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噪声源主要有两种构成，振动噪声源和气动噪声源。顾名思义，振动噪声是由结构振动辐射出来的噪声，气动噪声是由流体流动中的湍流引起并传播出来的噪声。在很多应用场景中，了解并掌握气动噪声如何产生以及如何传播对产品的设计有很大意义。比如，下图中汽车风噪声，汽车在高速行驶时后视镜和侧窗区域形成的风噪会传入车内；风机在旋转做功时会切割空气并产生涡流，形成周期性较强的离散噪声和宽频带的涡流噪声；空调管道内流速过快时产生的湍流噪声等。
在气动噪声的模拟计算中，工程师往往关注以下几点：优化设计的快速性、是否可能在设计前期就进行噪声预测、仿真计算的网格规模、能否有效控制仿真成本、节约计算时间等。
SC/Tetra可解决的常见CFD问题
下面就给大家介绍MSC Software公司的SC/Tetra和Actran是如何联合进行气动噪声模拟的。
Cradle（MSC子公司）旗下的SC/Tetra是一款通用的CFD软件，可以提供一站式解决方案套件。Tetra采用有限体积法的迭代方法，可计算多种流动类型，包括可压缩，不可压缩和动网格（ALE）等，其性能高效，快速，精确。Tetra典型应用如下图所示。
FFT（MSC子公司）旗下的Actran是国内外通用的声学模拟软件，由于精细的建模方法，便捷的操作流程及精准的计算精度被广大用户所接纳。Actran主要基于声学有限元求解各类声学问题，同时包含声学无限元、完美匹配层、间断伽辽金（DGM）、统计能量方法（新版本）等多类方法，可用来求解范围广泛的振动噪声与气动噪声问题。Actran便捷易操作的前后处理界面也是一大亮点。近年来，由于Actran在气动噪声的优异表现，如汽车风噪声、风机类旋转机械噪声、航空发动机噪声等方面的卓越表现，已经逐步成为产品开发必不可少的仿真工具。Actran典型应用如下图所示。
Actran声学仿真典型问题
气动噪声计算的挑战
众所周知，气动噪声中声压只是流体压力中很小的一部分。拿汽车风噪声举例，100 km/h行驶速度的轿车，动压约为500Pa，而声压仅为0.11Pa（即75dB）；可想而知，我们在通过CFD计算气动噪声时，如同在波涛汹涌的海面（动压）上辨别投石引起的波浪（声压）。
汽车风噪及相关示意图
气动噪声解决方案
SC/Tetra可以用以下模型仿真预测流动诱发的噪声：
1）声源探测方法 source detection；
2）声学类比方法 acoustic analogy；
3）混合方法 Hybrid method–基于声学类比方法的 SC/Tetra - Actran 联合仿真。
SC/Tetra中三种计算方法的效率曲线
如上面曲线中所展示，声源探测方法是最便捷的方法，可以直接在CFD中采用稳态计算结果来做声类比计算，但这种方法的精度不高；这三种方法中最精确的方法是混合方法（SC/Tetra+Actran）。所以产品设计中对精度的要求越严格，就需要计算成本更高的气动噪声方法（这里的计算成本指软硬件成本及时间成本）。
1）声源探测方法 source detection methods
用稳态结果评估噪声源，采用的方法包括Powell-Howes声源识别法；Lillely’s 声源识别法； Proudmans声源识别法。
声源探测方法类似于对CFD结果进行后处理，因此我们可以使用稳态结果来估计噪声源。Powell-Howes声源识别法利用涡流和速度矢量来估计噪声源，Lillely’s 声源识别法仅使用速度向量来估计噪声源，Proudmans声源识别法是在流场中使用湍流参数（耗散率等）来估计噪声。每一种方法捕捉到不同类型的噪声，Powell-Howes声源识别法捕捉涡流的噪声，Lillely’s 声源识别法捕捉喷流噪声，而Proudmans声源识别法可以捕捉到流体中的宽带噪声。
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以上链接是一个汽车周围稳态流场的声音源评估模型。噪声源主要集中在侧镜附近 。车身后面的尾迹区域、前面的散热器及发动机罩区域，是汽车风噪的另外三个主要来源。
2）声类比方法
声类比方法需用非稳态方法计算声压，然后用Ffowcs Williams & Hawkings (FW-H)方程求解远场噪声：
正如前面提到的，声压比流体的动力压力小得多。在声类比方法中，我们对观测点的声压进行了评估。其中的限制是这种方法与可压缩流不兼容。
而且此方法需要采用瞬态模拟的结果，最好是使用大涡模拟(LES)，然后利用FW-H方程，根据预期的噪音源区域（通常是一个表面区域）来预估噪声大小。我们看到上面的方程中包含马赫数和声源距离观察点的距离。为了能够使用这种方法，我们设置的声源应该满足紧凑条件。紧凑性意味着与我们想要评估的波长相比，声源应该是很小的。
利用FW-H方程，我们将得到时域的声压大小，然后通过执行快速傅里叶变换将其转换为频域。下图展示了从一个远离圆柱体的场点上观测到的由圆柱绕流所产生噪声的案例。需要注意的是，此种方法在考虑声音的反射、折射、吸收等方面有很大局限性，这在很大程度上限制了单独使用CFD进行气动噪声计算的适用性。因此我们也就需要考虑下文提到的混合方法。
SC/Tetra中声类比方法求解气动噪声（圆柱绕流）
SC/Tetra+Actran混合方法仿真说明
采用SC/Tetra+Actran联合仿真模拟的混合方法可以结合两款软件彼此的优势方向，得到更为理想的结果
SC/Tetra + Actran联合仿真模拟方法
由SC/Tetra计算的CFD结果在Actran中通过CGNS格式读取。Actran来计算由湍流产生的气动声源，然后计算从声源到监测位置的声传播。
通过使用两种不同的Actran计算方法（常规气动噪声和SNGR方法），可以根据两种不同的工作流程来完成SC/Tetra和Actran的完整气动噪声计算。这两种工作流程之间的选择将取决于准确性和计算时间之间的权衡。
常规气动噪声和SNGR方法工作流程
第一个工作流程使用了SC/Tetra和Actran联合模拟气动噪声时的常规方法。SC/Tetra先求解稳态流场，然后需要求解瞬态流场。Actran可以读取瞬态流场结果，并计算气动噪声。Actran可以方便而全面的展示气动声源的传播结果。这个工作流程需要较多的计算时间，特别是瞬态的CFD分析，但是这种方法能够提供非常准确的结果。
第二个工作流程使用了SC/Tetra和Actran SNGR模块联合求解气动噪声，它属于一种半经验公式方法，通过采用Actran重构稳态流场中的脉动速度项，得到与时间和空间相关的数据，进而进行声源转换。在这个过程中，SC/Tetra只需要进行稳态的CFD分析，而Actran SNGR在这些平均速度和密度场的基础上，通过读取湍流动能K和湍流耗散率epsilon，可以根据随机重建方法重建一个时间相关的脉动速度场，进而转化成气动噪声源。由于不需要进行瞬态的CFD分析，所以这个工作流程要快得多；虽然它的精度可能没有前面一种方法高，但仍然能够很好地分析不同设计方案的相对噪声对比。因此，如果几个设计方案想要排序或者想要进行优化，SNGR方法也是不错的选择。
从这两种方法中可以看出关键部分是CFD和声学之间的接口。SC/Tetra可以很好的进行稳态CFD和瞬态CFD模拟计算。而Actran软件在气动声源提取与声源传播计算方面是技术上的佼佼者。
气动噪声源采用声类比方法提取，这要基于一个重要的假设：湍流流动引发声学场，但是声学场对流体没有反馈的影响，如下图所示：
流场与声场的作用关系
正如前面介绍的，声场中的声压脉动相对于流体里面的压力脉动是很小的一个量。这个假设对于几乎所有的气动噪声源都是有效的。上述的假设提出后，就可以用两个步骤来计算气动噪声：
第1步：计算不稳定流场，此时不关心声传播。这是在CFD求解器中完成的；
第2步：计算气动噪声源及其传播过程。这是在Actran中完成的。
在Actran中可以使用两种不同的声类比方法：Lighthill声类比，适用于低马赫数（Ma<0.3）气动噪声；Möhring声类比，适用于更高的马赫数（Ma>0.3）。Lighthill 声类比和Möhring声类比都基于CFD中的N-S方程和连续性方程。Lighthill声类比方法无法考虑流体流动对声传播的影响，所以仅能近似用于低马赫数气动噪声计算。如下图所示，方程被重新排列组合在一起，方程的左边为波动算子项，方程的右边是源项（密度和流体速度的函数）。
Lighthill 声类比计算公式
上述中速度项和密度项获得后，下一步是将这些源项从CFD网格映射到声学网格。在这个过程中所有相邻的CFD单元的结果都能映射到声学网格节点，如下图所示；这种方法不需要对声源区域的声学网格进行细化就能保证计算非常准确，因为它使用了CFD网格中包含的所有信息。
气动声源被映射到声学网格上，就可以运行Actran计算。Actran的计算不局限于简单的声传播，还可以通过复杂的传播路径来计算空气声学源的声学传播，如可以增加吸收材料或穿孔板，可以计算由气动声源引起的结构的振动等等。
信息映射过程及声传播
混合方法求解空调管道气动噪声
如上图所示，韩松系统（Hanon systems）采用混合方法来计算空调管道气动噪声，并发表在SAE国际大会上。研究的案例是一个汽车空调管道，空气通过前端系统注入，一个麦克风位于管道前方，以记录噪声大小。为了重现这个实验，工程师进行瞬态CFD计算，然后建立Actran模型求解气动噪声。计算完毕可以得到Lighthill声源分布，声场分布云图及监测点声压级频谱与实验的对比结果。使用混合方法计算的结果与实验结果非常匹配，这一结果使韩松系统（Hanon systems）工程师确信该方法很适合预测气动噪声。
SC/Tetra+Actran联合仿真案例
消声器排气噪声案例
本案例选择某摩托车排气消声器，案例的目的是尽量降低消声器内部产生的气动噪声。下图为采用两种方式计算消声器工作时产生的气动噪声流程：
Aero-acoustics及SNGR分析流程
在常规的Aero-Acoustics仿真计算中，第一步是计算一个稳定的CFD流场，目的是为瞬态计算提供初始场，并验证用于模拟的CFD网格是否足够用于气动噪声计算（可查看截止频率）。第二步是运行瞬态流场并尽可能的使结果稳定，常规的做法是监测某点的脉动压力，看是否呈现周期性。最后一步是瞬态流场稳定后，输出用于气动噪声分析的CFD结果。 SC/Tetra的操作动画如上所示，其步骤与常规的CFD软件操作流程类似，均属于较为经典的操作流程，其先定义边界后自动划分网格的特点也是一大特色：导入模型→定义材料属性→定义边界→划分网格→运行计算→后处理。
CFD的结果选择CGNS格式导出，常规的Aero-Acoustics方法需要进行瞬态模拟，大约需要100个小时时间来完成。它产生的数据量大约是87 GB，因为我们需要生成多个文件来计算声学信息。如果使用SNGR方法，即使用稳态模拟结果，这将大大减少CFD的计算负载。
Actran中计算气动噪声源及声传播云图、曲线
本案例使用混合的方法求解气动噪声，工程师可以从SC/Tetra和Actran中得到很多信息来改善产品的空气动力性能和声学性能。在这个过程中SC/Tetra可以非常有效和准确地完成瞬态流场分析，然后使用SC/Tetra的结果导入Actran中求解气动噪声源和声传播。其可靠的结果可以让工程师在设计阶段更早地改进产品的设计。
风机气动噪声案例
SC/Tetra求解风机瞬态CFD结果在Actran中转换为噪声源如下。
由此可见，采用SC/Tetra+Actran联合仿真模拟的混合方法可以精确的得到风机、管道等气动噪声。
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