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。
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。
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。
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。
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