空力音響シミュレーションの概要 

聴こえますか。住宅地の上を飛行機が飛んでいます。ノートパソコンのファンが回転しています。広大な土地に設置された風力タービンが回転しています。私たちの周りで、さまざまな機械が音を立てています。どの程度のノイズで、過剰なノイズになるのでしょうか。その音は、どのくらいの距離まで伝わるのでしょうか。このノイズの発生源はどこなのでしょうか。

空力音響シミュレーションとは、流れている流体から生じるサウンドの研究です。エンジニアや設計者がノイズの発生源を特定し、その影響範囲を理解して、サウンドに関する規制に準拠し、ユーザーエクスペリエンスを向上させるために、ノイズを低減または除去するソリューションをモデル化する方法です。

空力音響シミュレーションは、さまざまな業界で、エンジニアが快適性と安全性を向上させるためにサウンドの発生を解析するのに役立ちます。たとえば、製造業界では、設備がオペレータに近接していることによって引き起こされる難聴の危険性を特定するのに役立ちます。海洋タービンでは、水中騒音公害を減らす方法を特定することで、海洋生物を保護するのに役立ちます。

この記事では、特に自動車業界に着目しました。自動車では、何千もの部品が空気の流れによって絶えず影響を受けています。ここでは、空力音響シミュレーションによってサウンドの発生源をすばやく特定し、それを抑える方法について探ります。

空力音響ユースケース: 自動車のNVH解析

乗客が車に乗ると、全体的なノイズに寄与するさまざまな音を知覚できます。これらはすべて、モデリングに独自の課題をもたらします。

図1: Alfa Romeo Giuliettaの空力音響シミュレーションのノイズ源

• タイヤのノイズ: タイヤの回転から生じるノイズは、外部流れの空力騒音に寄与しています。
  • 課題: 変形したタイヤと路面の相互作用をモデリングします。
• ワイパーのノイズ: ワイパーの動きから生じるノイズは、外部流れの空力騒音に寄与します。
  • 課題: 空力振動音響効果、複雑な物理特性、乱流モデルをモデリングします。
• サンルーフのノイズ: サンルーフやサイドウィンドウを開いた状態で走行している場合、車室内の音響と開口部を横切る脈動渦が共振し、いわゆる「バフェッティング」ノイズが発生することがあります。
  • 課題: 開口部に到達して通過する流れの乱流構造を正確に予測します。これは、速度条件とジオメトリの詳細に強く依存します。
• HVACシステムのノイズ: 車両のHVAC（暖房、換気、および空調）システムからのノイズは、知覚される全体的なノイズレベルに寄与し、車室内の快適性に大きな影響を与えます。
  • 課題: 回転コンポーネント、正確な乱流場の分解能、およびドライバーの耳までのノイズ伝播を用いた非定常スタディを完了します。
• ドアギャップのノイズ: ドアギャップキャビティ内での流れによる圧力変動はキャビティノイズを発生させます。
  • 課題: 異なる速度条件やドアギャップの異なる形状を扱います。
• サイドミラーおよびウィンドウのノイズ: 車体の表面やサイドミラーの設計によって生じる、ウィンドウガラスに衝突する乱流によってノイズが発生します。
  • 課題: 乱流モデルの精度と車体表面の圧力変動の不安定性を扱います。

シミュレーションにより自動車のノイズを低減する方法

空力音響シミュレーションは、運転席などの特定の場所で、ノイズ源がサウンドレベル全体に及ぼす複合的影響を予測するのに役立ちます。ノイズを予測できることで、設計者は車両の詳細（サイドミラーの形状、一部のドアギャップ、ベントなど）や材料を変更して、規制に準拠し、乗客の快適性を向上させることができます。

Ansys Fluentは、複雑な空力音響の問題を解決し、幅広いモデリングオプションと‍ポスト処理機能を提供して、さまざまな方法を使用して音響設計を改善します。

• 広帯域ノイズ解析法では、ノイズ源推定の基盤として定常解を使用します。
• 空力音響学による解析法では、数値流体力学（CFD）解を、波動方程式解を介して音響伝播から連成解除します。
• 直接法（直接数値空力音響学）では、非定常流れと音響場の計算を完全に連成させます。

Ansysの最新のソフトウェアリリースである2022 R1では、Ansys Fluent CFDシミュレーションをAnsys Soundに連成させる新しい音響ワークフローが追加されています。これにより、エンジニアは高度な音響解析技術を使用して、CFDによって計算された次のような音圧信号を解析できます。

• シミュレーションされたサウンドを聴くことができる音響ファイル
• ボリューム、調性、シャープネス、および調音に関するレポート
• 場所別の音響指標を表示するための圧力信号の変換
• サウンド構成のための複数の周波数関数

Ansys Fluentでの音響シミュレーションの実行方法

Ansys Fluentでの解析セットアップ中に、多数の受信機を定義して、ノイズ源をそれらに伝播することができます。新しいSound Analysisモジュールは、Ansys Fluentの音響機能を拡張し、エンジニアがCFDシミュレーションで計算した内容を聴くことができるようにします。

図2: Ansys FluentのSound Analysis

CFDシミュレーション中に受信機の位置で生成された短い音響シグネチャでも、高品質な可聴の長いファイルに変換できます。さらに、心理音響解析ツールは、予測されたサウンドが人間の耳での知覚に与える影響についての知見をもたらします。Ansys Fluentの音響解析では、周波数応答関数もサポートされており、次のことが可能になります。

• 計算された分離成分ノイズ（HVACなど）から車室内でのそのノイズの予測に切り替える（時間周波数表現（TFR）が与えられた／評価された後に車室自体をシミュレーションする必要はない）。
• さまざまなノイズ源（タイヤ、ワイパー、HVACなど）から全体的なサウンドを組み立てる。

ワンクリックで音響信号を転送し、Ansys Soundでより高度な音響解析を開始できます。

図3: Ansys Soundでの音響解析

詳細については、空力音響シミュレーションウェビナーをご覧いただくか、CFDシミュレーション製品ページにアクセスして、シミュレーションで使用できる最新の音響拡張機能をご覧ください。