多物理环状体

声学航空声学

背景流与声学场之间的相互作用

通过湍流产生声音是与空气声场有关的最常见的物理效果。前缀Aero表示空气，但是航空声学不限于空气中流动诱导的噪声。航空声学与背景流和声学场之间的一般相互作用有关。例如，如果您正在研究剪切层的声音反射或消音器中的流动如何影响传输损失，那么您将研究航空声学。

航空声学模型可以包括在存在流动的情况下改变声场的效果，例如湍流，材料特性的局部变化，对流，粘性阻尼等等。数值解决空气问题属于计算空气声（CAA）的领域。

流动诱导的噪声

流动产生的声噪声可以通过不同的力学产生，但最终是由于流动波动所致。这些波动将导致整个流动过程中的分布声源。噪声是由于流动中局部应力波动而产生的（雷诺应力，粘性应力效应和非异源性效应都是四极源的来源）；壁上的压力波动（例如，固体边界处的偶极子源）；质量和热波动（例如，分布式单极源）；和外部波动力场。

声波只是流动产生的波的子集。还产生了涡度和热不稳定性波。这些特定的波只有流动的对流，而声波也相对于流动的局部速度传播。与其他波动相比，与声波相关的能量通常小数量级。这意味着对流动诱导的噪声的直接模拟非常具有挑战性，需要极为准确的数值方案。另一个困难是声源出现在流动中湍流的长度尺度上，然后需要解决。

声学类比

声学类比方程是将声学波动与流动波动分开的制剂。

这些方程式的第一种形式来自1950年代J. Lighthill的开创性工作。他的声学类比方程是通过重新排列的Navier-Stokes方程，这导致了声压的对流标量波动方程和包含所有流源项的右侧。

类比方程也可以通过以其他方式重新安排流程方程来构建，从而导致线性化的Euler方程或具有右侧流源的线性化navier-Stokes方程。线性化模型在许多空气声情况下具有极大的适用性，在这些情况下，流动诱导的噪声并不重要。这是在流体结构相互作用（FSI）频域中的问题时，建模背景流程如何影响声学（例如反射和折射），详细的消音器模型等等。

航空声学的线性化模型

理想情况下，空气模拟将涉及在时域中求解完全可压缩的Navier-Stokes方程。然后，声压波将形成流体溶液的子集。但是，由于所需的计算时间和内存资源，这种方法对于实际应用通常是不切实际的。

相反，就像解决许多实用工程问题一样，使用了脱钩的两步多物理学方法：

1. 解决流体流
2. 求解流动顶部的声学扰动

存在几种模型，其中包括不同级别的细节和不同的空气效应。这些模型是通过在稳态背景流周围和物理假设周围线性化来得出的。现在，因变量代表流动顶部的扰动，例如声学和不稳定性波。经典标量波方程，也称为频域中的Helmholtz方程，是无明确损失和等质假设的线性化模型的一个示例。

线性化模型的类型

标量波方程

标量波方程以其一般形式包括声音和密度对背景流的依赖性（因为它们都可以在空间上变化）。当对流效应不重要时（即，当马赫数小于0.1）并且热损失也可以忽略不计时，这是一个很好的近似值。

热声学

线性化热声学模型涉及材料参数对背景流以及热损失的依赖。当马赫数小于0.1时，它们是足够的模型。应用程序示例是在频域中对FSI进行建模。

线性化电势流

线性化电位流模型涉及背景电势流与声场之间的相互作用。在这里，除了在墙壁处可能的阻抗条件外，没有建模损失。例如，线性化电势流可用于对喷气发动机的声音传播进行建模。

线性化的欧拉

线性化的欧拉楷模可用于在存在固定背景的平均流量的情况下计算密度，速度和压力的声学变化，而理想气流非常近似。以其一般形式，该方程支持声波和非声波。后者是所谓的不稳定波（涡旋和熵波）。

线性化的Navier-Stokes

线性化的Navier-Stokes方程用于计算在存在任何固定等温或非等热背景平均流量的情况下压力，速度和温度的声学变化。这些方程包括粘性损失，热传导以及粘性耗散产生的热量（如果相关）。

声学扰动方程

上述线性化模型有许多变化和修改，用于建模航空声学问题。一个这样的例子是声学扰动方程。在这里，非声学传播模式已通过修改管理方程式来滤除，从而导致纯粹的声学问题。

发布：2015年9月28日
最后修改：2017年2月21日