Инженеры, как правило, тратят много времени на оптимизацию внешнего вида, тактильных и прочих характеристик своих изделий. При этом важность звуков в общем восприятии изделия зачастую недооценивается, и работа над звуковыми характеристиками откладывается на последние этапы разработки.

Отсутствие характерного щелчка может вызвать сомнения в исправности ремня безопасности. Акустическое моделирование позволяет обеспечить оптимальное звучание изделий.

Вы можете разработать лучшую в мире посудомоечную машину, но если она будет работать слишком громко или слишком тихо, пользователи подумают, что с ней что-то не так. Звуки также могут придать дополнительную привлекательность товару. Все мы ожидаем услышать характерный щелчок тостера, ремня безопасности или разъёма. Эти звуки бывают настолько приятными, что их нередко используют в рекламных видеороликах.

С другой стороны, плохой звук может привести к провалу товара на рынке. Представьте, например, потолочный вентилятор, который может охладить комнату за секунду, но работает с громкостью вертолёта – его никто не купит.

Поскольку звуки могут оказывать такое существенное влияние на успешность продаж, кажется неразумным продолжать следовать традиционному методу разработки, в рамках которого вы услышите изделие только при тестировании физических прототипов. Ведь на этой поздней стадии разработки решение обнаруженных проблем может оказаться слишком дорогостоящим.

Что, если бы вы могли услышать, с каким звуком будет работать ваше изделие, уже на этапе проектирования? Да, это возможно – на помощь приходит акустическое моделирование. Некоторые компании уже сформировали целые расчётные отделы, специализирующиеся на оптимизации звуков.

Наука, лежащая в основе акустического моделирования

Прежде чем мы углубимся в процесс акустического моделирования, давайте рассмотрим происхождение моделируемых звуков.

Изделия, которые содержат вибрирующие или ударяющиеся элементы, потоки жидкости и электромагнитные поля, могут издавать звуки, вызывая вибрацию окружающего их воздуха или другой среды. Таким образом, для определения звуков, которые производят изделия, необходимо сначала смоделировать происходящие в изделии процессы.

Например, чтобы рассчитать звук внутри автомобиля, необходимо учесть воздействующий на него ветер и виброакустические характеристики элементов трансмиссии. Для более тихих электромобилей важными будут даже звуки системы кондиционирования воздуха.

Смоделировав основные физические процессы в изделии, вы можете рассчитать возникающие от них звуки и оценить их качество и уровень громкости. Громкость можно вычислить в децибелах – единицах, которые применяются для описания отношения давлений, мощностей и других величин, и обычно используются как мера интенсивности звука.

Качество звука, однако, оценить сложнее, поскольку эта характеристика субъективна. Некоторую оценку можно получить при помощи таких психоакустических характеристик, как громкость, резкость, грубость, тональность и изменение интенсивности. Однако, чтобы повысить точность оценки качества звука, приходится проводить испытания на контрольной группе, давая каждому участнику прослушать и оценить звук. Окончательный результат формируется на основе статистического анализа отдельных субъективных оценок.

Вот почему акустическое моделирование играет столь важную роль: оно позволяет расширить задачи разработки за пределы функциональных характеристик продукта, обеспечивая качественное звуковое восприятие финального изделия.

Как прослушать результаты акустического расчёта

Предположим, вы хотите оценить шум электромобиля. Двигатель и коробка передач – основные компоненты трансмиссии, которые являются источниками звука. Поэтому для оценки шумов сначала необходимо выполнить междисциплинарный расчёт этих систем.

Рабочий процесс акустического расчёта для определения звуков, создаваемых трансмиссией электромобиля

Расчёт электромагнитных характеристик и вибраций двигателя можно выполнить при помощи программных продуктов Ansys Maxwell и Ansys Mechanical, а динамику элементов коробки передач можно смоделировать при помощи программного продукта Ansys Motion. Полученные результаты этих расчётов передаются в программный продукт Ansys VRXPERIENCE Sound, который позволяет прослушать звук работы изделия. Этот рабочий процесс затем можно использовать для оптимизации продукта и улучшения его звучания.

Далее можно поставить задачу о, например, минимизации шума от электродвигателя. В таком междисциплинарном рабочем процессе будут включены расчёт отклика на статические нагрузки, расчёт электромагнитных явлений, расчёт вибраций и акустический расчёт шума. Больше информации об этом рабочем процессе вы можете узнать из вебинара «Listen to Your Simulations with Ansys» (на английском языке).

Рабочий процесс акустического расчёта для определения шумов, создаваемых электродвигателем

Примеры расчёта звучания различных изделий при помощи компьютерного моделирования

Оптимизации требуют не только шумы двигателей и транспортных средств. Именно поэтому программные продукты Ansys не концентрируются на конкретном практическом приложении, а предоставляют возможность междисциплинарных расчётов для оценки звучания различных изделий.

Например, программный продукт Ansys Fluent для решения задач вычислительной гидрогазодинамики (CFD – computational fluid dynamics) позволяет выполнять расчёты вентиляторов, компрессоров, насосов и так далее. Кроме расчёта характеристик потоков, Ansys Fluent можно использовать для решения задач аэроакустики с учётом работы лопастей и турбулентности. Эти данные также можно передать в программный продукт VRXPERIENCE Sound и получить запись объёмного звука. На основе такой виртуальной модели можно выполнить оценку и оптимизацию качества звука.

Рабочий процесс акустического расчёта для определения шумов, создаваемых вентилятором

Многие вращающиеся машины должны соответствовать некоторым требованиям стандартов с точки зрения акустического шума. Акустическое моделирование позволяет проектировать изделия, удовлетворяющие этим требованиям, с минимальными денежными затратами.

Учитывать звуки при разработке потребительских товаров столь же важно, как и при разработке промышленных товаров. Кто, например, захотел бы, чтобы клюшка для гольфа беззвучно ударялась о мяч? С другой стороны, звук удара клюшки о землю никому удовольствия не доставит.

Таким образом, звуки ударов бывают как желательными, так и нежелательными. Моделируя изделия, вы можете свести к минимуму нежелательные звуки и улучшить те, которые придадут вашему изделию большей привлекательности.

Рабочий процесс акустического расчёта для определения звуков, создаваемых клюшкой для гольфа

В случае клюшки для гольфа звук будет зависеть от скорости и формы соударяющихся поверхностей. Но он также сильно зависит от характеристик материалов – как соударяющихся предметов, так и среды, в которой они находятся. Провести физические испытания или же разработать такую клюшку с использованием только лишь аналитических методов может быть очень непросто, но программные продукты Ansys LS-DYNA и VRXPERIENCE Sound позволяют справиться с этой задачей и гарантировать, что вы будете довольны звуком удара клюшкой о мяч, а удар о землю будет практически бесшумным.

Больше информации о том, как создавать хорошо звучащие продукты, вы можете узнать из вебинара «Listen to Your Simulations with Ansys» (на английском языке).

Источник: ansys.com
Автор: Patrick Boussard, Santosh Kottalgi