指向性 — CAE用语解说

在音响模拟和天线分析中都很重要。在音响领域，扬声器或噪声源"在哪个方向以多大强度辐射声音"的指向性模式是设计指标。在天线中，"电波在哪个方向强烈辐射"的辐射模式是天线性能的核心。在CAE中——音响FEM/BEM（COMSOL、Actran）计算音压的远场分布，或用CST/HFSS计算天线的三维辐射模式。"指向性是否满足设计要求"的评估是最终目的。

对于天线，指向性D(θ, φ) = 4π·U(θ, φ) / P_total定义——U是特定方向的辐射强度[W/sr]，P_total是总辐射功率。与全向均匀辐射的等向性天线（D=1）相比，向某个方向集中辐射时D>1。通常用dBi表示（0dBi=等向性）。音响领域也可以类似定义指向性系数D。CAE结果通常以三维"气球图（辐射图案）"的形式可视化。

用BEM（边界元法）或FEM进行声学分析。先用结构FEM计算扬声器振动板的位移，将该位移作为声学BEM的速度边界条件输入，计算周围音场（流固耦合）。远场指向性可从Helmholtz方程的解通过Kirchhoff-Helmholtz积分计算。改变频率进行计算会显示"低频指向性弱（向全方向散射），高频指向性尖锐"的实测一致结果。Ansys的ACT Acoustic和Actran的FAR FIELD功能支持这种计算。

非常重要。车室内音响（NVH）需要设计"均匀音场"，使前排和后排乘员的音量和音质保持一致。简单的扬声器布置会导致声音偏向前座，或门内扬声器的指向性方向与座位不匹配。用FEM进行车室内音场模拟，优化扬声器位置、角度和指向性模式。最近的高端音响系统（Meridian、Harman等）在个性化优化中已采用FEM音响分析。