1 前言

提到聲學仿真方法，大家首先想到的是聲學有限元、聲學邊界元技術，經過幾十年的發展，目前聲學有限元、聲學邊界元方法可以解決大部分聲學問題。但對于一些大尺寸、高頻的純聲學問題，例如新能源車行人警示音問題、飛機停機坪噪聲問題、建筑聲學問題等聲學現象，由于隨著計算頻率增加，聲學有限元、聲學邊界元仿真模型的自由度將急劇增加，導致其很難完成高頻的聲學仿真，即使使用很好的硬件資源。因此，為了提高大尺寸、高頻聲學仿真模型的計算效率，需要尋找一種替代方法來解決該類聲學問題。Simcenter 3D Acoustics提供了Ray Acoustics（聲線法）求解技術，該方法使得大尺寸、高頻純聲學問題的高效仿真成為可能。

2 Simcenter3D RayAcoustics基本原理

Simcenter3D RayAcoustics（聲線法）以幾何聲學為理論基礎，是高頻聲學問題的漸進求解器，主要基于以下假設：在高頻時，聲波將像光束一樣以直線傳播。該假設只有當聲波波長遠小于模型幾何尺寸時才是有效的。

幾何聲學示意圖

聲線法通過聲束追蹤技術來模擬聲傳播、聲波遇到壁面的反射吸收等聲學現象。相較于聲學有限元邊界方法，聲線法的分析頻率與聲學區域的網格離散程度是相互獨立的，其只需要使用少數網格來模擬仿真模型的幾何形狀，因此可以對大尺寸、高頻的聲學問題進行高效仿真。

3 Simcenter3D Ray Acoustics主要功能

- 模擬聲傳播問題：使用三棱錐束法來對聲源發射的聲線進行追蹤，從而計算聲場分布信息。

三棱錐束法示意圖

- 模擬響應點的聲壓幅值及相位信息：通過追蹤聲束通過麥克風時的數量以及強度，從而獲得每個頻率點的總聲壓幅值及相位信息。

- 擬空氣及壁面的吸聲：通過定義空氣的阻尼以及壁面的阻抗特性/吸聲系數，模擬其吸聲特性。

- 模擬聲波的曲面反射效應：基于表面單元法線對離散網格進行差值處理，真實地捕捉曲面特征，從而精確模擬聲波的曲面反射。

曲面反射示意圖

- 模擬聲波的衍射效應:當聲線遇到散射邊時將要產生一個二級聲源，從而形成一個包括一系列散射聲線的散射錐。同時散射錐與壁面相互作用，聲波將要沿壁面進行傳播，從而產生爬行波。利用三維散射與二維散射分析技術，可以對二次或多次散射、爬行波進行模擬。

二維及三維衍射示意圖

- 時域聲學分析：在進行頻域聲學分析的同時，可以得到時域的聲場結果，可以分析聲波的傳播過程。

- 雙耳麥克風回放及聲品質分析：基于雙耳脈沖函數的卷積積分進行聲音回放，實現聲學設計結果的主觀評價，并支持對聲音信號進行響度、語音清晰度、混響時間等聲品質分析。（該功能下個版本發布）

4 Simcenter3D RayAcoustics主要應用

Simcenter 3D 聲線法可廣泛應用于工業噪聲控制、環境聲學、建筑聲學等大尺寸聲學仿真領域。

- 駕駛室內場及音響系統聲學設計
   
Simcenter 3D 聲線法可以對軌道車輛、飛機、船舶等交通工具駕駛室聲場分布進行仿真，分析艙室形狀尺寸、行李架座椅空間布置、吸聲材料布置等設計方案對艙室聲場的影響。也可以用于研究揚聲器的數量、位置、功率等因素對音響聲品質的影響。

- 汽車倒車雷達及高級駕駛輔助系統(ADAS)設計

汽車倒車系統及高級駕駛輔助系統通常安裝有超聲波雷達，其可以發射40k Hz甚至更高頻率的超聲波，Simcenter 3D 聲線法可用于超聲波雷達的聲學設計，對超聲波雷達的主要發聲頻率、安裝位置、數量進行聲學設計。

- 汽車通過噪聲及行人警示音(AVAS)設計

Simcenter 3D 聲線法可以快速仿真汽車通過噪聲，分析各個聲源對外場通過噪聲的貢獻量，預測不同降噪方案的降噪效果。同時，聲線法還應用于新能源車行人警示音系統仿真，分析行人警示音的聲場分布特性及空間聲學指向性，對揚聲器進行聲學設計。
 

- 飛機停機坪噪聲仿真

飛機停機坪噪聲是民用飛機型號和適航合格審定規定的內容，是國際民用航空公約規定的噪聲適航關鍵科目。飛機停機坪噪聲仿真涉及飛機整機聲學模型尺寸大、分析頻率高等挑戰，傳統的聲學有限元、聲學邊界元方法完全不能完成該類問題的聲學仿真，Simcenter 3D 聲線法可以輕松完成飛機停機坪噪聲仿真，研究各個聲源對停機坪噪聲的貢獻量，進而設計對應的降噪策略。
 

- 工業廠房及建筑聲學設計

Simcenter 3D聲線法可以用于預測工業廠房的噪聲，分析機器設備在廠房內產生的噪聲以及輻射到相鄰房間或者廠房外面的噪聲，評估不同的噪聲控制方案，比如吸聲襯墊、機器設備布局、廠房設計等等。同時，聲線法也可以用于歌劇院、禮堂體育場館、地鐵站、機場候機樓等建筑聲學設計，分析混響時間、語音清晰度等聲學參數。