterscheidet man Berechnungen zu kleinen und großen Verschiebungen. Gibt es eine ähnliche Fallunterscheidung für die Schallabstrahlung von Maschinen?  Die Helmholtzgleichung geht von kleinen Schallschnellen und kleinen Variationen des statischen Umgebungsdruckes aus. Beides ist für die Schallabstrahlung von Maschinen selbst bei extremen Schallpegeln gegeben. Eine andere Situation liegt z.B. bei einer Kolbenbewegung von hoher Amplitude vor. In Kolbennähe gäbe es dann auch Schallschnellen von ähnlicher hoher Amplitude, weshalb in örtlicher Kolbennähe die Helmholtzgleichung die Schallausbreitung dann nicht mehr beschreiben könnte.

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