دوره‌ی آموزشی شبیه سازی آکوستیک و تولید نویز در فلوئنت

آکوستیک شاخه‌ای از علم فیزیک است که به مطالعه تولید و انتشار امواج مکانیکی در مواد (جامد، مایع و گاز) می‎پردازد. کلمه آکوستیک ریشه یونانی داشته و به معنای «قابل شنیدن» است. ارتعاشات و صوت دو موضوع اصلی در آکوستیک به‌شمار می‌روند. اما عموماً واژه آکوستیک، مترادف با «صوت شناسی» است و محققان این حوزه به مطالعه امواج صوت، فرو صوت و فراصوت می‌پردازند.

آکوستیک (صوت شناسی) را می‌‌توان به دو بخش کلی تقسیم کرد:

• آکوستیک فضای باز
• آکوستیک داخلی
  • آکوستیک اتاقی
  • آکوستیک صنعتی

در بحث آکوستیک اتاقی (سالنی)، بیشتر به تحلیل صوت در سالن‌های سینما، سخنرانی، موسیقی و … پرداخته می‌شود. در دوره آموزشی «آکوستیک و تولید نویز در انسیس فلوئنت» سعی شده است تا تمامی این مباحث پوشش داده شود. هرچند که در بحث آکوستیک اتاقی، به‌طور خاص به بحث یکنواختی صوت در سالن‎‌ها اشاره نشده، اما اصول مدل‎سازی انتشار صوت در یک فضای بسته مورد بررسی قرار گرفته است. 

هدف از تحلیل‌‎های آکوستیکی، کنترل صوت است. واژه کنترل خود به دو موضوع «توزیع صوت یکنواخت» و «کاهش شدت صوت» اشاره دارد. در این دوره آموزشی، تمرکز اصلی بحث بر روی موضوع دوم، یعنی کاهش نویز می‌باشد.

چالش اصلی در تحلیل‌های آکوستیکی از این واقعیت ناشی می‌شود که فشار امواج صوتی در مقایسه با فشار جریان سیال بسیار کوچک است. این امر سبب می‎شود تا مدل‎سازی عددی صوت کار دشواری باشد. نرم‎افزار انسیس فلوئنت با بهره‌گیری از روش‎های نوین، این امکان را فراهم می‌‎آورد تا بررسی امواج صوت، حتی در فشارهای بسیار پایین (نزدیک به خلأ مطلق) نیز میسر گردد.

این دوره آموزشی برای اولین بار در ایران تهیه شده است و می‌توان مباحث این دوره را در چهار بخش طبقه‌بندی نمود.

بخش اول (جلسه اول):

تئوری آکوستیک در این بخش مرور می‌شود. سعی بر آن بوده است تا از پرداختن به مباحث جزئی پرهیز شده و فقط مطالبی بیان گردد که دانستن آن‎ها برای مدل‎سازی اصولیِ آکوستیک لازم است.

بخش دوم (جلسه دوم):

رشته آکوستیک ارتباط نزدیکی با دینامیک سیالات دارد. بسیاری از صداها که از لحاظ فنی در کاربردهای صنعتی اهمیت دارند، در جریان سیال تولید و پخش می‌شوند. پدیده‎های مرتبط با صداها در چارچوب کلی دینامیک سیالات قابل درک و تجزیه و تحلیل هستند. معادلات حاکم بر آکوستیک در واقع همان مواردی است که حاوی جریان سیال هستند. از این‎رو، در بخش دوم ضمن معرفی جریان‌های آشفته (توربولانسی) و ویژگی‌های آن‌ها، نحوه مدل‎سازی چنین جریاناتی در نرم‌افزار انسیس فلوئنت تشریح شده است.

بخش سوم (جلسات سوم، چهارم و هفتم):

در این بخش، رویکردهای کلی مدل‎سازی ایروآکوستیک معرفی شده‌اند. در ادامه، به توضیح کامل روش‌های مدل‎سازی ایروآکوستیک در انسیس فلوئنت پرداخته شده است. در این نرم‌افزار، «روش انتگرالیِ فاکس ویلیامز»، «روش دیفرانسیلی حل معادله موج» و «مدل منبع نویز با پهنای باند گسترده» برای این منظور در نظر گرفته شده است. در جلسه سوم، روش FW-H به‌طور کامل بررسی و تمامی مباحث مرتبط با آن تشریح شده است. در جلسه چهارم، نحوه مدل‎سازی آکوستیکی با استفاده از دو روش «حل معادله موج» و «منبع نویز با پهنای باند گسترده» با جزئیات تشریح شده‌اند. در جلسه هفتم (پایانی) با حل یک مسئله کاربردی (جریان اطراف یک استوانه) تمامی مباحث مرور و نحوه پس‌پردازش و استخراج نتایج توضیح داده شده است.

بخش چهارم (جلسات پنجم و ششم):

وقتی یک سازه الاستیک در معرض صوت قرار می‎گیرد، بخشی از موج پراکنده می‎شود. بخش باقیمانده، عامل ایجاد امواج سه گانه در سازه است. این امواج در تعامل با سیال اطراف، پاسخ آکوستیکی سازه را به‎وجود می‌آورند. که به آن‎ها در اصطلاح، مؤلفه تابشی فشار گفته می‎شود. چنین پدیده‎ای تحت عنوان آکوستیک سازه‌ای مورد بررسی قرار می‎گیرد. در بخش چهارم از این دوره آموزشی، به تحلیل تعامل سازه-سیال، و آکوستیک سازه‌ای پرداخته شده است. در جلسه پنجم، مبانی و تئوری این مبحث به اجمال بیان شده است. در جلسه پنجم، ضمن معرفی ابزارهای سفارشی انسیس ANSYS Cusomization Tools (ACT)، ابزار کاربردی ACT Acoustics به‌طور کامل و با جزئیات تشریح شده است. در این جلسه با بررسی چهار مثال کاربردی، مبحث تحلیل آکوستیک اتاقی (فضای بسته) در نرم‌افزار انسیس توضیح داده شده است.

سرفص‌‎های دوره:

جلسه اول: مقدمه‌ای بر آکوستیک

• مقدمه‌ای بر آکوستیک
• موج و مفاهیم مرتبط با آن
• تعریف صوت و معرفی پارامترهای اساسی در صوت
• چالش اصلی در محاسبات آکوستیکی
• تبدیل فوریه و انتقال از حوزه زمان به حوزه فرکانس
• دسته‌بندی آکوستیک و بیان اهداف دوره
• تقسیم‌بندی منابع صدا با توجه به جهت انتشار و انواع میکروفون‌ها

جلسه دوم: مدل‎سازی جریان‌های آشفته

• جریان آرام و آشفته و ویژگی‎های آن‎ها
• روش‌های حل عددی جریان‎های آشفته
• مدل‌های آشفتگی در نرم‎افزار انسیس فلوئنت
• لایه مرزی آشفتگی
• مفهوم دیواره و توابع دیواره و محدودیت استفاده از آن‎ها
• تعیین ابعاد شبکه در نزدیک دیواره
• مقایسه مدل‌های آشفتگی با ذکر نتایج چند مثال

جلسه سوم: مدل‎سازی ایروآکوستیک (بخش اول)

• رویکردهای مدل‎سازی ایروآکوستیک
• معرفی معادلات حاکم در روش FW-H
• فعال کردن مدل آکوستیکی FW-H و تنظیمات مربوطه
• مشخص کردن منبع تولید نویز
• مشخص کردن نقاط دریافت کننده نویز
• محاسبه و ذخیره سیگنال فشار صوت
• پس‌پردازش سیگنال فشار صوت با استفاده از FFT

جلسه چهارم: مدل‎سازی ایروآکوستیک (بخش دوم)

• تشریح مدل آکوستیکی «معادله موج»
• معادله موج بر حسب پتانسیل صوت
• بازتاب غیرفیزیکی موج و مفهوم ناحیه اسفنجی
• تشریح مدل آکوستیکی «منبع نویز با پهنای باند گسترده»
• معادلات اویلر خطی ‎سازی شده

جلسه پنجم: مدل‎سازی آکوستیک سازه‎ای (مبانی)

• انواع موج‌ها در یک سازه جامد
• مقدمه‌ای بر روش اجزای محدود
• روش‌های تحلیل آکوستیک سازه‎ای در انسیس
• انواع المان‌ها در انسیس برای تحلیل آکوستیک سازه‌ای
• خواص آکوستیکی قابل اندازه‌گیری

جلسه ششم: مدل‎سازی آکوستیک سازه‌ای (ابزار ACT Acoustics)

• معرفی ابزار ACT Acoustics
• تعریف بدنه آکوستیکی
• اعمال تحریک‌های آکوستیک به مدل
• تعیین شرایط مرزی
• استخراج فرکانس‌های طبیعی سیستم
• نحوه تبدیل المان‌های خطی به المان‎های مرتبه دوم
• حل ۴ مثال کاربردی (تولید هندسه، شبکه‌بندی، حل و استخراج نتایج)

جلسه هفتم: حل یک مثال کاربردی از تحلیل ایروآکوستیک (جریان اطراف یک استوانه)

بخش‌هایی از دوره‌ی آموزشی “شبیه سازی آکوستیک و تولید نویز در انسیس فلوئنت” در این بخش نمایش داده شده است: