聲學模組更新

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本為聲學引入了許多新功能,顯著改進了聲學現象的時域模擬功能,並提高了對大型聲學模型的求解能力。除此之外,還新增了許多物理場相關功能和選項,以及新的後處理工具。

 

聲學模組新增功能概述

總體而言,時域模擬方面的改進包括以下幾個方面:

l   壓力聲學的時域模擬中新增了完美匹配層 (PML)

l   新增了時域中的熱熱黏聲學,暫態(Thermoviscous Acoustics, Transient)介面

l   在物理場級別控制暫態求解器設定,提升了模擬的強健性

l   不連續Galerkin (dG) 方法的加速

處理大型模型時可受益於以下新特徵:

l   迭代求解器中即時可用的建議求解器選項

l   使用Serendipity元素的選項

 

新的物理場特徵和選項包括:

l   基於Galerkin最小平方法(GLS)的線性Navier-Stokes分析新增並提升了穩定性技術

l   對線性Navier-Stokes 應用和熱黏聲學應用,改進了壁特徵中滑移邊界條件的公式;在使用迭代求解器時,這個改進非常有效

l   對流波動方程式(Convected Wave Equation)介面中的二維軸對稱公式

l   Biot-Allard 模型,用於在多孔彈性波模擬中包含熱損耗和黏滯損耗

l   新增了內部多孔板條件

l   改進了二維軸對稱幾何中的線聲學公式

l   遠場圖的波束寬度計算

 

壓力聲學,暫態中新增了完美匹配層

完美匹配層常用於預設的可能會產生不希望的虛數值反射的一階非反射邊界條件的情況,使用完美匹配層,您可以用模擬波移動至無限域的外部層來截斷計算域。

 

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本中,壓力聲學,暫態物理場介面現在對基於有限元法的暫態聲學模擬包含了時域完美匹配層功能。這一功能在前幾版本中僅適用於壓力聲學,頻域介面和對流波動方程,時域顯式介面。用戶可以從定義節點添加完美匹配層,可以對直角坐標系、圓柱坐標系及球坐標系中的三維、二維軸對稱、二維和一維幾何模型選擇多項式或有理數縮放選項。

 

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建模域中由完美匹配層包覆的暫態高斯脈衝的動畫。這兩個動畫顯示波已完全吸收,不需要的虛反射波未洩漏回建模域

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Animation of a vibrating piston emitting sound into a 3D space. Shown are the time-dependent developing isosurface contours of the pressure and their absorption in the PML.
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

一個可振動活塞發出的聲音傳播到三維空間的動畫。圖中顯示了壓力的暫態發展等表面輪廓及其在完美匹配層中的吸收

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有關使用暫態壓力聲學模擬中使用完美匹配層的案例,請搜尋以下“案例庫”:

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_perfectly_matched_layers

新增時域中的熱黏聲學,暫態

熱黏性聲學節點已擴展為包含一個用於暫態線性熱黏性聲學模擬的介面,其中包含由高斯脈衝等任意時變訊號表示的源項。熱黏性聲學,暫態介面適用於模擬熱損耗和黏滯損耗非常重要的系統中的暫態波傳播,這類系統通常用於類似移動設備、小型揚聲器、麥克風或穿孔板的孔這樣小尺寸的應用中。

 

此介面可以通過熱黏性聲-結構邊界多物理場介面與固體力學、薄殼及薄膜等結構力學應用和介面相耦合。

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A COMSOL plot of the input and output signals.A COMSOL plot of the input and output signals.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

高斯波包的諧波訊號在中間呈狹窄收縮的狹長管道中傳播的動畫。脈衝從管道的一端傳播到另一端,由於熱損耗和黏滯損耗訊號發生衰減。這兩個動畫顯示通過管道的粒子速度(左圖)和聲學溫度變化(中圖),在中間的收縮段附近,速度和溫度變化最大。圖(右圖)中顯示暫態輸入壓力訊號(藍色曲線)和衰減的輸出壓力訊號(綠色曲線)


更新的多孔彈性波介面中新增Biot-Allard模型

在有關壓力波和彈性波在充滿空氣的多孔介質材料中傳播這樣的應用中,熱損耗與黏滯損耗都非常重要。這類應用的典型案例包括室內聲學的絕緣材料、車廂的襯裡材料、耳機和揚聲器中使用的泡棉,以及消音器中的多孔材料。

 

為了更好地模擬這幾類應用,多孔彈性波介面中添加了Biot-Allard模型選項。此模型是對之前版本中就可使用的Biot模型選項的一個補充,Biot模型選項僅考慮黏滯損耗,適用於飽和流體為液體的岩石和土壤中聲學多孔彈性波的傳播。

 

壓力聲學,頻域介面再結合適當的流體模型,例如多孔介質聲學模型等,已是模擬多種聲學應用的優選方法。然而,這些模型沒有完全捕捉到真實世界中的所有效應,比如對於需要將多孔基體與振動結構相耦合的情況,有時還需要包含彈性波的效應。在新版本中,就可以使用多孔彈性波介面中新增的 Biot-Allard 模型選項來模擬這樣的情況。模型中的材料輸入可以參考音頻和噪音控制設備中使用和檢測到的參數。

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有關在多孔彈性波模擬中使用Biot-Allard模型選項的案例,請查看以下案例下載”連結:

Multilayered Porous Material: Poroelastic Waves with Thermal and Viscous Losses (Biot-Allard Model)

 

更新聲-結構交互作用多物理場耦合

在多孔彈性波介面中添加Biot-Allard模型選項後,耦合多孔彈性域、結構和聲學的多物理場介面得到了更新和改進。這幾個多物理場介面均支援壓力聲學與多孔彈性波的耦合,以及多孔彈性波與結構的耦合(有時是所有這三者的耦合)。用戶可以添加一個新的介面,使用功能區的添加物理場按鈕來打開添加物理場視窗,然後可以從聲學的聲-結構相互作用分支中選擇以下更新的多孔彈性波介面:

 

l   多孔彈性波,這是單物理場介面

l   -多孔彈性波交互作用,這是一個添加了以下物理場和耦合的多物理場介面:

n   壓力聲學,頻域

n   多孔彈性波

n   多物理場

u  -多孔介質邊界

l   聲波-固體波-多孔彈性波交互作用,這是一個添加了以下物理場和耦合的多物理場介面:

n   壓力聲學,頻域

n   固體力學

n   多孔彈性波

n   多物理場

u  -結構邊界

u  多孔介質-結構邊界

u  -多孔介質邊界

l   固體力學(彈性波),將固體力學介面添加到該分支的介面,這是從聲學位置添加此介面的有效便捷的快捷方式

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對流波動方程,時域顯式介面的二維軸對稱公式

在新版本中,對流波動方程,時域顯式介面可進行二維軸對稱模擬,可模擬聲波的長距離傳播,介面中包含面出平面選項,可用於考慮背景流的面外分量及其與聲訊號的交互。此介面還可用於模擬軸對稱的超音波換能器或高頻揚聲器等元件。

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Acoustic velocity fluctuations in a 2D axisymmetric model of a vibrating piston creating a 5000-Hz wave and located just in front of a diffracting obstacle.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

振動活塞的二維軸對稱模型中的聲速波動,在繞射障礙物的正前方形成了一個頻率為 5000 Hz 的波

預定義的迭代求解器建議設置

新版本中,除了在選中物理場介面時預設設置、用於首次求解模型的直接求解器外,聲學模組還提供了一些迭代求解器的建議設置。對於某些物理場介面,軟體提供兩種求解器建議設置,通常其中一個速度較快,而另一個則更穩定,但速度較慢。當直接求解器的運行達到記憶體限制而解仍無法收斂時,可以啟用建議的求解器。這一新功能簡化了求解大型模型時的工作流程,且當直接求解器很明顯不是可使用的最優求解器時,用戶可以直接使用此功能,而無須手動設置和調整迭代求解器。

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從物理場節點控制暫態求解器

聲學模組中的所有暫態介面現在在各個物理場介面節點中都具有暫態求解器設置欄,基於其中提供的輸入可對,預設求解器的自動控制進行設置,由此提高了暫態求解器的配置,使模擬更穩健。

預設設置(及建議的設置)是使用時間步階下拉選單中的手動選項,然後在對應的編輯框中輸入要求解的最大頻率。在大多數聲學問題中,所有聲源的頻率部分均已知,或可以通過繪製聲源訊號的傅立葉轉換計算得到。在線性聲學應用中,大多數解的頻率部分將與聲源相同,因此只要在新的編輯框中輸入要求解的頻率即可。對於非線性問題,可以根據生成的要求解的諧波數來作決策。這時,要求解的最大頻率編輯框應設為諧波數乘以聲源訊號頻率。

不連續Galerkin方法的加速

新版本中實現了多項改進,使不連續Galerkin (dG) 法得到加速並減少了此方法的記憶體佔用。速度提升的主要原因是在計算內部時間步階使用了新的網格度量標準,即dG中的時域顯式法。另外,使用了新的網格品質優化過程,也是速度得到提升的另一個原因。這個過程在三維中生成四面體網格時利用了新的避免過小的元素網格選項。


模型運行時採用了多核系統,這是減少記憶體佔用的主要原因。這裡,dG方法中使用了稀疏組合,必需的記憶體與可用的CPU內核數幾乎無關。此外,初始化期間所需的記憶體已大大減少。

例如,請參閱Ultrasound Flow Meter with Generic Time-of-Flight Configuration tutorial model教學模型。在採用4Intel® Core™ i7 處理器(頻率為3.60 GHz)且記憶體為32 GB的桌上型電腦上進行測試運行時,在COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本中求解聲學問題需要7小時零5分鐘,需要6.0 GB記憶體。在 5.3 版本中,求解同一個研究現在需要 5小時零1分鐘,需要5.8 GB記憶體。這表明速度提升了約30%,記憶體的佔用稍微減少了一些。與本例中的採用 4核處理器僅減少0.2 GB記憶體相比,當處理器中的內核更多時,如在 16核的處理器中運行時記憶體可以減少近 1 GB。作為參考,此模型包含750 萬個自由度 (DOF)

有關使用不連續Galerkin方法的加速的案例,請搜尋以下“案例庫”:

Acoustics_Module/Ultrasound/ultrasound_flow_meter_generic

 

提高線性Navier-Stokes物理場介面的穩定性

線性Navier-Stokes 介面中新增和改進了穩定性方法。新增的預設穩定性方案是 Galerkin 最小平方法 (GLS) 穩定性,此方案極大地提高了含粗化網格解的穩定性和收斂性。如果您需要的話,還可以關閉穩定性,選擇Petrov-Galerkin (SUPG) 穩定性方案,或選擇流線擴散(舊方法)方案。這個新增的預設設置非常適合模擬使用線性 Navier-Stokes 介面的大部分流體-聲相互作用問題。在線性 Navier-Stokes介面中實現這一新的穩定性方案後,現在可以更改壓力、速度和溫度參數的預設離散化,並將自由度改成線性元素。在許多情況中,這樣做可以減小模型大小。


 

有關使用提高線性Navier-Stokes物理場介面穩定性的案例,請搜尋以下“案例庫”:

Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

 

重構了滑移條件

熱黏性聲學介面和線性Navier-Stokes介面中的滑移邊界條件已重構為使用不連續 Galerkin (dG) 公式,也稱為懲罰類似公式。dG 公式是新增的預設公式,替換了COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本中使用的基於拉格朗日乘數的公式(如需要,您仍可以選擇使用此公式)。這兩個公式都用於防止彎曲表面上引起結果錯誤的所謂鎖定現象,新公式特別適用於使用迭代求解器進行的求解,而舊公式不適用於這類求解。

 

在邊界層非常重要的情況中,預設的壁上無滑移條件是黏滯邊界層存在的前提,等溫條件​​是熱邊界層存在的前提。在這些聲學邊界層內存在大多數熱黏性耗散,在許多應用中都需要考慮這些耗散。

 

滑移條件在無黏滯邊界層的創建位置上強加了無滲透條件。在邊界層中黏滯損耗不重要的位置使用此滑移條件,可以避免對邊界層進行網格剖分,因而產生的網格單元和自由度會更少。在線性 Navier-Stokes 模型中滑移條件特別有用,這時相關特性描述為主流動與平均背景流動的耦合,而並不是描述為邊界層中的細節。

 

聲學中的Serendipity元素

聲學模組中的各個物理場介面現在支持在離散欄中選擇兩類形狀函數:拉格朗日和Serendipity。當前的,預設設置是在所有介面中使用拉格朗日元素,不過固體力學介面中的預設設置是使用Serendipity元素。選擇拉格朗日元素還是Serendipity元素會影響要求解的自由度數量,以及包含變形網格的模型的穩定性。

 

在使用結構化網格時,切換為Serendipity形狀函數往往更有利,因為這樣產生的自由度要少得多。而且在大多數情況中,得到的精度與使用拉格朗日形函數進行建模的精度幾乎一樣高。不過,拉格朗日元素對網格的過度變形不敏感,因此在這類情況中首選拉格朗日單元。使用Serendipity元素元僅對以下單元形狀有利,因為不考慮形狀函數的選擇,採用其他元素形狀得到的自由度數都相同:

 

l   在二維中:離散階次大於一的四邊形元素

l   在三維中:離散階次大於一的六面體元素、棱柱體元素和金字塔元素

An acoustics model with a mesh that could benefit from serendipity elements.

結構化的掃描網格示例,從預設的拉格朗日元素切換為Serendipity元素有許多優點。這會帶來許多不同,因為掃描網格由棱柱體元素構成。在熱黏性聲學模擬中,使用拉格朗日元素會產生59,955個自由度。將速度和溫度的離散化切換為使用二次Serendipity元素,自由度的數量減少到39,955個(在熱黏性聲學中,壓力仍採用線性離散,不會受到此切換的影響

遠場圖和方向性圖的預覽估算平面功能

現在您可以在遠場圖和方向性圖中使用預覽估算平面特徵,在進行遠場計算的位置繪製圓(已縮放),並繪製計算平面法線和參考方向向量(在極坐標圖中表示0度的方向)。當輸入或修改計算設置後在正確位置處執行計算時,此特徵對於可視化處理及驗證都起到了極大的幫助作用。

An example showing the Preview Evaluation Plane feature in a far-field plot.遠場圖的預覽計算平面和平面的法向和參考方向及其相應的設置。來自敞開式音箱中的揚聲器驅動單體模型

有關使用預覽計算平面的案例,請搜尋以下“案例庫”:

Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/vented_loudspeaker_enclosure

 

一維遠場圖的波束寬度計算

現在可以自動計算空間輻射圖的波束寬度和零點到零點波束寬度,當使用一維遠場圖在極坐標圖組中繪製空間響應時,可以使用計算波束寬度功能。

 

在壓電換能器模型的擴展版本中計算波束寬度和零點到零點波束寬度

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有關使用繪圖選擇區屬性的案例,請搜尋以下“案例庫”:

Acoustics_Module/Piezoelectric_Devices/tonpilz_transducer

 

固體力學和耦合聲-結構物理場中的模態分析

固體力學介面的二維模型中新增了一個模態分析研究類型,用於研究波在出平面方向(out-of-plane)行進的振型和波數。相關的應用包括一般的聲-結構交互作用以及截面的非破壞性檢測估算。固體力學介面的二維軸對稱模型新增了一個周向模態擴展(Circumferential Mode Extension)選項,在特徵頻率研究中可用於進行周向振型和模態數的計算。

A screenshot of the COMSOL software GUI showing a model with coupled acoustic-structure physics.

固體力含薄彈性壁的消音器腔中的傳播模態,顯示了聲壓和結構變形

 

有關使用新的模態分析的案例,請搜尋以下“案例庫”:

Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

更新的內部多孔板邊界條件

壓力聲學,頻域介面中可用的內部多孔板邊界條件已更新且進行了改進,現在包含完整的黏滯損耗和熱損耗模型、使用Fok 函數的孔-孔相互作用、添加非線性損耗效應的選項以及薄板和厚板均適用的公式。此邊界條件通常用於模擬消聲器或隔音組裝中的多孔板。

A muffler model using the updated Interior Perforated Plate boundary condition in COMSOL Multiphysics version 5.3.

多孔板消聲器中的聲壓分佈。灰色邊界使用 內部多孔板條件,對模型中計算的傳輸損耗與測量值進行了比較


有關使用內部多孔板邊界條件的案例,請搜尋以下“案例庫”:

Acoustics_Module/Automotive/perforated_muffler

 

壓力聲學的熱源

壓力聲學介面中新增了一個熱源條件,您可以使用此特徵表示將生成聲波的振盪熱源或脈衝熱源,它們通常表示燃燒應用中在燃燒室中生成聲波的的火焰,或光聲應用中的脈衝雷射光束等等。

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二維軸對稱幾何中改進的線聲學

在計算二維軸對稱模型中的聲線強度時,與傳播聲線相關的波前現在視為球面波或橢球面波,而不是圓柱面波,因為圓柱面波僅對實際二維模型作了適當的簡化。換句話說,使用柱面波時計算所有聲線有關方位方向的主曲率半徑。這一改進使二維軸對稱模型中聲線強度的計算更具有實際意義,在水下聲模擬中具有典型應用。

 

此外,這一改進中還包含了從邊、點或在沿對稱軸的指定坐標處釋放聲線的專門特徵。在使用這其中任一個專門的釋放時,內置的選項可用於釋放各向異性半球中的聲線,由此每條聲線都幾乎包含三維中相同的立體角。

A surface plot of a ray acoustics model in COMSOL Multiphysics version 5.3.

含變折射率介質(聲速與深度相關)和域衰減的二維軸對稱幾何中的水下聲線追踪模型。軸對稱模型常用作全三維水下聲應用的近似模型

有關在二維軸對稱中使用線聲學的案例,請搜尋以下“案例庫”:

Underwater Ray Tracing Tutorial in a 2D Axisymmetric Geometry

 

聲學聲線追踪中新增的反射係數模型

壁特徵現在內建了幾個用於計算鏡面反射中反射係數的模型,包括流體-流體界面模型、流體-固體界面模型以及分層流體半空間(Layered fluid half space)模型。這幾個新模型是設置水下聲線追踪應用中邊界條件的理想選擇,它們是透過指定阻抗模型對常用於室內聲學中模擬吸收面板的吸收器的補充,其中還包含了由邊界條件所模擬的傳播流體中的衰減以及域中的衰減,用於計算反射中的正確相移。所有邊界條件都可擴展為包含使用瑞利粗糙度模型的表面粗糙度選項。

 

聲線終止特徵

新增的聲線終止(Ray Termination)特徵可用於湮沒聲線,而不是聲線在邊界處的停止。如果聲線的強度或功率小於指定的閾值,或者聲線在遠離模型幾何處已呈雜散狀,則可以終止聲線。對於因吸收介質的作用而衰減的聲線,由於與彎曲表面或吸收表面相互作用而強度變得極低的聲線,或已與幾何脫離的雜散聲線,使用此特徵可避免對這類聲線過度使用計算資源。

 

功能增強和重要的錯誤修復

l   在新的子菜單中已對幾個壓力聲學邊界條件進行了排序,以獲得更佳的總體概覽

l   方向性 圖和遠場 圖的遠場 SPL 計算得到了提速

l   背景聲場 特徵現在還可用於瞬態的線性歐拉 介面和線性 Navier-Stokes 介面中

l   內部法向位移 和內部法向速度 邊界條件已添加到壓力聲學 介面中,使內部邊界條件列表變得完整

l   二維軸對稱模型中已包含了熱粘性聲學 介面、線性 Navier-Stokes 介面以及線性歐拉 介面中對稱軸處更新的條件

l   熱粘性聲學 介面中更新了公式,現在可有效用於具有空間相關的材料屬性的介質

l   氣動聲學-結構邊界 多物理場耦合現在將線性 Navier-Stokes 介面與結構(固體、殼和膜)在時域進行耦合

 

新教學案例:涉及流動的亥姆霍茲共振器,流動與聲學相互作用

亥姆霍茲共振器因其可以使特定的窄頻帶衰減而用於排氣系統,其中流體的流動會改變共振器的聲學屬性和子系統的傳輸損耗。在此教學模型中,亥姆霍茲共振器位於主管道的側分支,研究主管道中引入流動時的傳輸損耗。

 

平均流動計算時採用馬赫數為 Ma = 0.05 Ma = 0.1 SST 紊流模型,並使用線性Navier-Stokes,頻域 (LNS) 介面求解聲學問題,該模型耦合了平均流速、壓力和紊流粘度。所得結果與期刊論文中的測量結果進行了比較,大小及共振位置表明結果與測量數據完全一致(參見一維圖)。需嚴格模擬衰減效應與流動效應之間的平衡,從而得到正確的共振位置。

 

備註:此模型需要聲學模組和CFD 模組。

A Helmholtz resonator model featuring the interaction of flow and acoustics.

位於主管道側分支的亥姆霍茲共振器中的聲壓級分佈(前)、表面流線(中)和背景流速幅值(後)


案例庫路徑:

Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

 

新教學案例:帶壓電換能器的超聲波流量計,FEM DG的耦合

當超聲波信號以某一傾斜角射入流經管道的流體中時,使用超聲波流量計可確定此流體的速度。在沒有流動的情況下,向上游方向和向下游方向發送信號,發射器到接收器之間的傳送時間相同。存在流體流動時,下游行波移動的速度比上游行波快,因此可用於確定流體的流動。在許多情況下,壓電換能器用於發送和接收超聲波。

 

本教學模型演示如何在簡化的無流動情況下使用壓電換能器模擬超聲波流量計。有限元素法 (FEM) 用於對壓電換能器建模,而超聲波傳播的建模則基於不連續Galerkin (DG) 方法。整個模型分為兩個子模型。 FEMDG的單向耦合用於從發射器發送超聲波,DGFEM的單向耦合用於模擬接收器。

An Acoustics Module tutorial model of a flow meter made by coupling FEM and dG.

使用含匹配層的壓電換能器在流量計中生成的聲信號

 

案例庫路徑:

Acoustics_Module/Ultrasound/flow_meter_piezoelectric_transducers

新教學案例:完美匹配層上的高斯脈衝吸收:壓力聲學,暫態

本教學案例是一個完美匹配層 (PML) 作為時域中的吸收邊界條件的標準測試和基準模型,還涉及無流動情況下瞬態高斯脈衝的傳播。壓力聲學,瞬態 介面與完美匹配層的結合使用,縮小了計算域,並抑制了人工邊界的反射。聲脈衝由計算域中心的初始高斯分佈生成。此問題的解析解用於驗證該解,且表明兩個解非常一致。

Wistia video thumbnail - Animation_gaussian_pulse_perfectly_matched_layers_square_53
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Propagation of the Gaussian pressure pulse and absorption in the PMLs.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

案例庫路徑:

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_perfectly_matched_layers

新教學案例:複合齒輪箱的噪音輻射

預測動力系統中的噪音輻射可以使設計人員在設計過程的早期就洞察到移動機構的特性。例如,考慮一個齒輪嚙合剛度發生變化引起振動的變速箱。振動通過軸和接點傳遞到變速箱的外殼上,外殼的振動進一步將能量傳遞到周圍的流體中,產生聲波輻射。

 

此教學模型模擬了複合齒輪箱外殼上的噪聲輻射。首先,在時域執行多體動力學分析,計算驅動軸達到指定速度時外殼的振動。然後,在選定的頻率執行聲學分析,使用外殼的法向加速度作為噪音源計算近場、遠場和外部場中的聲壓級。

 

備註:此模型還需要多體動力學模組和結構力學模組。

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Normal acceleration on the surrounding box of the moving gear train. In the model, the radiated acoustic pressure is also calculated.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

移動輪系周圍箱體上的法向加速度。此模型還計算了輻射聲壓

“案例庫”路徑:

Acoustics_Module/Vibrations_and_FSI/gear_train_noise

新教學案例:具彈性壁的消聲器特徵模態

此教學模型是“消聲器特徵模態”(Eigenmodes in a Muffler model)模型的擴展,對具薄彈性壁的消聲器腔室中的傳播模式進行二維分析。此聲-結構多物理場教程使用新增的模態分析特徵研究波在面外方向的行進。

結果包括消聲器中的絕對壓力和聲壓級、彈性壁的位移和應力以及一維色散關係圖。

A screenshot from the Eigenmodes in a Muffler with Elastic Walls tutorial model.

具彈性壁的消聲器中顯示的絕對壓力(波形圖)和變形(彩虹圖)

“案例庫”路徑:

Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

新教學案例:磁路拓撲最佳化

此教學模型介紹揚聲器驅動單元中磁路的拓撲最佳化示例。使用拓撲最佳化後,您可以確定非線性鐵軛的形狀,確保其性能最優的同時盡量減小重量,縮小了最初的設計範圍。

備註:此模型需要AC/DC 模組和最佳化模組

繪製的最佳化磁路幾何中的磁通密度,使用二維軸對稱模型求解,旋轉 225度後形成三維空間

“案例庫”路徑:
AC/DC_Module/Other_Industrial_Applications/magnetic_circuit_topology_optimization

新教學案例:非線性狹縫諧振器,耦合聲學和CFD

在許多應用中,聲波都要與含小穿孔或狹縫的表面發生交互作用,在消音器系統、隔音結構、噴氣發動機中抑制噪音的內襯或格柵和網格中會存在這種情況。在聲壓級為中到高時,穿孔板或狹縫的狹窄區域中局部粒子速度會非常快,導致不適用聲學的線性假設。一般而言,渦旋脫落發生在該區域附近,由此產生非線性損耗,在音頻應用中,此損耗會引起聲音信號的非線性失真。非線性效應有時通過半經驗參數包含在穿孔板的解析轉移阻抗模型中。

 

在此教程中,狹窄的縫隙位於諧振器前方,因此可以直接模擬損耗。此模型中耦合了壓力聲學和瞬態模擬中的層流介面,模擬了有關渦旋脫落的複雜非線性損耗。入射聲場的幅值對應 155 dB SPL

A tutorial model for coupling acoustics and CFD in COMSOL Multiphysics version 5.3.狹縫中由入射高幅值聲波引起的渦旋脫落

“案例庫”路徑:
Nonlinear Slit Resonator: Coupling Acoustics and CFD

新教學案例:多層多孔介質材料,含熱損耗和黏滯損耗的多孔彈性波(Biot-Allard 模型)

在許多應用中,壓力波和彈性波在充滿空氣的多孔介質材料中傳播,這時熱損耗和黏滯損耗非常重要。這類應用通常包括房間的絕緣材料、車廂的襯裡材料或耳機和揚聲器中使用的泡沫。另一個示例是汽車工業使用的消聲器中的多孔介質材料。

 

在許多情況中,這些材料都可以使用壓力聲學介面中實現的多孔介質聲學模型(類似流體模型,僅求解壓力)來模擬。在聲學模組的簡化模型中,多孔彈性波介面基於地球科學中使用的經典 Biot 理論,其中假設飽和流體是液體(水),模型僅包含黏滯損耗。材料輸入也與通常提供的聲學絕緣材料有所不同。

 

不過,多孔介質聲學模型沒有捕捉所有效應,而有時還必須包含多孔矩陣中的彈性波。Biot-Allard 理論就涵蓋了這方面,可模擬多孔彈性波。此模型基於該理論,用戶現在可以在多孔彈性波 介面中選擇此模型。

A COMSOL tutorial model showing a multilayered porous material.

多層多孔結構內的多孔矩陣變形

“案例庫”路徑:


Multilayered Porous Material: Poroelastic Waves with Thermal and Viscous Losses (Biot-Allard Model)

新教學案例:含三維彎頭和接頭的管道系統聲學

這一新教程顯示如何通過管道聲學與壓力聲學的耦合來模擬聲波在大型管道系統中的傳播。此教程設置在時域和頻域。一維管道聲學用於模擬長直管段中的傳播。管道接頭和管道彎頭的三維模型與一維管道模型相耦合,可以非常詳盡地模擬這些零件。這類模型可用於在檢測洩漏或變形等情形時模擬和預測管道系統中的響應,在石油天然氣行業或供水管道系統中這類模型非常重要。

 

“案例庫”路徑:

Acoustics of a Pipe System with 3D Bend and Junction

新教學案例:二維房間中聲學模態的拓撲最佳化

此教學模型在聲學中引入了拓撲最佳化的使用。最佳化的目標是確定給定設計域中的材料分佈(固體或氣體),實現二維房間目標區域中平均聲壓級的最小化。最佳化是在單頻中進行的。

A screenshot from the Topology Optimization of Acoustic Modes in a 2D Room tutorial model.

化的材料分佈(灰色)及最佳化後的聲壓級分佈(彩色)

 

“案例庫”路徑:
Topology Optimization of Acoustic Modes in a 2D Room

新教學案例:吸聲塗層

吸聲塗層用於降低聲吶檢測的可見性,適用於潛水艇等情形。此教學模型計算了鋼板上吸聲塗層的反射、吸收和傳遞屬性。相關設置,請參考Physical Review B 2015 91 卷第2 期上由V. LeroyA. StrybulevychM. LanoyF. LemoultA. Tourin JH Page 編寫的"Superabsorption of acoustic waves with bubble metascreens"

“案例庫”路徑:

Anechoic Coating

新教學案例:使用聲學擴散方程的耦合房間聲學

這一驗證模型使用聲學模組的聲學擴散方程介面分析了兩個耦合房間的聲學。此模型的結果與根據參考文獻中測量值驗證的解析結果一致。

“案例庫”路徑:
Acoustics of Coupled Rooms using the Acoustic Diffusion Equation