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Product製品情報

Simcenter 3D Acoustics音響解析ソフトウェア

概要

これまでは、物理分野ごとに異なる専用ソフトウェアを使ってシミュレーションし、連携の必要があればそれぞれのデータファイルのフォーマットを互いにインポートできるように書き換え、そのデータを使って相手方で解析を実施するという、かなり手間のかかる方法が取られてきました。しかし近年になって複数の物理分野にわたってシミュレートしたいというニーズが増えたため、数値解析のツールを集め、場合によってはCADをも含めた単一のプラットフォーム上で、設計から解析、最適化検討までを実施するための環境が整ってきました。Simcenter™ 3Dはシーメンス社が開発したプラットフォームで、NX CADによる設計から静動的構造解析、耐久性検討、電磁界解析、材料試験、熱流体解析、安全性検討、機構解析、振動音響解析など、多くの複合的な解析に対応しています。「Simcenter™ 3D Acoustics」は、Simcenter 3Dに組み込まれた音響解析ソフトウェアを指した商品名です。

多彩な音響解析ソルバー

Simcenter 3D Acousticsは、様々な問題に対応できるよう有限要素法(FEM:Finite Element Method)、境界要素法(BEM:Boundary Element Method)、音線追跡法(Ray Acoustics)の3種のソルバーを持っています。これらを適切に使い分け、場合によっては組み合わせることによって広範な問題に対応することができます。
多彩な音響解析ソルバーの図

有限要素法 (Simcenter™ Nastran Acoustics) ​

​構造解析で世界的に有名な有限要素法の商用ソフトウェアNastranの系列であるSimcenter Nastranに組み込まれているため、構造振動との連成解析に相性が良いのが特長です。そのため適用範囲は広く、例えば、機械振動から発生する放射音解析や、透過音のように音響-振動-音響といった複雑な強連成解析等に向いています。
振動源となり得る要因は様々にありますが、その振動源を求めるための機構解析や流体解析、または電磁界解析等で得られた振動速度や圧力変動、電磁力等を、ファイルを介してインポートし、入力となる振動源に変換して振動音響解析を実施できるような広い間口を持っていることも特長の一つだと言えるでしょう。

境界要素法(Simcenter™ 3D Acoustics BEM) ​​

境界要素法は、考慮すべき音響的な散乱体の表面だけを境界要素(メッシュ)に切れば良く、無限遠の境界を考える必要がないため、有限要素法とは対照的に外部の開空間に向いた解法です。そのため昔から、外部の開空間は境界要素法で、室内などの閉空間は有限要素法で解くというように使い分けられてきました。しかし、境界要素法の係数行列は複素密行列になるため、やはり大量のメモリを消費することに変わりはありません。その欠点を補うために、高速多重極展開法(Fast Multipole)、階層型行列法(Hierarchical Matrix; H-Matrix)といったアルゴリズムが境界要素法に適用されるようになり、これまでとは比較にならないほどの大規模な問題や高周波数領域に適用できるようになりました。しかし、それでも有限要素法に比べると計算時間がかかっていました。
Simcenter 3D Acoustics BEMには、FEMAOで培った技術を境界要素に応用し、かつ係数行列の構築に高速多重極展開のアルゴリズムを適用することによって、さらなる効率化と大幅な高速化に成功したBEMAOという技術が搭載されています。

音線追跡法(Simcenter™ 3D Ray Acoustics) ​

音線追跡法は、これまでの有限要素法や境界要素法とはまったく異なる考え方で、いわゆる幾何音響理論をベースとした解析方法です。幾何音響理論とは、音の波動性を無視し、音の伝搬を線や粒子を飛ばしたときの軌跡であると考え、その軌跡を追跡することでどのように音が広がっていくかを観察する理論です。この考え方はある意味非常にシンプルであるがゆえに、かなり古くからその応用が模索されてきました。しかし本来、音の伝搬は線のように直線的でないために、幾何音響理論では音の波動性に最も特徴的な回折現象を扱うことができません。また反射も鏡面反射となるため、応用にはいくつかの大きな問題が指摘されてきました。
ところが音の伝搬には、周波数が高くなると音の伝搬における波動性の重要性が薄れ、幾何的な扱いをしても大きな矛盾は起こらないという性質があることも事実です。また同じく高い周波数では、音の伝搬が光のそれと似てくるため、光学の分野で発達した幾何光学的回折理論を適用できるようになる性質も持ちます。Simcenter 3D Ray Acousticsで採用されている音線追跡法は、この高い周波数における幾何音響理論の特長を生かすことで、有限要素法や境界要素法のように波動論的な解析手法が苦手とする高い周波数での解析を、これらとは比べ物にならないほど速く、また正確に解析できるソルバーです。
Simcenter 3D Acousticsは、Siemens社により開発されました。
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