Akustik

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Akustik – mit Simulation zu leiseren Produkten

Bei der Neuentwicklung oder Verbesserung von Anlagen und Produkten, deren Verwendung mit einer Geräuschentwicklung einhergeht, gewinnen Maßnahmen an Bedeutung, durch die die Entstehung von Lärm verhindert oder zumindest minimiert und dessen Ausbreitung reduziert wird.

Das gilt für den Arbeitsplatz, den öffentlichen und Individual-Verkehr, für Maschinen, Geräte und Werkzeuge. Die Berücksichtigung der akustischen Aspekte ist nicht nur aufgrund entsprechender gesetzlicher Vorschriften und Regeln wichtig, sondern auch wegen der wachsenden Kundenanforderungen an neue Produkte: Eine geringe Geräuschemission ist heute vielfach ein wichtiges Qualitätsmerkmal.

Im Zusammenspiel mit Messungen können Akustik-Simulationen helfen, schon zu einem frühen Zeitpunkt anhand eines virtuellen Prototyps eine schwingungsinduzierte Schallausbreitung im Nah- und Fernfeld zu analysieren, Optimierungsmöglichkeiten auszuloten und gezielt zu vermindern.

Simulationsumgebung ANSYS Workbench

In der Simulationsumgebung ANSYS Workbench (in der Lizenzierung ANSYS Mechanical plus ACT Acoustics Extension) kann anhand einer Bauteilgeometrie oder Baugruppe die Entstehung von Geräuschen in vibrierenden Strukturen und deren Ausbreitung in Luft und anderen Medien analysiert werden. Damit lassen sich Schalldruck und Schallleistungspegel während der Produktentwicklung einfach und schnell ermitteln, was bei traditionellen akustischen Messungen oft mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist.

Durchgängiger Workflow

Anhand eines virtuellen Prototyps kann bereits in einer sehr frühen Phase des Produktentwicklungsprozesses die Geräuschentstehung lokalisiert, beurteilt und minimiert werden. Gleichzeitig erhält der Ingenieur ein besseres Verständnis des Produktverhaltens.

Die Untersuchung von Varianten und alternativen Konzepten sowie von neuartigen Ideen lässt sich in kurzer Zeit und kosteneffizient realisieren. Mit ANSYS Workbench ist ein durchgängiger parametrisierbarer Workflow definierbar, der schnelle Änderungen von Design und Randbedingungen ermöglicht und eine Automatisierung von Simulationsprozessen unterstützt. Dabei können unterschiedliche physikalische Disziplinen wie Elektromagnetik, Strukturmechanik und Akustik eingebunden werden.

 

Akustik-Optionen in ANSYS

ANSYS ermöglicht sowohl eine starke als auch eine schwache akustische Kopplung (Zwei- und Ein-Weg-Kopplung) zur Berechnung von Schallabstrahlung im Nah- und Fernfeld.

Dabei können akustische Lasten aus harmonischen Strukturberechnungen mit ANSYS importiert, aber auch ASCII-Daten von Drittanbietern, beispielsweise von Messungen, integriert werden. Zusätzlich wurden die Modelle für Dämpfungseffekte bei der Durchschallung von porösen und perforierten Strukturen sowie dünnen Kanälen und Spalten (viskothermische Dämpfung) erweitert.

 

Info-Webinar Vibroakustik

Das Webinar

Das Simulationspaket ANSYS enthält ein leistungsstarkes Werkzeug, mit dem die Geräuschentstehung in vibrierenden Strukturen bestimmt werden kann. In diesem Webinar wird der Arbeitsablauf einer vibroakustischen Analyse in ANSYS anhand eines exemplarischen Modells Schritt für Schritt vorgestellt.

 

Zielgruppe

Dieses Info-Webinar richtet sich an Konstrukteure, Entwicklungsingenieure und technische Verantwortliche von Geräusche emittierenden Produkten.

 

Info und Anmeldung

Info-Webinar: Vibroakustik


Unsere Themen

  • Schallabstrahlung vibrierender Gehäuse, z. B. Elektromotoren
  • Durchschallung von ein- und mehrschichtigen Strukturen, z. B. Fenster
  • Schallausbreitung in Leitungen
  • Dämmwirkung Schalldämpfer
  • Innenraum-Akustik: Auskleidung mit absorbierenden Materialien wie Schaumstoffen, Textilien etc.

 

Ihr Nutzen

Sie erfahren, wie sich die vibroakustischen Eigenschaften von Produkten und Bauteilen bereits in einem frühen Stadium der Produktentwicklung berechnen und optimieren lassen. Bei der Vorstellung der Vorgehensweise werden die großen Vorteile des durchgängigen parametrisierten Workflows in ANSYS Workbench für Entwickler und Konstrukteure deutlich.

 

Akustikanalyse für einen ölgefüllten Transformator

Frequenzganganalyse, Körperschall, Luftschall, akustische Anteile von Teilfächen

Aufgabenstellung

Die VA Tech ELIN Transformatoren GmbH ist Entwickler von Leistungstransformatoren. An diese Produkte werden seitens des Kunden hohe Anforderungen bezüglich der Schallemission gestellt, so auch beim untersuchten Typ mit einer Leistung von 420 MVA. Neben der Reduktion der elektromagnetischen und mechanischen Anregungen, die bereits bei der Entwicklung der Spulen eingebracht wird, sind insbesondere die über den Übertragungsweg Spule-Ölfüllung-Kesselwand angeregten Schwingungen im Fokus der akustischen Auslegung. Für diese Aufgabe leistet die Simulation mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) für die Strukturschwingung (Körperschall) sowie mittels Boundary Element Method (BEM) für die Akustik (Luftschall) wertvolle Hilfe.

Lösung und Ergebnis

Der Kessel des Transformators wird in ANSYS mit Schalen und Balkenelementen diskretisiert, die Ölfüllung mit Akustikelementen abgebildet. Nach Aufprägung der bekannten Verschiebungsamplituden der Spulen wird eine Frequenzganganalyse unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Kopplung durchgeführt. Ergebnis ist zum Beispiel das Körperschallverhalten, dargestellt als Schnelleverteilung. Da hohe Körperschallpegel nicht zwangsläufig zu hoher Luftschallabstrahlung führen, ist für eine adäquate akustische Bewertung von Kesselvarianten eine Luftschallanalyse unerlässlich. Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit, anteilige Leistungen von Teilflächen am gesamten abgestrahlten Schallleistungspegel auswerten zu können. Besonders effizient gelingt dies mithilfe der BEM, die auch die Darstellung des Schalldrucks in beliebigen Visualisierungsebenen erlaubt.

Akustikanalyse für einen ölgefüllten Transformator

 

Untersuchung des Geräuschverhaltens eines E-Motors

Elektromagnetische, strukturdynamische und akustische 3D-Simulation eines Asynchronmotors mit schräg verlaufenden Läufernuten

Aufgabenstellung

Der Einphasenwechselstrommotor der Firma Elektromotorenwerk Grünhain mit schräg verlaufenden Läufernuten wird für verschiedene Verwendungszwecke eingesetzt. Die Marktanforderungen verlangen ein leises Betriebsgeräusch. Durch eine Kopplung von elektromechanischer, strukturdynamischer und akustischer Analyse soll das Geräuschverhalten simuliert werden, um Modifikationsvorschläge zu erarbeiten.

Lösung

Zur Ermittlung der Magnetkräfte wird ein 3D-Simulationsmodell mit schrägen Läufernuten erzeugt. In einer transienten Elektromagnetiksimulation wird die Ausbildung des Magnetfeldes in der drehenden Maschine berechnet. Die am Innenradius des Ständers wirkenden magnetischen Wechselkräfte werden zeit- und ortsabhängig gespeichert.

Nach der Transformation der Kräfte in den Frequenzbereich dienen diese als Input für die sich anschließende Frequenzganganalyse und werden dazu auf das strukturdynamische FE-Modell aufgebracht.

Die erhaltenen Oberflächenschwingungen der schallabstrahlenden Gehäuseteile können mittels der Makrobibliothek SBSound für ANSYS ausgegeben werden. Zudem ist der Körperschallpegel über den gesamten Frequenzbereich darstellbar. Mithilfe des Akustiktools WAON lässt sich auf Basis der FMBEM (Fast Multipole Boundary Element Method) weiterhin die Luftschallausbreitung auf beliebig weit vom Elektromotor entfernten Netzen darstellen. Somit können räumliche Schalldruckverteilungen oder Schallleistungsfrequenzgänge simuliert werden.

Nutzen für den Kunden

  • Ausschöpfen des Geräuschminderungspotenzials
  • konkrete Konstruktionsverbesserungsvorschläge
  • Optimierung der elektromagnetischen Wechselwirkungen im Motor


    Untersuchung des Geräuschverhaltens eines E-Motors

     

    Simulation of Engine Acoustics in ANSYS Workbench

    High Performance Computation for Acoustic Simulations

    Task

    Acoustic radiation of vibrating structures such as large Diesel engines may significantly affect the comfort of staff and passengers. MAN Diesel and Turbo spends high efforts in improving the acoustic behavior of engines and engine components with respect to both, structural dynamics and acoustic radiation. Large structures, wide frequency bands, and many loadcases pose a challenge to simulation resources.

    Solution

    The simulation of acoustic radiation of vibrating structures typically requires a two step approach. A structural vibration analysis is coupled one-way to a subsequent acoustic analysis. In order to realistically describe sound pressure levels the analyst has to sufficiently describe the surrounding air volume in correlation to the noise frequencies. In order to speed up the simulation process a continuous repeatable workflow within ANSYS Workbench was created.

    Instead of using just a single acoustic model, multiple models, each for a close frequency band, were generated automatically. Dependent on the considered wave length both, the size of the air volume and the mesh discretization, were parametrically adapted. In addition the new ANSYS HPC Parametric pack licensing was used in order to run 16 simultaneous jobs each using 4 cores economically. This way solution time of this acoustic radiation analysis was reduced by 93 %.

    Customer Benefit

    A reliable workflow for the simulation of the acoustic radiation of vibrating structures was created. In combination with the consequent usage of ANSYS HPC technology this empowers engineers to

    • acoustic decisions already in the early design phase of an engine,
    • systematic parametric studies in order to understand the noise contribution of engine components,
    • determine measures (e.g. dam ping layer, ribs, decoupling ...) to cut down noise levels,
    • save money and time by reducing the number of physical prototypes.


    Simulation of Engine Acoustics in ANSYS Workbench

     

    Ihr Einstieg in die Simulation

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    • Simulation einführen ohne Risiko
    • In vier Schritten zum erfolgreichen Einsatz
    • Begleitung über den gesamten Prozess
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    Das CADFEM Seminarprogramm 2016

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