模擬工具初探

建築音響模擬軟體ANSYS 是由世界上最大的有限元素分析軟體公司 之一美國ANSYS 公司所開發，是集結構、流體、電場、磁場、聲場分析 於一體的大型通用有限元素分析軟體，本所版本為8.0。ANSYS 的前處 理模組提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，可供使用者方便地 構造有限元素模型，及分析求解及多場耦合分析統一數據庫功能，亦為 世界上第一個通過ISO 9001 認證的分析設計類軟體。ANSYS 軟體可廣泛 應用於核能工業、鐵道、石油化工、航空、機械制造、材料成形、能 源、汽車交通、國防軍事、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工 業、地礦、水利、日用家電等工業及科學研究等領域，目前建築樓板衝 擊音數值模擬模式之建立，亦獲得廣泛應用。

ANSYS 亦提供方便靈活之實體建模方法，協助用戶進行幾何模型建 立，其材料庫和單元庫，單元類型共有200 多種，可用來類比工程中的 各種結構和材料。其智慧化網格劃分能生成形狀特性較好的單元，以保 證網格質量，並盡可能提高分析精度。此外，其智慧化的載荷和邊界條 件的自動處理，可根據所求解問題的類型自動選擇適合的求解器求解，

分析計算模組包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性 分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理 場的耦合分析，可類比多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優 化分析能力。

曾品杰、江哲銘等(2007)即以 ANSYS 軟體工具發展數值模式預測樓

第二章 資料與文獻之蒐集分析

內音響放射特性，有限元素法的理論是將整體(整個結構)視為次區域(有 限元素)之組合，作為結構解析之模擬；再把整體數值模型進行離散，各 個元素之平衡條件及相容性條件建立其控制方程式，整個模型係以一組 聯立方程式表示，包括最主要的三項變因：結構質量(m)矩陣、結構阻尼 (c)矩陣(含質量阻尼與結構阻尼)、與結構勁度(k)矩陣等，再配合結構動 力方程式，進行整體模型之求解。有關室內音場部分，模擬音場與結構 體介面問題需將結構動力方程式離散化，同時考量音場無損失波動方程 式、邊界之阻尼緩衝作用、音場流體與結構體的耦合作用，於相關簡化 之假設條件下，將結構動力方程式與流體動量方程及流體連續方程納 入，得出音場波動方程式，之後則計算模擬音場與結構體介面關係，得 出流體對結構作用的壓力透過音場與結構體間之耦合作用方程式，最後 進行音壓值運算，由有限元素模型預測空間中各元素中之樓版衝擊音音 壓級(曾品杰等，2007)。

其數值模型建立，係運用實體元素定義結構體(包括牆體、樓板、及 表面材)，樑柱系統採柱元素，室內聲場為流體元素，並以合適之形狀函 數模擬之，其利用有限元素法於軟體ANSYS 環境下建立之建築樓板衝擊 音數值模型(摘錄如圖 2-1)，並透過數值模擬的過程，將聽覺可視化，藉 以分析各頻率聲壓值在室內空間之整體分布狀況，摘錄如圖2-6，該研究 經衝擊試驗發現，裸樓板之衝擊音隨著頻率的增加而增高，而樓板於增 加一般市售橡膠地磚之表面材(規格為 610mm×610mm×3mm)後，衝擊源 因表面材吸收部分衝擊力，而使衝擊音減少，且同樣隨頻率之增加衰減 效果更為明顯，結果亦顯示音壓級的衰減特性與頻率的增加有顯著的提 昇(圖 2-2)。若與樓板衝擊音之發生機制比對，樓板結構受外力振動後，

會於內部產生由縱向的疏密波、橫向的彎曲波、剪切波及扭轉波等應力

建築樓板衝擊音數值模擬預測之應用先期研究

波所攜帶的能量傳播，而其中彎曲波係影響結構噪音與內部空間空氣音 的關鍵波形，因此樓板表面材的阻尼特性對樓板衝擊音具有一定的影響 (謝宛均，2003；呂奇穎，2007)，而阻尼特性即指任何振動系統在振動 中，由於外界作用或系統本身固有的原因引起振動幅度逐漸下降的特 性，因此彈性佳且阻尼較大，有效抑制共振時之振幅。經數值模擬，在 增加橡膠表面材料後各頻率之室內空間音壓亦有衰減的現象，經統計分 析，該模擬與實驗結果關聯性高。另，該研究亦針對不同表面材(石英 磚、塑膠、橡膠、防振橡膠、地毯等5 類表面材)進行模擬，亦得出表面 材彈性係數與衝擊音衰減變量的關聯性高，也與其物理機制一致。

圖 2-1 利用有限元素法及 ANSYS 建立之樓板衝擊音數值模型 (資料來源：曾品杰等，2007)

圖 2-2 建築樓板衝擊音數值模型呈現不同頻率聲壓衰減分布圖

第二章 資料與文獻之蒐集分析