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COMSOL Multiphysics® 軟體的 Acoustics Module 是一個附加模組，提供模擬聲學和振動行為的工具，可用於研究和預測聲音品質和降噪效能等因素。這個模組可應用於各種產品和設計，如揚聲器、行動裝置、麥克風、消音器、感測器、聲納、流量計、房間和音樂廳等。您可以視覺化聲學場景並建立虛擬設備或元件的原型。


若要進行更詳細的研究，可以將聲學與其他物理效應（包括結構力學、壓電效應和流體流動）耦合在一起。COMSOL® 軟體包括多物理耦合，使您能夠在盡可能接近真實世界的環境中評估產品或設計的性能。

Acoustics Module 還包括許多專門的公式和材料模型，例如熱黏聲學，用於微型換能器和行動裝置，或 Biot 方程，用於建模多孔彈性波。此外，此模組使用多種數值方法。除了有限元法（FEM）外，Acoustics Module 還採用邊界元法（BEM）、不連續 Galerkin 有限元法（dG-FEM）和射線追蹤。



壓力聲學


壓力聲學是Acoustics Module最常用的應用。您可以模擬壓力聲學效應，例如聲音的散射、繞射、發射、輻射和傳輸。在頻域中運行的模擬使用的是Helmholtz方程式，而在時域中使用的是經典的標量波動方程式。在頻域中，既有FEM和BEM，也有混合的FEM-BEM方法。在時域中，可以使用時間隱式（FEM）和時間顯式（dG-FEM）的公式。

聲學模型中有很多考慮邊界的選項。例如，您可以為牆壁添加邊界條件，或者為多孔層添加阻抗條件。您可以使用端口來在波導的入口和出口激發或吸收聲波，使用多模擴展。可以在外部或內部邊界上應用輻射或Floquet週期邊界條件來模擬開放或週期性邊界。

Acoustics Module也可以用於模擬管道聲學，在靈活的管道系統中計算聲壓和速度。應用包括HVAC系統、大型管道系統和樂器，如風琴管。



電聲學：揚聲器與麥克風


在建立揚聲器與麥克風的模型時，必要的部分涉及聲-結構互動，其中流體壓力對實體領域造成了流體負載，結構加速度則會以法向加速度影響流體領域，跨越流-固邊界。聲學模組包含各種聲-結構互動能力。

在建立各種換能器的模型時，聲學模組的功能可以與交流/直流模組、微機電模組或結構力學模組的功能相結合，創建全耦合的多物理場有限元模型。這包括詳細建模揚聲器驅動器中的磁鐵和音圈，或電容式麥克風中的靜電力。在電-機-聲換能器系統中，可以使用集中參數電路模型簡化電氣和機械元件。這兩種方法都採用全雙向耦合解決。此外，可以對(線性的)小信號行為和非線性的大信號動態進行建模和分析。在小型換能器系統中，如手機、電容式麥克風和助聽器接收器中，考慮到由於熱-黏邊界層損耗而產生的重要阻尼。還有廣泛的功能，可用於建模各種壓電換能器。

 



微聲學

 

對於具有小尺寸幾何結構的聲學傳播進行準確的微聲學分析，需要考慮與黏滯和熱傳導相關的損耗，特別是黏滯和熱邊界層的損耗。使用聲學模組運行熱滑類比時，這些效應將得到完全解決並自動包含，對於微型電聲轉換器的振動聲學建模，如麥克風、移動設備、助聽器和MEMS設備，這些效應至關重要。對於詳細的轉換器建模，可以使用結構和熱滑聲學領域之間的內置多物理耦合。

軟體還考慮了其他效應，包括在非常低頻時從絕熱到等溫的完整過渡行為。可以通過添加非線性控制項，在時域中捕獲本地的非線性效應，例如微型揚聲器口或穿孔中的漩渦脫落。還有一個專用的功能，用於計算和識別狹窄波導和管道中的傳播和非傳播模式。



固體彈性波與超聲波


聲波在固體中的傳播是通過固體形狀和結構的小振幅彈性波動實現的，這些彈性波會以普通聲波的形式傳遞到周圍的流體中。


您可以使用聲學模組來模擬固體和多孔材料中彈性波的傳播，進行單物理或多物理應用，例如振動控制、無損檢測（NDT）或機械反饋。應用領域從微機械裝置到地震波傳播。使用高階dG-FEM時間顯式方法解決大域包含多個波長的彈性波傳播，可多物理耦合流體和壓電材料。全結構動力學公式考慮剪切波和壓力波的影響。您可以使用Biot方程解決多孔材料中彈性波和壓力波的耦合傳播。



流體中的超音波


在聲波頻率高於人類可聽範圍時，稱為超音波，代表超音波擁有短波長。因此，您可以以兩種方式計算液體中聲波的瞬態傳播：建模包括背景流動的波傳播或建模高功率非線性聲學效應的影響。

透過建模傳導波方程，您可以解決模擬許多波長的穩定背景流場中的瞬態線性聲學問題，例如流量計，排氣系統，以及生物醫學應用，如超聲成像和高強度聚焦超聲。

對於高功率非線性聲學應用，您可以捕獲漸進式波動現象，其中累積非線性效應超過局部非線性效應。這包括模擬衝擊波的形成和傳播。

對於兩種選擇，軟體均提供多物理耦合功能，可與結構中的彈性波和/或壓電材料完全耦合。



氣動聲學


您可以使用「聲學模組」進行計算流體力學(CFD)模擬，進而有效地進行計算氣動聲學模擬(CAA)。首先，您可以使用CFD模組工具或自定義流場剖面來找到背景平均流場，然後解決聲波傳播的問題。

對於傳輸聲學模擬，可以使用有限元公式包括線性納維爾-斯托克斯、線性歐拉和線性潛勢流氣動聲學模擬。您可以計算在任何靜止等溫或非等溫背景平均流場存在的壓力、密度、速度和溫度的聲學變化。這些公式可以輕易地處理聲波通過流場時的對流、阻尼、反射和繞射。此外，還有預定義的耦合彈性結構的頻域FSI分析功能。

您可以透過在CFD模型中使用Lighthill的聲學類比和轉換大涡模擬(LES)或分離涡模擬(DES)的輸入，增加氣流引起的噪音作為氣動聲學流場源，進行壓力聲學分析。



幾何聲學


聲學模組的幾何聲學功能可用於評估高頻系統，其中聲波波長小於特徵幾何特徵。有兩種可用的方法：射線聲學和聲學擴散。

對於射線聲學，您可以計算聲線的軌跡、相位和強度。此外，您還可以計算脈沖響應、能量和級別衰減曲線，以及傳統的客觀室內聲學指標。聲線可以在分級媒介中傳播，這對於水下聲學應用是必要的。為了在空氣和水中模擬射線聲學，可使用專門的大氣和海洋衰減材料模型，這對於波的大距離傳播和高頻率至關重要。

對於聲學擴散，您可以確定耦合房間的聲壓級分佈和不同位置的混響時間。聲學以簡化的方式建模，使用聲能密度的擴散方程式。此方法非常適合用於建築物和其他大型結構物內部的快速分析。



聲流


使用聲學模組，可以模擬聲流，這描述了聲場如何引起流體運動的物理過程。該模組包含多物理耦合的能力，以耦合聲學和流體流動，模型聲流現象，包括壓力和熱黏聲聲學。

聲流是一種非線性現象，由於納維爾-斯托克斯方程的非線性而發生。聲學模組計算聲場在流體中誘導的力、應力和邊界滑動速度，以產生聲流場。這種現象在生物技術和半導體製程中被廣泛使用，並且在微流體學和實驗室晶片系統中非常重要，例如粒子處理、液體混合和微流體泵。

 


聲學模組功能與特點

請參閱下面的章節了解更多


內建使用者介面

Acoustics Module內建了使用者介面，涵蓋了以上提到的所有應用領域。這些介面定義了一組領域方程式、邊界條件、初始條件、預設的網格、預設的求解器設置，以及預設的圖表和派生值。所有這些步驟都可以在COMSOL Multiphysics環境中進行設定。網格劃分和求解器設置由軟體自動處理，也可進行手動編輯。

建立聲學模型的COMSOL Multiphysics工作流程與使用任何其他物理界面建立模型的工作流程相同。因此，很容易將多個物理效應納入一個聲學模型中，Acoustics Module內建了數個多物理界面，也可以與COMSOL產品套件中的其他附加模組結合使用。

有限元素法和邊界元素法

Acoustics Module中的大部分使用者介面都是基於不同版本的有限元素法(FEM)。也提供基於邊界元素法(BEM)的使用者介面，並且可以與基於FEM的界面無縫結合。混合FEM-BEM對於模擬涉及振動結構的聲學-結構相互作用非常有效。

混合FEM-BEM的應用包括具有複雜幾何形狀的轉換器和輻射模擬，在這些模擬中使用FEM模擬轉換器（壓電或電磁）和BEM模擬外部聲學。

可以使用基於BEM的介面來替換基於FEM的輻射條件或PML，以及基於FEM的外部場計算。

 


壓力聲學介面

在建立壓力聲學模型時，可利用多個介面來表示聲場的壓力標量變數。基於有限元素法的通用介面能夠解決頻域和時間域的問題。針對瞬態情況，可以包含非線性效應，並以Westervelt方程為基礎。

為了有效解決大型的散射和輻射問題，提供了基於頻域邊界元素法的介面，與基於有限元素法的介面(包括聲學和結構)相互耦合。

為了有效解決大型瞬態模型，提供了一個專門基於間斷Galerkin有限元素法和時間显式求解器的介面。此介面可以與對應的彈性波和壓電波時間顯式介面耦合。

壓力聲學的邊界條件和源項

針對壓力聲學，有許多可用的邊界條件，包括硬牆和源項。可用的邊界條件包括輻射、對稱、週期和端口條件，用於建模開放邊界。阻抗條件包括不同部分的人耳、人體皮膚、簡單的 RCL 電路模型等。使用邊界模式分析介面，可以研究波導和導管截面上的傳播模式。建模理想化源項的選項包括內置的單極、雙極和四極點源選項。

 


高頻壓力聲學

Acoustics Module 提供了兩種高度專業的介面，以快速在頻域進行分析。這些介面是基於計算 Kirchhoff-Helmholtz 積分，包括一個用於散射分析的介面和另一個用於輻射分析的介面。這種分析可用作第一步，然後再進行更消耗計算資源的 FEM 或 BEM 分析。

聲音與結構互動介面

聲音與結構互動介面適用於液體壓力對固體領域造成負載，並且結構加速度影響穿過液體-固體邊界的流體領域的現象，也稱為振動聲學。

介面具有在頻率或時間域中求解的能力。模擬中包含的固體可以是等向性、非等向性、多孔性或壓電性質。

藉由結合結構力學模組，互動的結構邊界可以額外包含結構殼或膜。

藉由結合多體動力學模組，您可以包含多個連接著不同類型關節的移動剛性或彈性部件的效應。

對於更高級的選項，藉由結合AC/DC模組或MEMS模組，您可以分析涉及電或磁力的流體-結構互動，包括具有電致或磁致材料特性的固體。

 


彈性波介面

「聲學模組」包含多個使用者介面，用於模擬線彈性波在固體、多孔材料和壓電材料中的傳播。這些介面透過使用一組內建的多物理場耦合，可以輕鬆與流體領域進行耦合。

固體力學介面具有表示完整彈性動力學的功能，可用於在頻域和時域中對固體中的彈性波進行建模。本模組專門實現了一個端口邊界條件來模擬和處理彈性波導結構中的各種傳播模式。

多孔彈性介面用於模擬多孔材料中由飽和流體中的聲壓變化與固體多孔基體的彈性變形之間複雜的雙向相互作用產生的多孔彈性波。多孔彈性介面在頻域中求解 Biot 方程，並包含黏滯損失（Biot）的損失機制，用於模擬岩石和土壤，以及熱和黏滯損失（Biot-Allard），適用於空氣中的吸聲材料。

基於時域顯式的間斷蓋洛金公式的兩個介面可用於模擬固體和壓電領域中的線彈性波。這些介面可以耦合，適合於有效地對具有多個波長的領域進行建模。此外，這些介面還可以與壓力聲學的時域顯式介面相耦合。

熱黏滯聲學介面

為了準確模擬小尺寸幾何結構中的聲學，需要在控制方程中明確包含熱傳導效應和黏滯損耗。牆附近存在黏性邊界層和熱邊界層，由於這裡的梯度較大，剪切和熱傳導引起的黏滯損耗變得非常重要。

熱黏滯聲學介面具有同時模擬壓力、粒子速度和聲學溫度振盪的影響的功能。舉例來說，熱黏滯聲學可以用來模擬麥克風和接收器等小型換能器的回應，也稱為微聲學。與熱彈性物理場耦合的多物理場可以對MEMS應用中的阻尼進行詳細建模，包括詳細的薄膜阻尼。

這些介面可用於在頻域和時域中求解。此外，您還可以在時域中模擬非線性效應。

通過使用埠、總埠或總揚聲器邊界特徵，可以很容易地從計算域中提取總聲學和電聲表示，或者將其耦合到計算域。這對於使用像手機中微換能器的Thiele-Small表示的系統模擬非常有用。


氣動聲學介面

為了詳細模擬對流聲學或流動噪音，頻域和時域中都提供了許多氣動聲學介面，用於模擬背景流體流動與聲場的單向相互作用。軟體提供不同的物理場介面，可以在各種物理近似條件下求解控制方程式。

線性納維-斯托克斯介面用於求解壓力、速度和溫度的聲學變化。

線性歐拉介面用於計算存在穩態背景平均流（用理想氣體流很好地近似）時，密度、速度和壓力的聲學變化。

特殊的邊界模式介面可用於計算波導和管道中存在背景流時的傳播和非傳播模式。

為了簡化分析，您可以在時域和頻域中都使用線性勢流介面。

超音波和對流波動方程介面

您可以使用對流波動方程使用者介面來分析瞬態線性超音波設備和過程，有效地求解穩態背景流包含許多波長的大型瞬態線性聲學模型。

您可以使用非線性壓力聲學使用者介面來模擬高振幅非線性聲波的傳播，其中包含用於捕捉激波的特殊功能。

這兩個介面都包含吸收層，用來設置有效的無反射類邊界條件；它們基於間斷加農法，並使用計算高效的時域顯式求解器。

 


開放區域和輻射

為了建立無限計算區域的模型，您可以使用完美匹配層 (PML) 在時域和頻域中截斷計算區域。其他方法包括使用輻射邊界條件或外部區域模擬的邊界元素法接口。

對於基於有限元素的接口，您可以使用外部場特徵來確定計算區域外任意點的壓力。軟體提供專門的結果和分析功能，支援在極座標圖、2D和3D圖形中可視化外部場 (近場和遠場) 的輻射方向圖。

射線聲學和聲學擴散介面

在高頻極限下，聲波波長遠小於典型幾何特徵，您可以使用射線聲學的使用者介面來進行模擬。此外，為了進行快速分析，還可以使用可求解聲學擴散方程（也稱為能量有限元）的使用者介面。

這兩個使用者介面都適合於對房間和音樂廳的聲學進行建模，射線聲學介面還可用於室外或水下場景。

射線聲學介面用於計算聲射線的軌跡、相位和強度，具有脈衝響應分析的能力，顯示聲壓級衰減曲線和計算的客觀房間聲學指標，例如 EDT、T60 值等。


流致噪聲

透過將「聲學模組」和「CFD模組」結合，您可以使用混合氣動聲學（CAA）方法來建模流致噪音。

計算方法基於Lighthill聲學模擬（波動方程）的有限元離散化，其中可以確保已在底層包含任何固體（固定或振動的）邊界。

該功能需要將使用「CFD模組」的LES流體流動模擬與「聲學模組」中提供的壓力聲學氣動流動源進行耦合。

聲音衰減和多孔材料

引入衰減的方法之一是使用壓力聲學介面所提供的等效流體模型，將衰減屬性均勻地引入到模擬不同衰減機制的主體流體中。流體模型包含了由大氣（空氣）和海洋（海水）中的主體熱傳導、黏度和松弛引起的衰減，以及用於模擬多孔材料阻尼的模型。

除了能夠同時模擬壓力、粒子速度和聲學溫度振蕩效應的熱黏性聲學介面外，壓力聲學介面還可以解釋熱黏性邊界層衰減。窄區域聲學可用於等截面的窄管道和波導，而熱黏性邊界層阻抗（BLI）條件則適用於大於邊界層的幾何形狀。

如果適用，等效流體和均質模型在計算上非常有效。但是，為了以更高的保真度表示多孔材料的衰減，您可以對壓力聲學與多孔彈性波傳播的影響進行耦合分析。




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