外部音場向けのアダプティブ完全整合層法

外部音場は、非有界領域内の音響伝播のモデリングです。アダプティブ完全整合層（APML）は、これらの領域をモデリングするための重要な手法です。APMLは、直接法およびモーダル法の両方の周波数応答解析でサポートされています。

図 1. 無限領域の音響問題


APML法は、無限要素（IE）法と同等の優れた精度を持ちつつ、通常は周波数バンディングにより性能が向上しています。
音場領域の外側境界にあるアダプティブ完全整合層（APML）メッシュによって、次の条件が確実に満たされるようになります：
  • 音波は界面で反射されない。
  • この層を通過する波は減衰する。

サポートされている解析

アダプティブ完全整合層（APML）法は、以下の解析でサポートされています：
  • 直接法による周波数応答解析
  • モーダル法による周波数応答解析
  • SMP実行
  • DDM実行

入力

定義する必要のあるAPML法の入力は次のとおりです：
  1. 流体材料のプロパティ（体積弾性率、音速、流体密度）は、MAT10バルクデータエントリで流体要素について指定できます。
  2. 極位置（音響脈動の原点）は自動的に計算されます（これとは対照的に、IE法では、極位置を手動で指定する必要があります）。APMLでは、ユーザー定義の極位置が必要な場合は、PACPMLバルクデータエントリのXP、YP、およびZPフィールドを使用できます。
  3. 無限領域と半無限領域との間のインターフェースを定義する節点。これは、完全整合層要素として定義されます（現時点では、3節点CACPML3および4節点CACPML4要素がサポートされています）。
  4. 周波数バンディングをさらに細かく制御する必要がある場合は、PACPMLバルクデータエントリを使用するか、MESHFバルクデータエントリを介して周波数帯を明示的に定義できます。
  5. 各軸に垂直な反射面はXRFL、YRFL、ZRFLフィールドを使って定義でき、反射係数はPACPML エントリのXFAC、YFAC、ZFACフィールドを使って定義できます。

モデリングのガイドライン

  1. 少なくとも１層の流体要素が、対象の構造領域のサーフェス上で定義される必要があります。
  2. APML要素（CACPML3およびCACPML4）は、流体要素の一番上のサーフェス上でのみ定義される必要があります。
  3. APMLでは、IEとは異なり、音響メッシュとPML要素は振動構造を完全に囲んでいる必要があります。
  4. APML法の重要な点は、周波数範囲全体が狭い周波数帯に分割されることです。デフォルトでは、1.2という係数のADAPF（適応係数）オプション（PACPMLバルクデータエントリ上）が使用され、周波数帯が生成されます。詳細については、このページの周波数帯とアダプティブメッシングをご参照ください。
  5. 音圧は、受音側の節点上（マイクロフォンの位置）で測定できます。音圧コンターを視覚化するためには、受信側節点はPLOTEL要素を使って結合されなければなりません。詳細については、このページの出力をご参照ください。
  6. 音源は通常、荷重により励起される構造で、SLOADを有する流体節点でもかまいません。
  7. APML要素（CACPML3とCACPML4）のメッシュ層の法線は、音源から遠ざかるように外向きである必要があります。

モデリングのチェックリスト

PML要素を使用した外部音場問題のモデリングは、有限-無限領域間のインターフェースを定義する2D完全整合層に、非有界領域全体が落とし込まれていることを示しています。このモデリングチェックリストは主に、モデル化される外部音場問題に関連した物理特性を正しく捕捉できるようにPML要素が使用される手助けとなります。
  1. ポールは、音響攪乱のソースです。APMLでは、IEとは異なり、極位置は自動的に計算されます。
  2. モーダル周波数応答を使用するものの、モーダル空間には、構造と音響空洞のメカニクスを適切に捕捉するために十分なモードが含まれなければなりません。EIGRL/EIGRAバルクデータエントリの上限周波数として最初に試すべき適切な値は、最大周波数の2～2.5倍です。モードの数に関し収束を確実にするのもユーザーの責任です。
  3. モデリングのガイドラインに従って、振動構造全体を音響空洞メッシュで囲み、この囲んだ音響空洞メッシュ上にPML要素の層を加えることにより、外部音場が正しくシミュレートされます。PML要素の層が上に配置されている音響空洞メッシュのサーフェスは、不連続箇所のない可能な限りスムーズな状態でなければなりません。
  4. マイクロフォン位置におけるGRIDバルクデータエントリが確実に音響媒体の領域に属するようにすることで、遠方位置における圧力出力の計算が正しく要求されなければなりません（CD = -1）。
  5. 流体と構造の間のインターフェースおよび剛体流体インターフェース（音響的な剛性境界における）の生成は検証される必要があります。これは、OptiStruct実行の直後に .interfaceファイル内で出力され、素早くHyperMeshに読み込まれてインターフェースを可視化できます。
  6. PACPMLバルクデータエントリで参照されたMAT10バルクデータエントリ内の材料特性では、既存の構造モデルと一致する単位が使用されている必要があります。たとえば、kg-m-s (SI)またはTon-mm-s。
  7. また、直接法による周波数応答とモーダル法による周波数応答との間の解析結果がほぼ一致することで解析結果を検証することが可能です。

周波数帯とアダプティブメッシング

周波数帯は、PACPMLバルクデータエントリで定義されたオプションに基づいて自動的に生成されます。周波数帯の生成は、APML法が無限要素（IE）より性能効率が優れている主な理由です。

無限要素の場合は、周波数帯は存在しないため、内部計算されるIEの半無限メッシュ領域は、加振周波数範囲全体で同じです。したがって、単一のメッシュ領域で、加振周波数範囲全体が考慮される必要があります。このため、その範囲の最低周波数を考慮できるよう内部IEメッシュ領域の厚みが大きい必要があると同時に、最高周波数（最短波長）を考慮できるようメッシュ密度が高い必要があります。この結果として、非常に細かい要素メッシュによる厚いメッシュ領域が生じます。

APML法では、加振周波数範囲全体が狭い周波数帯に分割されるため、特定の周波数帯内の各アダプティブメッシュでは、その周波数帯の最低周波数と最高周波数のみを考慮すれば済みます。これにより、PMLメッシュ層の厚みとその層内のメッシュ密度は管理可能なものとなります。

軽量なSimLabメッシャーを介してアダプティブメッシングが自動的に行われ、完全整合層の領域が生成されます。このメッシャーは、実行時に必要に応じて自動的にアクティブになるため、追加の設定は不要です。

周波数範囲全体に単一のPMLメッシュを生成するのは効率的ではありません。このメッシュは加振周波数の全範囲（最低周波数から最高周波数まで）を処理するために制約されるためです。周波数の全範囲を処理する単一のメッシュを使用すると、非常に厚いPMLメッシュ層が生成され、そのメッシュは非常に細かくなる可能性があります。

メッシュ生成の周波数範囲を複数の周波数帯に分けることをお勧めします。同様に、解析の各周波数に対して1つのPMLメッシュを生成するのは効率的な方法ではありません。

注: 自動アダプティブメッシングでは、四面体要素のみがサポートされています。
APML解析を定義および制御するエントリ：
APMLの機能
制御オプション
周波数バンディング
PACPMLのADAPF（デフォルト = 1.2）
PACPMLのNBND + BNDTYP
PACPMLのMFID（MESHFバルクデータエントリを指しています）
PMLメッシュ密度
PACPMLのESBYL（1つの周波数帯の最短波長での要素数。デフォルト = 4）。
PMLメッシュのメッシュ密度を決定します。
PMLメッシュ板厚
PACPMLのTBYL（各PML層の厚みと周波数帯の最長波長の比率。デフォルト = 1.0）。
PMLメッシュのメッシュ板厚を決定します。
PMLメッシュ品質の調整
PACPMLのMESHG（隣接要素のサイズと特定要素のサイズの最大比率。デフォルト = 2.0）。
低品質のPMLメッシュを防止するために、隣接要素サイズを制御できるようにします。
PML要素
CACPML3およびCACPML4要素。
流体材料特性
MAT10材料。
PML要素定式化
PACPMLのMODINT。

出力

APMLの解析では、音圧（DISP）、音響パワー（ACPOWER）、音響インテンシティー（ACINT）の出力がサポートされています。H3DおよびPUNCHフォーマットによる直接法およびモーダル法による周波数応答の音響解析が可能です。

圧力出力は、DISPLACEMENT入出力オプションを使用して要求できます。圧力は、GRIDポイントセットとして指定され得る外部マイクロフォン位置におけるモデルの流体領域に属する節点について要求が可能です。これは、H3DおよびPUNCHファイルフォーマットについてサポートされています。