Altair OptiStruct  瞬態響應聲學分析

帶有音箱的弦樂器，如小提琴、大提琴和原聲吉他，當演奏者在樂器的弦上彈奏、彈奏或拉弓時會產生復雜的聲音。動作產生的聲音然後通過樂器的身體產生共鳴，從而放大了它的聲音。撇開演奏者的能力不談，有時樂器會產生令人不快和不需要的聲音，稱為狼音。

 

這種聽覺現象因其類似狼的聲音而得名，是一種持續的人工泛音，當彈奏音符的音高接近樂器主體的自然共振頻率時，可以聽到這種泛音。這個過程會放大特定的音高，產生不平衡和振蕩的聲音，然後是快速衰減。你會認為這只是因為便宜且製作精良的樂器而發生的，這是可以原諒的，但事實恰恰相反。精心製作的弦樂器旨在產生盡可能多的共鳴，從而創造出更飽滿、更響亮的聲音。然而，缺點是該樂器也會放大狼音。我們決定使用Altair® OptiStruct®重現這種現象，我們的現代結構求解器提供全面、準確和可擴展的解決方案，用於跨靜態和動態、振動、聲學、疲勞、傳熱和多物理學科的線性和非線性分析。

 

首先，我們創建了一個帶有振動前板的原聲吉他模型，簡化為實體元素的結構模型。

原聲吉他的音箱

 

 

振動前板

 

 

接下來，我們創建了一個吉他弦模型作為殼單元的結構模型，並將其放置在您可以找到吉他弦的位置。

原聲吉他弦模型

 

 

在外部空間，我們用實體元素圍繞吉他模型創建了一個半徑為一米的球形聲學模型。我們在表面上設置了一個聲學無限邊界元素，並在距音孔中心的垂直方向兩米處放置了一個評估點（代表麥克風）。

外觀空間模型

 

 

為了模擬彈奏或撥弦後的琴弦行為，我們設置了一個振動條件；0.1 秒後，每 0.01 秒在弦的中心點施加一牛頓的載荷。這模擬了用吉他撥片反复彈奏的弦樂。

當我們預先對音箱單模型進行特徵值分析時，我們發現第一腔共振模式（亥姆霍茲共振）發生在150Hz左右。因此，我們將前面板和琴弦的相同物理特性調整為大約 150 Hz。

在這種狀態下，我們使用 OptiStruct 進行了瞬態響應聲學分析。在相同條件下，用於此測試的琴弦設置為 134Hz，大約低一個音符。然後，我們通過使用一個模型進行計算來比較這兩個測試的結果，在該模型中，物理特性經過調整，因此它們不會產生共振。

 

從上面的波形可以看出，當琴弦的固有頻率為 150Hz 時，聲壓的上升和衰減速度比 134Hz 的頻率要快。當樂器的頻率與琴弦產生的頻率相匹配時，產生的狼音就會接管，變得比琴弦振動本身的聲音更大。人們認為狼音和琴弦振動的音會相互抵消，導致快速衰減。

為了進一步擴展這一點，我們對一個模型進行了相同的計算，其中我們將共振頻率更改為 187Hz，代表更小、更薄的樂器主體。雖然狼的語氣仍然出現，但已經不那麼明顯了。

 

樂器製造商有時會安裝由金屬管和安裝螺釘組成的狼音消除器，安裝螺釘帶有一個內部橡膠套，可圍繞有問題的琴弦，從而減少大提琴上常見的混響量。市場上有很多好狼音消除器產品，雖然需要進行微調調整過程。

由於在原聲吉他上安裝這樣的設備在結構上是不可能的，因此製造商調整了自然頻率，使其在半音之間以避免狼音。他們通過在生產時在身體內部佈置增強材料來做到這一點。在大多數情況下，原聲吉他中的狼音並不像大提琴或小提琴中那樣突出，但鑑於樂器的結構，它不可避免地會並且偶爾會發生。

通過使用 OptiStruct，我們重現了這種現象並驗證了它是如何發生的。關於狼音的最初理論將樂器體內的空氣描述為產生不需要的聲音的原因。在本例中，我們僅使用音箱的空間模型和琴弦的結構模型進行計算。我們使用這種方法重現了這種現象；然而，我們無法獲得相同水平的突然衰減。我們發現我們可以通過添加前板的結構模型來實現這一點，證明計算機輔助工程 (CAE) 在闡明發生的根本原因時是多麼有用。

在過去的二十年裡，OptiStruct 拓撲優化推動了您每天看到和使用的產品的輕量化和結構高效的設計。OptiStruct 為傳統工藝、複合材料和增材製造提供了許多其他結構優化方法和廣泛的基本製造約束。