Семейство продуктов COMSOL®

Программный пакет для проведения численных акустических и вибрационных расчетов различных устройств и систем

С помощью моделирования можно исследовать и улучшать качество звука и снижать уровень шума для различных устройств и конструкций, основанных на акустических явлениях и эффектах. Модуль Акустика расширяет возможности программы COMSOL Multiphysics® и предоставляет набор инструментов для моделирования акустических волн и упругих колебаний в громкоговорителях, мобильных устройствах, микрофонах, звукопоглощающих устройствах, датчиках, сонарах и расходомерах. Вы можете использовать специализированные инструменты ПО для визуализации акустических полей и вибраций, а также для построения виртуальных прототипов устройств и компонентов.

Для более подробных исследований можно рассматривать акустические процессы в системе совместно другими физическими эффектами, в том числе относящихся к механике конструкций, пьезоэлектричеству и гидродинамике. Программный пакет COMSOL® позволяет реализовывать так называемые мультифизические связи для расчёта рабочих характеристик устройств и конструкций в максимально приближенных к реальным условиях.

Модуль Акустика включает множество специализированных формулировок и моделей материалов, которые можно использовать для узкоспециализированных прикладных задач, например, для расчета термических и вязких потерь (задачи термовязкостной акустики) в миниатюрных преобразователях и мобильных устройствах или для расчета пороупругих волн и колебаний на основе уравнений Био (задачи пороакустики). Мультифизические функциональные возможности дополнительно расширяются за счет использования нескольких специализированных численных методов, включая МКЭ — метод конечных элементов (в англоязычной литературе — FEM), МГЭ — метод граничных элементов (BEM), трассировку лучей (Ray Tracing) и разрывный метод конечных элементов Галеркина (dG-FEM).

Области применения модуля Акустика

Добавляя к базовой платформе COMSOL Multiphysics® модуль Акустика, вы получаете доступ к специализированным методам анализа акустических волн и вибраций, которые расширяют возможности программы COMSOL®.

Модуль Акустика включает инструменты для моделирования следующих систем, устройств и эффектов:

  • Поглотители и демпферы
  • Акустическая маскировка
  • Излучение звука
  • Акустические течения
  • Микрофоны
  • Мобильные устройства
  • Собственные формы и частоты колебаний помещений и конструкций
  • Глушители
  • Акустика биосистем
  • ОАВ — объемные акустические волны (BAW)
  • Акустика концертных залов
  • Конвекционная акустика
  • Неустойчивость горения
  • Кориолисовы расходомеры
  • Акустика салонов автомобилей
  • Диффузоры
  • Электроакустика и электроакустические преобразователи
  • Расходомеры
  • Шум от потока жидкости
  • Взаимодействие текучей среды и твердотельных конструкций (FSI) в частотной области
  • Слуховые аппараты
  • Высокоинтенсивный ультразвук (HIFU)
  • Импульсные характеристики акустических систем
  • Шум реактивных двигателей
  • Громкоговорители
  • Микроэлектромеханические (MEMS) акустические датчики
  • Микроэлектромеханические (MEMS) микрофоны
  • Музыкальные инструменты
  • Шум и вибрации механического оборудования
  • Звукопоглощающие материалы и звукоизоляция
  • Неразрушающие испытания и неразрушающий контроль (NDT)
  • Нелинейные возмущения звука
  • Акустическая нефтегазоразведка
  • Пьезоакустические преобразователи и пьезоэффект
  • Реактивные и абсорбционные глушители
  • Акустика помещений и зданий
  • Излучатели и приёмопередатчики
  • Датчики и приемники
  • Гидролокационные устройства и сонары
  • ПАВ — поверхностные акустические волны (SAW)
  • Звукоизоляция
  • Виброакустика и виброакустические системы
  • Низкочастотные и сверхнизкочастотные динамики и сабвуферы
  • Ультразвук
  • Ультразвуковые расходомеры
  • Ультразвуковая визуализация (УЗИ)
  • Ультразвуковые преобразователи
  • Подводная акустика и гидроакустика
Read More

Мультифизические связи

Доступные непосредственно в модуле Акустика:

  • Взаимодействие между акустическими волнами в жидкостях и газах и упругими колебаниями в твердотельных конструкциях (ASI)
  • Взаимодействие между акустическими волнами в жидкостях и газах и упругими колебаниями в пьезоэлектрических материалах
  • Взаимодействие между акустическими и пороупругими волнами
  • Взаимодействие между пороупругими волнами и упругими колебаниями в твердотельных конструкциях
  • Сопряжение расчетов акустических систем, описываемых на основе МКЭ и МГЭ (FEM-BEM)
  • Сопряжение расчетов акустических систем, описываемых на основе стандартных уравнений для акустики жидкости и газа и в формализме термовязкостной акустики
  • Взаимодействие акустических волн с учетом термических и вязких потерь и колебаний в твердотельных конструкциях
  • Взаимодействие акустических волн с учетом фоновых потоков (аэроакустика) и колебаний в твердотельных конструкциях
  • Распространение звука в тробопроводах

Доступные при наличии дополнительных модулей расширения:

  • Взаимодействие между акустическими волнами в жидкостях и газах и упругими колебаниями в твердотельных оболочках
  • Взаимодействие между акустическими волнами в формализме термовязкостной акустики и упругими колебаниями в твердотельных оболочках
  • Задание электрических характеристик преобразователей на основе сосредоточенных моделей
  • Описание электродинамических свойств магнитов, катушек и мягких сталей в акустических преобразователях
  • Учёт осредненного фонового потока в аэроакустике
  • Взаимодействие между пороакустическими волнами и упругими колебаниями в твердотельных оболочках
Модель в COMSOL Multiphysics® для расчета акустики помещения и анализа собственных мод помещения. В представленной модели исследуются собственные моды помещения. На внешних границах были заданы сложные импедансные условия, моделирующие звукопоглощающие свойства, использованных в оформлении комнаты материалов.
Модель, разработанная в COMSOL для анализа акустики салона автомобиля. Распределение уровней звукового давления в салоне автомобиля, создаваемого небольшим динамиком на приборной панели. Модель собрана в интерфейсе Скалярная акустика и содержит примеры описания комплексного импеданса для облицовки салона, ковриков, пластмассовых поверхностей и сидений.
Смартфон с микродинамиками и визуализация искажений, вызванных срывом вихрей, линиями тока и графиком в срезе. Важным применением модели материала Nonlinear Thermoviscous Acoustics является моделирование
Открытый ноутбук и визуализация излучаемого акустического давления мультисрезовым графиком (xy, yz и xz) с использованием волновой цветовой шкалы (красный-белый-голубой). Излучаемое акустическое давление спикером ноутбука на частоте 4кГц. В модели используется для расчета FEM-BEM подход.
Мультифизическая модель, демонстрирующая проектирование и анализ преобразователя типа Tonpilz. Проектирование гидроакустического сонара из массива преобразователей типа Tonpilz. В модели использованы мультифизические связи для учета взаимодействия упругих колебаний в пьезоэлектрическом материале излучателей и акустических волн в воде, при этом скалярная акустика расчитывается на основе метода граничных элементов. Модель позволяет легко рассчитать и визуализировать механические х-ки и диаграмму направленности проектируемого сонара.
Модель для расчёта вибраций и шума в коробке передач. Модель для расчета вибраций в классической пятиступенчатой синхронизированной коробке передач и создаваемого шума в окружающем пространстве. Нестационарное исследование многотельной динамики позволяет рассчитать вибрации коробки передач на заданной частоте вращения двигателя и при заданной внешней нагрузке. Акустический анализ позволяет получить картину распределения уровня звукового давления как в ближней, так и дальней зоне.

Для моделирования классических явлений акустики, таких как рассеяние, дифракция, излучение и распространение звуковых волн, в пакете доступен целый ряд интерфейсов из группы Pressure Acoustics. Для задач в частотной области используется формулировка на основе уравнения Гельмгольца, для исследований во временной области - на основе классического скалярного волнового уравнения.

Для описания эффектов на границах разработан и готов к использованию широкий набор граничных условий. Например, вы можете добавить граничное условие, описывающее отражение на стенке или условие импеданса для пористого слоя. На внутренние и внешние границы можно добавлять источники излучения, например, задавать акустическое ускорение, скорость, смещение или давление. Кроме этого, вы можете использовать условия излучения (типа Зоммерфельда) или периодические граничные условия типа Флоке для задания открытых или периодических границ. Вы также можете рассчитать и визуализировать внешние поля в моделях с открытыми границами как в ближней, так и в дальней зоне. Полярные графики и диаграммы направленности помогут визуализировать пространственную чувствительность и пространственные отклики.

Интерфейсы группы Скалярная акустика:

  • Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область)
    • Предназначен для решения задач, описываемых уравнением Гельмгольца с учетом различных инженерных формулировок граничных условий и моделей материалов для различных типов жидкостей и газов
  • Доступны формулировки для анализа на собственные частоты для расчета акустических мод системы и форм колебаний
  • Pressure Acoustics, Transient (Скалярная акустика, временная область)
  • Предназначен для исследования в динамике распространения акустических сигналов произвольной формы в пространстве
  • Boundary Mode Acoustics (Акустика граничных мод)
    • Расчёт распространяющихся и затухающих мод в волноводах и каналах
  • Pressure Acoustics, Boundary Element (Скалярная акустика, метод граничных элементов)
    • Эффективное решение задач излучения и рассеяния на основе метода граничных элементов (BEM)
    • Сочетается с интерфейсами, основанными на методе конечных элементах (FEM), описывающих, например, вибрации в твердых телах и конструкциях, в т.ч. пьезоэлектрических материалах
  • Pressure Acoustics, Time Explicit (Скалярная акустика, явный решатель для временной области)
    • Использует разрывный метод Галеркина для расчёта нестационарного распространения звука в помещениях и для эффективного моделирования (в плане использования вычислительных ресурсов) больших задач рассеяния.

Области применения:

  • Глушители и звукопоглощающие устройства
  • Громкоговорители
  • Излучение шума от оборудования
  • Акустика салонов автомобилей
  • Формы колебаний помещений и строительных конструкций
  • Шумопоглотители и диффузоры
  • Задачи рассеянии
  • Сонары и приемопередатчики
Субмарина и визуализация акустического давления на её поверхности в волновой цветовой схеме (красный-белый-голубой) Полное акустическое давление на поверхности субмарины, вызванное фоновым акустическим сигналом на частоте 5кГц.

Инструменты модуля позволяют моделировать распространение упругих волн в твердых и пористых материалах, в т.ч. с учётом мультифизических эффектов в задачах вибрационного и неразрушающего контроля (NDT) или механической обратной связи. Области применения включают широкий перечень направлений от микромеханических систем до расчётом распространения сейсмических волн.

Интерфейс Solid Mechanics (Механика твердого тела) использует формулировку на основе уравнения динамики и позволяет учитывать все типы волн (поперечные или волны сдвига и продольные или волны давления). Механические порты позволяют возбуждать и согласовывать границы под определенные моды, а также рассчитывать характеристики отражения/прохождения (матрицы рассеяния) системы.

Специализированный интерфейс Poroelastic Waves (Пороупругие волны) позволяет моделировать распространения упругих и акустических волн в пористых средах на основе уравнений Био.

Интерфейс Elastic Waves, Time Explicit (Упругие волны, для явного решателя во временной области) заточен на моделирование распространения импульсов в масштабных системах на много длин волн. Интерфейс использует дискретизацию вsсокого порядка и расчетную схему на основе разрывного метода Галеркина (dG-FEM). Доступна мультифизическая связка с интерфейсом Pressure Acoustic, Time Explicit для проведения виброакустических расчетов во временной области.

Области применения:

  • Громкоговорители
    • Корпуса
    • Драйверы
  • Звукоизоляция и распространение звука в строительных материалах и конструкциях
  • Моделирование распространения пороупругих волн (Био)
  • Расчеты виброоткликов
  • Распространение сейсмических волн
  • Неразрушающий акустический контроль (NDT)
  • Ультразвуковое плавление
Модель Земли и визуализация распространения сейсмических волн в её коре.

Распространение сейсмических волн в земной коре: комбинированный расчет акустических волн во внешней жидкой части ядра и упругих волн в остальной части. Использованы материалы со свойствами, зависящими от глубины. Для расчёта использованы интерфейсы группы Time Explicit.

С помощью модуля Акустика можно моделировать взаимодействие акустики и механики конструкций в том или ином устройстве или конструкции. Готовые интерфейсы позволяют проводить виброакустические исследования и автоматически сопрягать акустические эффекты в области жидкости или газа (флюида) и упругие волны в твердотельной конструкции.

Мультифизические взаимосвязи позволяют легко сочетать в единой модели пористые области, твердотельные области, пьезоэлектрические материалы и области жидкости и газа для расчёта и проектирования реальных устройств. Гармонические и резонансные свойства твердотельных систем можно рассчитывать с учетом преднапряжений и двусторонней связи с акустикой во флюиде.

Области применения:

  • Влияние механических вибраций на работу глушителей
  • Компоненты громкоговорителей
    • Корпуса для динамиков
    • Динамики и другие излучатели
  • Механическое оборудование
  • Виброакустика
  • Наушники
  • Звукоизоляция и звукопередача в строительных материалах
  • Тестирование автомобилей на шум и вибрации
  • Пьезоэлектрические преобразователи
    • Ультразвуковые преобразователи
    • Линейные рещетки излучателей
    • Гидроакустические преобразователи и сонары
    • Массивы сонаров
  • Детальное моделирование пористых материалов и пороупругих волн (теория Био)
  • Задачи обратной связи
Акустические волны в вибрирующем топливном баке (изоповерхности) и его деформации на одной из собственных частот (график по поверхности).

Акустические волны в вибрирующем топливном баке и его деформации на одной из собственных частот.

Деформации демпфирующей подушки и уровень звукового давления во внешней зоне.

Виброакустический анализ используемой в автомобильной промышленности демпфирующей подушки со связанными слоями. Показан уровень звукового давления во внешней зоне (дальней зоне).

С помощью принципов геометрической акустики, реализованных в программном пакете COMSOL®, можно исследовать высокочастотные системы, в которых длина волны звука значительно меньше их характерных геометрических размеров. Доступно два интерфейса: Ray Acoustics (Геометрическая акустика) and Acoustic Diffusion Equation (Уравнение акустической диффузии).

С помощью интерфейса Ray Acoustics вы можете рассчитать траектории, фазу и интенсивность акустических лучей. Дополнительно с помощью набора Receiver и графика Impulse Response данных можно получить импульсный отклик (impulse responses), данные по затуханию энергии (decay curves), а также классические акустические метрики для помещений. Свойства стенок, источников и диффузоров могут быть заданы с разрешением в октаву, 1/3 октавы и 1/6 октавы. Лучи могут распространяться в неоднородной среде, что важно для гидроакустических задач. Для моделирования лучевой акустики в воздухе и воде на больших расстояниях и высоких частотах добавлены специальные модели материала с учетом затухания в атмосфере и океане.

С помощью интерфейса Acoustic Diffusion Equation вы можете определить уровни звукового давления в сопряженных комнатах, а также времена реверберации в различных точках. Для расчета используется упрощенное уравнение акустической диффузии относительно плотности акустической энергии. Интерфейс подходит для быстрого упрошенного анализа акустики помещений.

Области применения:

  • Акустика помещений
  • Акустика концертных залов
  • Подводная гидроакустика
  • Акустика салонов автомобилей
  • Распространение звука в открытых пространствах
  • Атмосферная акустика
Трассировка акустический лучей (геометрическая акустика) в концертном зале с помощью COMSOL Multiphysics® и модуля Акустика.

Модель расчета акустики небольшого концертного зала с использованием интерфейса Ray Acoustics (Геометрическая акустика). На границах зала заданы свойства поглощения, как функции от частоты, и свойства рассеяния. На основе специализированной опции в постобработке получен импульсный отклик.

Пример расчёта акустики помещения в программном пакете COMSOL.

Интерфейс Acoustic Diffusion Equation позволяет найти установившееся распределение уровня звукового давления (или плотности акустической энергии) для данного источника звука, расположенного в двухэтажном здании. Решатель на собственные значения позволяет рассчитать времена реверберации в каждом помещении здания. Кривые спада энергии можно найти с помощью нестационарного исследования.

Вы можете эффективно решать задачи вычислительной аэроакустики (CAA) с помощью двухэтапного подхода, реализованного в модуле Акустика. На первом этапе рассчитывается фоновый осредненный поток с помощью инструментов модуля Вычислительная гидродинамика или профиль потока задается пользователем вручную; на втором этапе решается задача распространения звука. Такой подход также называют конвекционной акустикой или моделированием шума в потоке.

Готовые интерфейсы позволяют рассчитать акустические осцилляции давления, плотности, скорости и температуры при наличии стационарного изотермического или неизотермического фонового осредненного потока.

Имеются следующие стабилизированные конечно-элементные формулировки:

  • Linearized Navier-Stokes (Линеаризированные уравнения Навье — Стокса)
  • Linearized Euler (Линеаризированные уравнения Эйлера)
  • Linearized potential flow (Линеаризированный потенциальный поток)

Данные формулировки естественным образом учитывают распространение звука в потоке, конвекцию, затухание, отражение и дифракцию акустических волн в потоке. Также возможно провести виброакустический анализ в частотной области с помощью преднастроенных взаимосвязей с интерфейсами группы Solid Mechanics.

Области применения:

  • Шум реактивных двигателей
  • Глушители, в т.ч. с фоновым потоком
  • Расходомеры
  • Кориолисовы расходомеры
  • Анализ антивибрационных экранов, звукопоглощающих и перфорированных конструкций в присутствии потока
  • Неустойчивость горения
 
Аэроакустическая модель резонатора Гельмгольца.

Акустический анализ резонатора Гельмгольца и влияние осредненного потока в модели, использующей интерфейс Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain (Линеаризированные уравнения Навье — Стокса, частотная область). В модели при расчет акустических характеристик резонатора учитываются конвективные эффекты в потоке и затухание, вызванное турбулентностью.

Модель впусной камеры турбовентиляторного двигателя, созданная в пакете COMSOL Multiphysics. Моделируется акустическое поле осесимметричной впускной камеры в авиационном турбовентиляторном двигателе, созданное источником шума на границе. Результаты моделирования получены для случаев учета сжимаемого безвихревого фонового потока и без него, а такие при учета жестких стенок и стенок со звукопоглощающим покрытием.

Для точного анализа распространения звука в геометриях малых размеров необходимо учитывать потери, связанные с вязкостью и теплопроводностью, в частности, потери в вязком и тепловом акустических граничных слоях. Эти эффекты автоматически учитываются в формулировке на основе уравнений Навье-Стокса, которая используется в интерфейсах группы Thermoviscous acoustics (Термовязкостная акустика).

Эти интерфейсы хорошо подходят для расчета виброакустических моделей в миниатюрных электроакустических преобразователях: микрофонах, мобильных устройствах, слуховых аппаратах и микроэлектромеханических (MEMS) устройствах. Для детального моделирования преобразователей можно использовать встроенные мультифизические связи для сопряжения твердотельных конструкций и областей жидкости или газа, описываемых в терминах термовязкостной акустики.

Интерфейс также учитывает дополнительные эффекты, связанные, например, с переходом от адиабатического к изотермическому режиму на низких частотах. Отдельный интерфейс позволяет рассчитывать и обнаруживать распространяющиеся и затухающие моды для узких волноводах и каналах.

Области применения:

  • Мобильные устройства
  • Миниатюрные преобразователи
  • Микроэлектромеханические системы (MEMS)
  • Слуховые аппараты
  • Микрофоны
  • Перфорированные материалы и пластины
  • Нелинейные возмущения и эффекты в акустических портах
Модель в интерфейсе COMSOL Multiphysics, демонстрирующая учет термических и вязких потерь в акустических устройствах. Передаточная характеристика приемника с уравновешенным якорем (balanced armature receiver) Knowles ED23146 при стандартизированных измерениях. Результаты моделирования данного миниатюрного громкоговорителя гораздо лучше согласуются с эмпирическими данными от Knowles при учете акустических потерь в системе.

Интерфейсы группы Ultrasound (Ультразвук) позволяют рассчитать нестационарное распространение звуковых волн на большие по сравнению с длиной волны расстояния. Акустические волны с частотой, не слышной человеческому уху, называются ультразвуком. Длина ультразвуковых волн сравнительно мала.

Интерфейс Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвекционное волновое уравнение, для явного решателя во временной области) позволяет проводить численные исследования больших линейных акустических задач во временной области с учетом широкого спектра колебаний и стационарного фонового потока. Интерфейсы идеально подходят для нестационарных моделей с произвольными источниками и полями, зависящими от времени.

Формулировка и расчетная схема интерфейса основана на разрывном методе Галеркина (dG-FEM) и использует явный решатель (time-explicit solver), не требующий большого количества памяти.

Области применения:

  • Ультразвуковые расходомеры
  • Ультразвуковые времяпролетные датчики
  • Нестационарное распространение звуковых сигналов в присутствии потока флюида
  • Высокоинтенсивный ультразвук (HIFU)
  • Ультразвуковая визуализация (УЗИ)
 

Основные функции и возможности, доступные в модуле Акустика.

Ниже систематизирован и описан ключевой функционал и преимущества модуля Акустика.

Интуитивный процесс моделирования

Используете ли вы только модуль Акустика либо сочетание различных продуктов семейства COMSOL, процесс моделирования в программном пакете COMSOL® всегда универсален, логичен и прост. Типичный процесс моделирования состоит из нескольких шагов:

  • Построение геометрии
  • Выбор материалов
  • Выбор подходящего физического интерфейса
  • Задание граничных и начальных условий
  • Создание конечноэлементной сетки, в т.ч. автоматическое
  • Расчет физической модели
  • Визуализация результатов

Интеграция с другими программными платформами

Если вы хотите использовать в модели табличные данные или включить в модель сложную геометрию из сторонней CAD-системы, то для вас найдется подходящий модуль интеграции. С помощью продуктов LiveLink™ вы можете интегрировать программный пакет COMSOL Multiphysics® со многими сторонними инструментами, например, программным пакетом MATLAB®, электронными таблицами Microsoft® Excel®, пакетом Inventor® и многими другими.

Используемые численные методы и доступные типы исследований

Программный пакет COMSOL® использует для расчетов гибкие и эффективные решатели и методы. Частоты, характерные для задач акустики, покрывают несколько декад. Вычислительная сложность расчетов может сильно зависеть от формулировки акустической задачи. Таким образом, ни один конкретный способ или численный метод не подходит к абсолютно всем задачам из данной области.

Модуль Акустика содержит четыре различных численных метода: метод конечных элементов (FEM), метод граничных элементов (BEM), метод трассировки лучей (Ray tracing) и разрывный метод конечных элементов Галеркина (dG-FEM). Различные типы исследований дополняют набор численных методов и позволяют выполнять все нужные виды анализа. В частности, в модуле доступны исследования в частотной области (frequency domain), исследования на собственные частоты и моды (eigenfrequency и eigenmodes), а также нестационарные исследования во временной области (time domain). Специализированные итерационные методы позволяют решать мультифизические модели с миллионами степеней свободы, сочетая различные подходы в рамках одной задачи.

Модуль Акустика включает формулировки, основанные на следующих методах:

  • Метод конечных элементов (МКЭ - FEM)
    • Самый распространенный и универсальный метод, в котором доступна дискретизация на основе элементов высокого порядка
    • Формулировки для расчетов в частотной области и временной области (на основе неявных решателей)
  • Метод граничных элементов (МГЭ - BEM)
    • Интегральная формулировка исходных уравнений требует задания сетки только на поверхностях и границах
    • Доступна двусторонняя связка с расчетами на основе МКЭ (FEM) для акустических областей и конструкций (твердые тела, оболочки и мембраны)
  • Разрывный метод конечных элементов Галеркина (dG-FEM)
    • Разрывный метод Галеркина на основе явных решателей
    • Нетребовательный к памяти метод для нестационарного расчета больших моделей с миллионами степеней свободы
  • Трассировка лучей (Ray Tracing)
    • Предназначена для решения акустических задач на высоких частотах, например, задач распространения звука под водой или в помещении

В модуле Акустика доступны следующие типы исследований:

  • Исследование в частотной области (Frequency Domain)
    • Рассчитывает акустический отклик и акустические характеристики в заданном диапазоне частот
  • Нестационарное исследование во временной области (Time Dependent)
    • Времяпролетные расчеты
    • Распространение/нарастание/расплывание конечных акустических импульсов в пространстве
    • Анализ широкополосных акустических сигналов
    • Моделирование нелинейных явлений
  • Исследование на собственные частоты (Eigenfrequency)
    • Расчет мод и резонансных частот закрытых пространств и конструкций
    • Расчет добротности и коэффициента потерь
  • Модальный анализ
    • Расчет и обнаружение распространяющихся и затухающих мод в волноводах и каналах

Акустические потери

В расчётноймодели можно легко учесть акустические потери. Это позволяет моделировать, например, пористые и волокнистые материалы, используя теорию Био с помощью интерфейса Poroelastic Waves (Пороупругие волны). Кроме этого, пористые области в интерфейсе группы Pressure Acoustics можно моделировать с помощью эквивалентных материальных моделей типа Poroacoustics (Пороакустика). В числе последних модели Делани — Базли (Delany-Bazley), Мики (Miki) и Джонсона — Шампу — Аллара (Johnson-Champoux-Allard). Также в расчётной модели можно учесть затухание с использованием классических аналитических формул или пользовательских выражений, в т.ч. на основе эмпирических данных.

Подробные модели, учитывающие тепловые и вязкостные потери, можно создать с помощью интерфейса Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика). Формулировки, используемые в интерфейсе, позволяют учитывать все явления, связанные с акустическими вязкостными и тепловыми пограничными слоями и сконцентрированными в них. При этом доступны встроенные мультифизические связи с вибрирующими конструкциями. В моделях волноводов и других структур с постоянным поперечным сечением можно использовать упрощенный подход на основе усреднения потерь в пограничном слое, реализованный в модели материала Narrow Region Acoustics (Акустика в узких областях) для интерфейса Pressure Acoustics. Для криволинейных поверхностей можно использовать специальное граничное условие Thermoviscous Boundary Layer Impedance (Термовязкостный погранслойный импеданс).

Затухание акустических сигналов, распространяющихся в потоке текучей среды с высокими градиентами скорости, температуры или с сильной турбулентностью, можно детально моделировать в интерфейсах группы Linearized Navier-Stokes (Линеаризированные уравнения Навье — Стокса). Фоновый поток можно рассчитать с помощью модуля Вычислительная гидродинамика (CFD).

 

Электроакустика

При моделировании различных преобразователей вы можете комбинировать функциональные возможности модуля Акустика и модуля AC/DC или модуля MEMS для создания мультифизических конечноэлементных моделей с двусторонней всязимосвязью между акустическими и электродинамическими эффектами. Так, можно детально моделировать магниты и звуковые катушки громкоговорителей или электростатические силы в ёмкостных микрофонах. При моделировании сложных электромеханоакустических преобразователей можно использовать упрощения на основе эквивалентных сосредоточенных цепей на основе схемотехнических или механических элементов. Оба подхода основаны на полной двусторонней взаимосвязи.

Примеры некоторых прикладных задач:

  • Мультифизические модели громкоговорителя с учетом мехнических и электродинамических эффектов
  • Динамики
  • Комбинация распределенных моделей излучателей и эквивалентных сосредоточенных моделей типа Тиля-Смолла
  • Оптимизация магнитных компонентов при помощи модуля AC/DC
  • Микрофоны
  • МЭМС-преобразователи
  • Слуховые аппараты
  • Мобильные устройства

Задачи на излучение и открытые области

В акустике часто встречаются задачи, в которых акустические волны должны распространяться в свободном (открытом) пространстве без отражения на внешних границах расчетной области. Например, этого требует моделирование пространственной чувствительности преобразователей или расчеты рассеяния в сонарных приложениях. Неотражающие границы в модели можно задать с помощью нескольких различных методов и приемов, доступных в нашем пакете. Для простых задач возможно ограничиться импедансными граничными условиями или условиями излучения на границе (типа Зоммерфельда). Для сложных случаев излучения или сложных мультифизических задач может быть выгодно использовать вспомогательные дополнительные слои со специальными настройками.

Для последних в модуле Акустика доступно несколько формулировок:

  • Идеально согласованные слои (PML - perfectly matched layers), данная методика реализована для всех моделей и доступных в пакете интерфейсов в частотной области
  • Идеально согласованные слои (PML - perfectly matched layers) для временной области, доступные в интерфейсе Pressure Acoustics, Transient (Скалярная акустика, временная область)
  • Поглощающие слои (Absorbing layers), доступные в интерфейсах на основе разрывного метода конечных элементов Галеркина (dG_FEM) и в интерфейсе *Linearized Euler, Transient* (Линеаризированные уравнения Эйлера, временная область)

Используя мультифизические возможности и гибридный FEM-BEM подход (комбинация метода конечных и граничных элементов), можно эффективно решать задачи с открытыми областями методом граничных элементов с помощью интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Element (Скалярная акустика, Метод граничных элементов).

 

Моделирование на основе пользовательских уравнений: изменяйте исходные уравнения или задавайте пользовательские мультифизические связи

Для полного контроля над моделированием вы можете использовать моделирование на основе пользовательских уравнений (equation-based modeling) для модификации исходных уравнений и граничных условий непосредственно внутри программного обеспечения, подстраивая модели под нужды ваших исследований. Например, возможно моделировать физические явления, не заданные заранее в модуле Акустика в качестве готовых интерфейсов, или создавать новые мультифизические связи. Вы можете изменять модели материалов с учетом нелинейных эффектов, добавляя или изменяя управляющие уравнения. Также вы можете связывать физические явления нестандартными методами. Например, можно связать акустику и вычислительную гидродинамику для моделирования акустических течений и акустофореза.

Кроме этого, реализованные в пакете инструменты для моделирования на основе пользовательских уравнений избавляют от необходимости программировать и создавать собственный расчетные коды с нуля, предоставляя значительно более гибкие возможности и уменьшая время, затрачиваемое на создание моделей и проведение исследований.

Приложения для моделирования: упрощение рабочего процесса и взаимодействия с коллегами и клиентами

Подумайте, сколько времени и сил вы могли бы вложить в новые проекты, если бы вам не приходилось запускать одни и те же модели и проводить однотипные расчеты для других ваших коллег, менее знакомых с численным моделированием в целом и пакетом в частности. С помощью Среды разработки приложений, встроенной в программный пакет COMSOL Multiphysics®, вы можете создавать приложения для моделирования на основе моделей COMSOL, которые упрощают процесс моделирования, ограничивая изменение входных данных и контролируя выходные данные, выводя только нужные для конечного пользователя результаты. С ними ваши коллеги смогут проводить типовые расчеты самостоятельно.

Интерфейс приложений для моделирования (Simulation Apps) позволяет легко изменять исходные параметры или расчётные данные, например, акустический импеданс, и следить за влиянием изменений, не проводя повторно процесс сборки и настройки всей модели. С помощью приложений вы можете ускорить процесс проведения своих собственных исследований. Кроме того, можно предоставить доступ к приложениям своим коллегам, чтобы они самостоятельно выполняли свои расчеты, освобождая ваше время и силы для других задач.

Рабочий процесс создания и использования приложений для моделирования очень прост:

  • Создайте для вашей сложной акустической модели простой пользовательский графический интерфейс (приложение)
  • Настройте приложение для ваших нужд, выбирая нужные входные и выходные данные, которые будут доступны пользователям
  • Используйте продукт COMSOL Server™ для удаленного хранения и систематизации приложений и предоставления к ним доступа вашим коллегам и/или заказчикам и продукт COMSOL Compiler™ для компиляции автономных приложений для моделирования
  • Ваши коллеги и/или заказчики смогут проводить заданные в приложении типовые расчеты и проекты без вашей помощи

Используя функционал приложений для моделирования, вы сможете предоставить доступ к численным расчетам и проектированию вашим коллегам внутри отдела или лаборатории, всей организации целиком, студентам и аспирантам, клиентам и заказчикам.

Пример приложения для моделирования, созданного в среде COMSOL Multiphysics с помощью модуля Акустика. Приложение для расчета акустических отражений, созданное в Среде разработки приложений пакета COMSOL Multiphysics с использованием модуля Акустика.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свою контактную информацию, комментарии или вопросы и отправьте нам эту заявку. В течение одного рабочего дня вы получите ответ.

Следующий шаг:
Запрос
информации
о программе