Analiza hałasu i wibracji staje się coraz ważniejsza w praktycznie każdej branży. Potrzeba redukcji hałasu i wibracji wynika z rosnących wymagań, takich jak przepisy i regulacje dotyczące środowiska, stosowanie nowych lekkich konstrukcji i materiałów o ograniczonej zdolności tłumienia hałasu, ryzyka zmęczenia materiału w efekcie drgań wywołanych oddziaływaniem akustycznym, w przemyśle obronnym nie mniej istotna jest kwestia wykrywalności a na rynku konsumenckim rosnące oczekiwania konsumentów oraz zwiększona presja ze strony konkurencji - głośność jest cechą produktu, która może negatywnie wpływać na to jak postrzegany jest produkt. Dlatego obecnie dla wielu branż kluczowe staje się zrozumienie zjawisk hałasu i wibracji na wczesnym etapie projektowania.
Jednym z przykładów jest branża motoryzacyjna. W samochodach elektrycznych (EV) kwestia akustyki nabiera zupełnie nowego wymiaru. W pojazdach spalinowych jednym z głównych źródeł hałasu jest silnik, którego skuteczne wytłumienie przez dekady było wyzwaniem dla inżynierów NVH. Efektem ich pracy była skuteczna izolacja pasażerów nie tylko do hałasu silnika ale również innych niepożądanych dźwięków. Brak silnika spalinowego eliminuje potrzebę intensywnego tłumienia hałasu docierającego do wnętrza pojazdu, ale jednocześnie sprawia, że kabina pasażerska staje się bardziej podatna na te wcześniej niesłyszalne, a teraz wyraźne, dźwięki. W EV to właśnie inne źródła takiej jak szum toczenia opon, opór powietrza i odgłosy z zawieszenia czy układu kierowniczego wysuwają się na pierwszy plan, stając się kluczowymi wyzwaniami dla inżynierów. Zapewnienie komfortowej ciszy w EV wymaga innowacyjnych narzędzi projektowania, metod oraz materiałów, od specjalistycznych opon z pianką wygłuszającą (Goodyear SoundComfort Technology, ContiSilent™, Michelin Acoustic czy Pirelli Noise Cancelling System), przez optymalizację aerodynamiczną, specjalną konstrukcję zawieszenia i nadwozia aż po zaawansowane materiały dźwiękochłonne, aby sprostać rosnącym oczekiwaniom użytkowników względem komfortu akustycznego.
Także w kolejnictwie problem hałasu jest szczególnie istotny ze względu na jego intensywność i zasięg oddziaływania na środowisko, a także na komfort podróżnych i warunki pracy maszynistów. Unia Europejska i polskie przepisy nakładają konkretne normy i wymogi w zakresie akustyki, przez co jest ona często równie ważnym wyzwaniem dla projektantów, konstruktorów i producentów, co bezpieczeństwo czy wydajność energetyczna. Stają oni przed koniecznością spełnienie rygorystycznych norm hałasu, zarówno tego emitowanego na zewnątrz pojazdu (z układu jezdnego, napędowego, aerodynamicznego), jak i wewnątrz – w kabinie maszynisty i przedziałach pasażerskich. Głównym aktem prawnym w tej materii na poziomie unijnym jest Dyrektywa 2002/49/WE Parlamentu Europejskiego i Rady odnosząca się do oceny i zarządzania poziomem hałasu w środowisku. Zobowiązuje ona państwa członkowskie do sporządzania strategicznych map hałasu i opracowywania planów działań w celu jego redukcji, zwłaszcza dla dużych aglomeracji oraz głównych linii kolejowych z wysokim natężeniem ruchu (powyżej 30 000 pociągów rocznie). W Polsce, głównym dokumentem regulującym kwestię hałasu w środowisku, w tym kolejowego, jest Rozporządzenie Ministra Środowiska (obecnie Klimatu i Środowiska) w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku (Dz.U. 2024 poz. 255). Istnieją ponadto szczegółowe wytyczne i normy krajowe (np. PKP PLK) oraz branżowe (EN ISO 3095:2013), dotyczące metod pomiaru hałasu oraz konkretnych wartości granicznych dla poszczególnych typów taboru kolejowego i infrastruktury. Istotne jest również Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1304/2014 w sprawie technicznych specyfikacji interoperacyjności (TSI) podsystemu „Tabor kolejowy — hałas”, które określa dopuszczalne poziomy hałasu dla nowych i modernizowanych pojazdów szynowych (lokomotyw, elektrycznych i spalinowych zespołów trakcyjnych, wagonów) zarówno w trybie stacjonarnym, ruszania, jak i przejazdu. Normy te obejmują zarówno hałas emitowany na zewnątrz pojazdu (mierzony np. w odległości 7,5 m od osi toru) jak i w jego wnętrzu. Wymagania te generują konieczność projektowania cichych systemów napędowych, minimalizowanie hałasu toczenia kół poprzez precyzyjne wykonanie i stosowanie cichszych hamulców, optymalizację aerodynamiczną pojazdów, a także szerokie wykorzystanie zaawansowanych materiałów dźwiękochłonnych i dźwiękoizolacyjnych w konstrukcji.
Wave6 to oprogramowanie dedykowane do oceny hałasu i analizy wibracji na etapie projektowania, pozwalające zminimalizować ryzyko odkrycia kosztownych problemów z akustyką na późniejszych etapach cyklu projektowego - podczas badań i pomiarów z użyciem fizycznych prototypów lub badań homologacyjnych. Włączając Wave6 w proces projektowania, firmy mogą zapewnić, że wymagania w zakresie hałasu zostaną efektywnie wdrożone już na wczesnym etapie rozwoju produktu.
Wave6 wyróżnia się spośród innych narzędzi do analiz akustycznych tym, że oferuje bogaty i zintegrowany zestaw metody i technik analiz do efektywnego i dokładnego symulowania hałasu i wibracji w całym słyszalnym zakresie częstotliwości.
Wszystkie te metody są zintegrowane w jednym programie i wspólnym środowisku. Ta integracja umożliwia stosowanie zaawansowanych hybrydowych metod przez łączenie różnych technik w tym samym modelu, co pozwala na analizę problemów hałasu i wibracji w sposób niemożliwy w innych pakietach oprogramowania. Kluczowe metody dostępne w Wave6 obejmują:
Systemy analizowane przez Wave6 często zawierają miliony strukturalnych i akustycznych postaci własnych w całym słyszalnym zakresie częstotliwości. Wspomniane wcześniej hybrydowe podejścia polegające na łączeniu w jednym modelu i zadaniu obliczeniowym, metod deterministycznych i statystycznych jest kluczem do efektywnego rozwiązywania takich zadań. Solwery Wave6 pozwalają na uruchamianie obliczeń na wielu rdzeniach w środowiskach SMP (stacje robocze) jak i DMP (klastry HPC).
Wave6 znajduje zastosowanie w szerokim spektrum branż przemysłowych, pomagając w rozwiązywaniu złożonych problemów związanych z hałasem i wibracjami.
Wave6 znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym i obronnym, oferując zaawansowane możliwości w zakresie analizy akustycznej i wibracyjnej. Program pozwala na szczegółową analizę hałasu wnętrza samolotu, pochodzącego zarówno od silników, jak i od opływu powietrza. Umożliwia również badanie lokalnych wzbudzeń generowanych przez anteny oraz elementy konstrukcyjne drzwi i ich uszczelnień, a także analizę transmisji hałasu przez konstrukcję kadłuba. W celu poprawy komfortu akustycznego, Wave6 pozwala na optymalizację warstw izolacyjnych. Narzędzie to jest również wykorzystywane do modelowania pól padających na kadłub od śmigieł oraz analizy hałasu indukowanego przepływem z systemów klimatyzacji. Program pozwala również na analizę hałasu wiropłatów (śmigłowców, tiltrotorów, quadrokopterów, etc), a także kwestie związane ze śladem akustycznym dronów w kontekście ich wykrywalność oraz pola akustycznego wokół kadłuba statku powietrznego w celu minimalizacji hałasu w dalekiego pola.
Wave6 ma również szerokie zastosowania w sektorze produktów konsumpcyjnych, umożliwiając kompleksową analizę i optymalizację w zakresie hałasu i wibracji. Możliwe jest analizowanie hałasu i wibracji na poziomie całego systemu dla urządzeń takich jak lodówki, zmywarki czy pralki, co pozwala na identyfikację i redukcję niepożądanych zjawisk akustycznych na wczesnym etapie projektowania. Oprogramowanie to jest również wykorzystywane do analizy hałasu indukowanego przepływem w liniach chłodniczych, a także do badania hałasu, wibracji i promieniowania hałasu sprężarek, wentylatorów, pomp co jest kluczowe dla poprawy komfortu użytkowania wielu urządzeń. Wave6 wspiera optymalizację konstrukcji łopatek wentylatorów, mającą na celu redukcję hałasu aeroakustycznego. Ponadto, pozwala na analizę promieniowania hałasu i wibracji z obudowy wentylatora.
W kontekście maszyn elektrycznych, Wave6 umożliwia analizę wzbudzeń od wirujących pól magnetycznych, a także projektowanie obudów maszyn dla minimalnej transmisji hałasu i wibracji. W obszarze elektroniki, narzędzie to pomaga w równoważeniu wymagań termicznych i akustycznych w obudowach sprzętu elektronicznego, jak również w optymalizacji hałasu i wibracji laptopów i serwerów. Wreszcie, Wave6 jest nieocenione w projektowaniu systemów audio, pozwalając na bardzo dokładną analizę kierunkowości projektów głośników i optymalizację geometrii przetworników, co przekłada się na jakość generowanego przez nie dźwięku.
Wave6 oferuje kompleksowe rozwiązania dla przemysłu morskiego i offshore, umożliwiając szczegółową analizę i minimalizację hałasu oraz wibracji. Oprogramowanie pozwala na badanie promieniowania i rozpraszania hałasu podwodnego generowanego przez śruby i pędniki. Jest również wykorzystywane do analizy hałasu indukowanego transmisją przez kadłuby do wnętrza jednostki, a także transmisji hałasu i wibracji urządzeń i agregatów oraz podwodnego promieniowania akustycznego z kadłuba. Ważnym obszarem zastosowania Wave6 jest również analiza transmisji dźwięku przez holowane urządzenia sonarowe, w tym analiza szumu własnego sonaru. Oprogramowanie pomaga w ocenie hałasu i wibracji generowanych przez systemy rurociągów i systemów HVAC. Ponadto, Wave6 wspiera optymalizację układu i konstrukcji elementów tłumiących w przedziałach silnikowych i siłowniach oraz ocenę hałasu i wibracji luksusowych jachtów. W sektorze naftowym i gazowym, narzędzie to jest używane do badania hałasu i wibracji w rurociągach, a także do oceny do zmęczenia materiału. Co więcej, Wave6 znacząco przyczynia się do spełniania rządowych przepisów dotyczących redukcji zanieczyszczenia hałasem, chroniąc zarówno personel, jak i życie morskie.
Wave6 oferuje kompleksowe rozwiązania w sektorze transportu i mobilności, umożliwiając szczegółową analizę oraz minimalizację hałasu z różnych źródeł. Program pozwala na badanie zarówno hałasu wewnątrz pojazdu, jak i zewnętrznych źródeł hałasu. Dzięki temu można precyzyjnie określić poziom ciśnienia akustycznego (SPL) przy uchu kierowcy i pasażerów. Analiza obejmować mogą również takie zjawiska jak hałas wywołany pulsacjami ciśnienia w układach hydraulicznych i systemach HVAC, hałas wiatru pochodzący od lusterek bocznych czy pracy zawieszenia, a nawet sloshing paliwa w zbiorniku. Wave6 jest również wykorzystywany do analizy zewnętrznej dyfrakcji akustycznej generowanej przez hałas silnika, opon oraz rury wydechowej. Pozwala to na optymalizację rozprzestrzeniania się dźwięku na zewnątrz pojazdu. Dodatkowo, narzędzie umożliwia badanie hałasu w tłumikach i systemach HVAC, a także propagacji źródeł aeroakustycznych z wentylatorów. Wave6 wspiera analizę w pełni sprzężonych rezonansów płyn-struktura oraz promieniowania hałasu z wirujących maszyn.
Wave6 jest zaawansowanym narzędziem do symulacji wibroakustycznych, które znajduje zastosowanie w wielu złożonych dziedzinach inżynierii. Jednym ze wspomnianych na wstępie przykładów są zagadnienia akustyki w kontekście pojazdów elektrycznych. Nie zawsze jednak celem jest ograniczenie hałasu. Czasami cel jest dokładnie odwrotny, na przykład w przypadku systemów ostrzegania akustycznego pojazdów (AVAS). Pojazdy elektryczne są z natury ciche przy niskich prędkościach, co stwarza zagrożenie dla pieszych i rowerzystów. Regulacje wymagają emisji sztucznych dźwięków przez AVAS. Wave6 umożliwia cyfrowe modelowanie transmisji dźwięku AVAS z głośnika wewnątrz pojazdu przy użyciu Metody Elementów Skończonych (FEM) i Warstwy Doskonale Dopasowanej (PML). Pozwala to na optymalizację umiejscowienia głośników na wczesnym etapie projektowania, co redukuje potrzebę fizycznych prototypów i oszczędza czas oraz zasoby. Oprogramowanie uwzględnia pole dźwiękowe, transmisję przez komponenty wewnątrz pojazdu, odbicia od nawierzchni drogi oraz transmisję na zewnątrz.
Jedną z kluczowych przewag Wave6 jest zdolność do łączenia różnych metod analizy akustycznej i strukturalnej w pełnym spektrum częstotliwości, łącząc podejścia deterministyczne (takie jak FEM i BEM) ze statystycznymi (takie jak Statistical Energy Analysis – SEA), co pozwala na kompleksowe i efektywne modelowanie skomplikowanych systemów. Ta hybrydowa metodologia jest kluczowa dla konstrukcji inżynierskich o szeroko zróżnicowanych długościach fal, takich jak te występujące w pojazdach, samolotach, statkach, urządzeniach przemysłowych a nawet sprzęcie AGD. Przykładem takiego podejścia może być analiza wibroakustyczna odkurzacza. Wykorzystano w niej hybrydową metodologię FE-SEA-X do określenia hałasu emitowanego przez pracujące urządzenie. Model służący analizie składa się z trzech zależnych podsystemów: odkurzacza, podłogi (podsystemy strukturalny) oraz otaczającego je powietrza (podsystemy akustyczny). Ze względu na niską gęstość modów, struktura odkurzacza jest modelowana deterministycznie za pomocą Metody Elementów Skończonych. Natomiast podsystemy pomieszczenia i podłogi są reprezentowane za pomocą Statystycznej Analizy Energii (SEA). Ponadto interakcja głowicy odkurzacza z podłogą (poprzez obracającą się szczotkę z włosiem z włókna węglowego i nylonu) jest charakteryzowana eksperymentalnie za pomocą sił kontaktowych (blocked forces), które ze względu na słabe sprzężenie między głowicą a podłogą, mogą być traktowane niezależnie. Również interakcja szczotki z obudową głowicy, jest reprezentowana przez zewnętrzne pseudo siły (pseudo-forces). Podsystemy te są w pełni sprzężone akustycznie - podsystem SEA podłogi jest sprzężony z podsystemem SEA pomieszczenia, a model FE odkurzacza jest sprzężony z tym samym podsystemem SEA pomieszczenia. Taki model hybrydowy FE-SEA-X pozwala na identyfikację dominujących źródeł hałasu pochodzących z różnych podsystemów, co umożliwia kompleksową analizę wibroakustyczną.
Wave6 wspiera również symulację materiałów poroelastycznych, używanych do modelowania izolacji akustycznej. Wykorzystuje on metodę elementów skończonych (PEM – Poroelastic Finite Elements) i umożliwia analizę w szerokim spektrum częstotliwości, od niskich po wysokie. Obejmuje szczegółowe modelowanie materiałów na wielu poziomach: od struktury makroskopowej, przez układ warstw, aż po ich zastosowanie na poziomie całego systemu. Wave6 pozwala również na optymalizacja topologii objętościowej pianek wygłuszających w celu określenia optymalnego rozłożenia materiału dla redukcji hałasu.
Inny ciekawym zastosowaniem podejścia hybrydowego, łączącego metody Elementów Skończonych (FE) i Elementów Brzegowych (BEM) z Analizą Energii Statystycznej (SEA) w Wave6 jest analiza auralizacji pomieszczeń. Ta metodologia pozwala na wydajne modelowanie złożonych scenariuszy akustycznych, takich jak strojenie audio i auralizacja kabin pojazdów, pomieszczeń czy innych zamkniętych przestrzeni o określonych wymaganiach dotyczących ich akustyki. Kluczowym elementem tego podejścia jest zastosowanie w ramach ogólnego modelu SEA, reprezentowanego przez zgrubne siatki powierzchniowe, małych stref modelowanych za pomocą FE/BEM, reprezentowanych przez drobne siatki. Dzięki takiemu podejściu, Wave6 jest w stanie symulować pole akustyczne w szerokim zakresie częstotliwości, co pozwala na precyzyjne analizę rozmieszczenia źródeł dźwięku (np. głośników) i punktów odbioru (np. uszu wszystkich pasażerów).
W przemyśle obronny jednym z istotnych wyzwań związanych z hałasem jest rozchodzenie się w wodzie dźwięku generowanego przez okręty bojowe i okręty podwodne. Tutaj również hybrydowego podejścia w Wave6 okazują się bardzo efektywne. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod, które mogą ignorować efekty rozpraszania, Wave6 łączy FEM-PML w analizie hałasu przenoszonego przez konstrukcje (FEA-SEA) z modelem CFD-BEM dla hałasu hydrodynamicznego (np. od śrub napędowych). PML efektywnie absorbuje fale promieniowane i pozwala na uwzględnienie ciśnienia płynu. BEM pozwala na dokładne modelowanie efektów rozpraszania od powierzchni kadłuba i swobodnej powierzchni wody, co jest kluczowe dla realistycznych symulacji rozchodzenia się fali dźwiękowej w wodzie.
Równie ciekawym przykładem zaawansowanego wykorzystania Wave6 jest jego wykorzystanie w badaniach laboratoryjnych np. testowania oddziaływania bezpośredniego pola akustycznego (Direct-field acoustic testing - DFAT). DFAT to technika używana do testowania oddziaływania pola akustycznego na struktury lotniczych i kosmicznych (NASA-HDBK-7010). Polega na poddawaniu oddziaływania tych struktur falom dźwiękowym generowanym przez specjalnie rozmieszczone przetworniki akustyczne. Systemy te wykorzystują zazwyczaj elektro-dynamiczne przetworniki akustyczne, potężne wzmacniacze audio, kontroler MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) wąskopasmowy oraz precyzyjne mikrofony laboratoryjne. Głośniki są rozmieszczone wokół testowanego obiektu, aby zapewnić jednolite i dobrze kontrolowane, bezpośrednie pole dźwiękowe na jego powierzchni. Główną zaletą DFAT nad tradycyjnymi metodami testowania w komorach pogłosowych jest jej przenośność i modułowość. Sprzęt można łatwo przetransportować, szybko ustawić, skalibrować, przeprowadzić test i zdemontować. DFAT jest tańsza - nie wymaga dużych inwestycji w stałe obiekty, sprzęt czy personel, co przyczynia się do jej rosnącej popularności. Wave6 umożliwia rozwiązanie jednej z głównych wad tradycyjnych systemów DFAT, które często wykorzystujących głośniki koncertowe - braku jednorodności pola akustycznego. Wave6 zawiera skalibrowane modele urządzeń akustycznych DFAT oraz funkcje do szybkiego tworzenia i kalibracji ich układów. Pozwala to na dokładne modelowanie systemów DFAT, uwzględniające wewnętrzną geometrię urządzeń akustycznych oraz ich charakterystyki emitowania i rozpraszania dźwięku. Dzięki temu możliwe jest symulowanie i testowanie niekoherentnego wzbudzania, co pozwala uzyskać bardziej jednorodne pole akustyczne, zbliżonego do komory pogłosowej.
Wave6 to wszechstronne narzędzie, które zostało zaprojektowane z myślą o szerokim gronie odbiorców, daleko wykraczającym poza tradycyjne grup użytkowników takich jak inżynierowie NVH czy specjaliści do akustyki. Wave6 oferuje funkcje pozwalające na automatyzację bazującą na szablonach, która sprawiają, że zaawansowane analizy hałasu i wibracji stają się dostępne nawet bez specjalistycznej wiedzy w tej dziedzinie. Możliwe jest dodatkowo łatwe i płynne przenoszenie geometrii, siatek i wyników z modeli MES czy CFD do modeli NVH, co jeszcze bardziej usprawnia proces projektowania. Z kolei analitycy FEA, CFD, MBS i EM mogą rozszerzyć dzięki Wave6 możliwości swoich narzędzi takich jak Abaqus, SIMPACK, CST, Ansys, Nastran czy PowerFLOW o zaawansowane metody analizy hałasu i wibracji w całym słyszalnym zakresie częstotliwości, niezbędne do kompleksowych symulacji w obszarze wibroakustyki. Co więcej, nawet inżynierowie NVH zajmujący się na co dzień testami fizycznych mogą wykorzystać Wave6 do diagnozowania danych testowych oraz do oceny źródeł i ścieżek transmisji hałasu i wibracji, co jest kluczowe w fazie testowania, kiedy czas i zasoby są często istotnie ograniczone. Osoby, które na co dzień zajmujący się analizami wibroakustycznymi z użyciem innych narzędzi, znajdą w Wave6, oprócz wygodnego środowiska pracy, które usprawnia tworzenie modeli, oferując w pełni zintegrowaną funkcjonalność ekstrakcji objętości i nakładania siatek, również zintegrowany zestaw metody i zaawansowanych technik analiz deterministycznych i statystycznych do efektywnego i dokładnego symulowania hałasu i wibracji w całym słyszalnym zakresie częstotliwości oraz gotowe zestawy template'ów i doskonałą dokumentację.
Wave6 to kompleksowe rozwiązanie, które umożliwia firmom przewidywanie i optymalizację wydajności akustycznej i wibracyjnej produktów na wczesnym etapie projektowania, co przekłada się na wyższą jakość produktu, zgodność z przepisami i przewagę konkurencyjną.
[1] N. Schönfeld, S. Gsel, G. Müller, Simulation of AVAS for Prototypes using FE and PML, Aachen Acoustics Colloquium 2024
[2] J.W.R Meggitt, A. Clot, G. Banwell, A.S. Elliott, A.T. Moorhouse, R.S. Langley, Vibro-acoustic analysis of a domestic product based on experimental measurement and hybrid modelling, Applied Acoustics 182 (2021), pp. 108-144
[3] E. Friedlander, D. Schick, T. Hoffmann, P. Shorter, Validation of novel direct field acoustic test workflow by simulation and measurement, Proceedings 17th ECSSMET 28-30 March 2023 - Toulouse - France
[4] Dassault Systemes SIMULIA Corporation. Wave6; Vélizy-Villacoublay, France, 2025
[5] A. Chaturvedi, R.K. Joga, S. Dhavalikar, N. Girish, Advanced simulations of Underwater Radiated Noise (URN) predictions for naval ships, Conference Proceedings of the 15th International Naval Engineering Conference & Exhibition, 2020
[6] B. Zenker, R. Schurmann, S. Merchel, E.M. Altinsoy, Improved Directivity of Flat Panel Loudspeakers by Minimizing the Off-Axis Radiation below Coincidence, Applied Sciences 11, no. 15: 7001, 2021