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用於聲學和振動分析的軟體

將聲學和振動分析提升至一個新的層次

聲學模組特別針對將使用聲學設備進行聲波的生產、測量和使用的人員而設計。應用領域包括揚聲器、麥克風、助聽器和聲納設備,僅舉幾例。噪聲控制可以在消聲器設計、聲音屏障、建築物和室內等領域得到應用。

深入理解新增及現有的產品和設計

簡潔的用戶界面包含專業模擬工具,用於模擬聲壓波在空氣、水和其他流體中的傳播。專業化的熱聲學模擬工具使用戶可以高度精確地模擬微型揚聲器和麥克風類的手持設備。此外,您還可以對固體、壓電材料和多孔彈性結構中的振動和彈性波進行模擬。用於聲-固、聲-殼和聲-壓電的多物理介面可以將聲學模擬的預測能力提升至一個新的層次。用戶可以選擇幾個線性方程中的任一個來模擬聲學現象,室內和室外聲學問題可以通過射線追踪或聲擴散方法進行模擬。

通過一維、二維、二維軸對稱或三維下的真實模擬,您可以更快地優化現有產品及設計新產品。模擬還可以幫助設計人員、研究人員和工程師深入了解那些難以通過實驗處理的問題。能在生產之前測試設計,將為企業節省大量的時間和成本。

 

 

  • 消声器系统中的声压级分布。
  • 音乐厅仿真中使用射线声学来确定舞台周围及座位区域的声压。
  • Tonpilz(蘑菇形)压电式换能器用于低频高功率的声音发射。该换能器由堆?在宽大末端间的压电陶瓷环组成,并通过中心螺栓施加预应力。尾质量块和头质量块会降低设备的谐振频率。
  • 概念性微粒过滤系统中的多孔弹性波和声场。柴油微粒过滤器 (DPF) 旨在去除/滤除柴油车辆引擎所排放废气中的?尘(柴油微粒)。虽然微粒过滤器的主要功能是废气过滤,但它也具有与消声器系统相关的声音阻尼特性。
  • 这是 Brüel 和 Kjær 4134 电容麦克风的模型。其几何和材料参数均来源于实际麦克风。仿真得到的灵敏度量级与实际麦克风上测量的数据非常吻合。此外,还得到了薄膜变形、压力、速度和电场等信息。此模型由丹麦 Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement 公司(位于奈鲁姆) 提供。
  • 结果显示了汽车内部的声压等值面。LiveLink™ for Inventor® 使用户可以直接从 Inventor® 用户界面调用 COMSOL 功能,包括声学模块的功能。

用於模擬一系列不同的聲學現象

聲學模組中所包含的一組物理場介面,即相關模擬與模擬工具的用戶介面,使您可以模擬流體和固體中的聲音傳播。聲學模組具體分為聲壓、聲-結構耦合、氣動聲學、熱聲學和幾何聲學。

使用聲壓物理場介面進行聲學模擬,可以輕鬆地模擬經典聲學問題,例如聲音的散射、繞射、發射、輻射和傳播。與這些問題有關的應用包括消聲器設計、揚聲器構型、吸音體和擴散體的隔音、定向聲波模式評估(例如方向性)、噪聲輻射問題等等。聲-結構耦合物理介面可以模擬的問題包括:結構彈性波和流體聲學間的相互作用。例如,聲-結構耦合可用於消聲器細節設計、超聲波壓電執行器、聲納技術,以及機械噪聲和振動分析。使用COMSOL Multiphysics ®,您可以分析和設計電聲換能器,包括揚聲器、傳感器、麥克風和接收器。

氣動聲學物理介面用於模擬外部流與聲場之間的單向耦合,即流體噪聲。應用範圍包括從噴氣發動機噪聲分析到風傳測器模擬。幾何聲學物理場介面包含射線追踪和聲學擴散方程介面。兩個介面均可用於模擬室內和建築物中的聲場。例如,射線追踪還可用於海洋聲學和大氣聲學。從上述介面中選擇一個合適的物理場介面,您將可以精確模擬熱聲學應用,這類應用中涉及較小的幾何尺寸,並需考慮其中的熱屬性,例如手機、助聽器、MEMS 應用,以及換能器設計。

多物理場耦合

聲學模組完全集成於COMSOL Multiphysics ®環境中,可與其他模組相耦合以用於一系列廣泛的多物理場模擬。例如,當您耦合聲學模組結構力學模組時,將可使用聲-殼耦合和熱聲-殼耦合等多物理場介面。同樣,當耦合聲學模組管道流模組時,就可以使用管道聲學物理場介面。

COMSOL Multiphysics ®中,多物理場耦合和預定義的多物理場介面以多物理場介面的方式構建。例如,描述流體域中聲壓的物理場與描述環繞實體中結構力學的物理場相耦合時,就可以通過分別在COMSOL Multiphysics ®中增加聲學介面和固體力學介面,然後在多物理場節點下的邊界處利用相關耦合關係對二者進行耦合。該功能使我們能夠對兩個耦合的物理場進行解耦和或單向耦合,以及完全控制聲學和固體力學介面的所有功能。

在可用的多個多物理場耦合中,包括聲-結構邊界、氣動聲學-結構邊界、熱聲-結構邊界多物理場介面。這些介面都將流體域耦合至一個含固體、外部或內部殼,或膜的結構中。此外,還可以使用聲-熱聲邊界、聲-多孔介質邊界,以及多孔介質-結構邊界多物理場介面,其中壓電效應多物理場介面耦合了固體力學介面和靜電介面,以模擬壓電材料。預設情況下,所有多物理場模型都是完全耦合的,可通過管理多物理場節點來實現單向耦合和取消耦合。

一致的工作流程

聲學模組的建模流程與COMSOL ®產品庫中的其它任何附加模組完全相同。所有模擬步驟均可通過COMSOL Desktop ®存取,包括定義幾何、選擇材料、選擇適合的物理介面、定義邊界和初始條件、自動創建有限元網格、求解和結果可視化等。通過一系列預設的多物理場耦合,例如在聲-殼耦合中使用結構力學模組,或用戶自定義耦合,您可以按照任何您能想到的方式將聲學模組與任何其他COMSOL Multiphysics ® 附件產品相耦合。聲學模組還可耦合優化模組,用於優化幾何尺寸、聲波傳輸等。

連接聲學模組CADMATLAB ®Excel ®

對於重複性的模擬作業,LiveLink™ for MATLAB ®使您可以使用MATLAB ®底稿或函數來運行COMSOL ®模擬。COMSOL Desktop ®中的所有可用操作均可改為通過MATLAB ®命令行來存取。您還可以在MATLAB ®環境中將COMSOL ®命令與現有MATLAB ®代碼混合使用。如要從電子表格中運行聲學模擬,LiveLink™ for Excel ®提供了另一種通過同步電子表格數據和COMSOL ®環境中定義的參數來在COMSOL Desktop ®中運行模擬的方法。CAD導入模組和高級CAD LiveLink™產品使CAD模型的聲學模擬變得更加簡單。LiveLink™模組使我們能夠在將參數化CAD模型完整保留在其原生環境的同時,仍能夠在COMSOL Multiphysics ®內控制幾何尺寸。將聲學模型鏈接到CAD產品,支持您同時對多個模型參數進行參數化掃描。

靈活而穩健的聲學模擬

配合最先進的求解器,聲學模組可使用有限元方法求解高階離散單元的聲場方程。模組包括用於頻域和時域模擬的不同公式。您的結果將在圖形窗口中通過預設繪圖顯示,其中包括聲場與位移場、聲壓級、應力與應變,或自定義物理量的表達式,以及導出的表格量。

包含聲學損耗的模擬

聲學模組附帶了應用範圍廣泛的案例庫,包括隔聲襯墊、揚聲器、麥克風和消聲器。其中的許多案例都展示瞭如何模擬聲音損耗。聲學模組的損耗模型包括基於經驗的纖維材料等效流體模型(在多孔彈性波介面中求解Biot 方程),以及理論成熟的熱粘性損耗模型(熱聲學介面)。

簡單易用的聲場分析物理場介面

聲壓

聲壓介面通過標量聲壓場描述和求解聲場,後者代表了聲場(或過壓)相對靜態環境壓強的變化。物理介面支持頻域(亥姆霍茲方程)和瞬態形式(經典波動方程)的求解。聲學邊界模式這一特別的物理場介面用於研究波導和管道中的傳播模式,其基礎理論前提是:只有有限的一組波形或模態可以傳播較長的距離。

物理場介面預定義了一系列邊界條件,包括硬聲場邊界和阻抗條件、輻射、對稱,以及用於模擬開放邊界的周期性條件和用於設置源項的條件。這些介面還包括了一些等效流體模型,用於模擬聲音在更複雜介質中的傳播行為。幾個多孔聲學流體模型描述了聲音在多孔或纖維材料中的損耗。狹窄區域聲學模型中增加了與狹窄區域中硬邊界相關的熱粘性損耗。衰減可以通過用戶定義關係增加,或可用於計算粘性或熱傳導流體。此外,還可以使用完美匹配層(PML)吸收傳出的聲波來截斷計算域,從而模擬無限遠域。計算開始後,您還能夠使用遠場特徵來確定計算域之外任意距離處的壓強和相位信息。專業的結果和分析功能可用於二維或三維遠場極坐標的可視化。

-結構耦合

預定義的聲學模組多物理場介面,將自動設置相關的物理場和多物理場耦合,進而實現流體和結構域的耦合。聲-結構邊界介面將在流-固邊界的一側計算作用於固體域的流體壓力,在另一側計算作用於流體域的結構加速度。這些多物理場耦合與聲-固、聲-殼和聲-壓電耦合等的應用相關,並可用於三維、二維和二維軸對稱 幾何模型的頻域與時域計算。當耦合聲學模組結構力學模組時,將能夠使用涉及結構薄殼的耦合,您還將能夠使用更多的高級結構力學模擬功能。對於聲學家而言,彈性波是一個重要的應用領域。您還可以在聲學模組中使用固體力學介面,從而得到一個完全結構-動力學公式,包含剪切波和壓力波在固體中的所有效應。聲-壓電耦合多物理場介面不僅可以高度精確地模擬聲-結構耦合,還支持求解和模擬壓電材料中的電場。與AC/DC模組MEMS模組耦合時,您還將可以耦合壓電模擬與SPICE電路。這是一個相當出色的功能,例如,可以在使用集總模型描述換能器的某些電氣行為的同時,使用完整的有限元來描述其他物理場。

管道聲學介面(需要管道流模組)用於柔性管道系統中聲波傳播的一維模擬。方程使用廣義模式編譯,考慮了在可能的穩態背景流場下管壁的影響。彈性波介面為完全結構-動力學公式,包含所有剪切波和壓力波效應。多孔彈性波介面使用Biot理論來精確模擬多孔材料中的聲音傳播,包括通過專用的支持多孔域和流體域之間輕鬆耦合的多物理場邊界條件,來實現固體基體變形與飽和流體壓力波之間的雙向耦合。

幾何聲學

幾何聲學分支中包括射線聲學以及聲學擴散方程物理場介面。兩個介面中的物理場均在高頻範圍內可用,其中的聲波長小於典型的幾何特徵。所在頻率高於室內的施羅德頻率。兩個介面均適用於模擬室內以及像音樂廳類建築中的聲場。聲學擴散方程僅限室內應用,而射線聲學介面則可用於諸如海洋聲學和大氣聲學等應用。不同吸收模型中包含了邊界處的聲學屬性。

射線聲學介面用於計算聲射線的軌跡、相場與強度。射線聲學在高頻範圍內可用,其中的聲波長小於典型的幾何特徵。該介面可用於模擬室內、音樂廳、學校、辦公樓,以及許多室外環境中的聲場。射線傳播所經過的介質屬性可在域內連續變化(漸變介質),或者在邊界處不連續。外部邊界可被指定為多種壁條件,包括鏡面和漫反射組合。阻抗和吸收可基於入射光線的頻率、強度和方向。也可以在不連續的材料中模擬傳播和反射。介質還可能被賦予一個背景聲速。

聲學擴散方程(ADE) 介面求解了聲能量密度的擴散方程。它適用於擴散聲場中的高頻聲學研究。擴散屬性取決於房間幾何、壁吸收屬性,房間裝修