Акустика

Численные акустические и вибрационные расчёты различных устройств и систем

С помощью моделирования можно исследовать и улучшать качество звука и снижать уровень шума для различных устройств и конструкций, принцип действия которых основан 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, расходомерах и различных помещениях. 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 интересующей системе совместно другими физическими эффектами, в том числе относящимися 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 расчёта 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 англ. FEM), МГЭ — метод граничных элементов (BEM), трассировку лучей (Ray Tracing) и разрывный метод конечных элементов Галеркина (dG-FEM).

Связаться с COMSOL
Распределение уровня звукового давления в ближней и дальней зоне громкоговорителя с фазоинвертором.

Акустика жидкости и газа

Акустика жидкости и газа (в англ. Pressure acoustics) — это наиболее популярная область использования модуля «Акустика». Вы можете моделировать рассеяние, дифракцию, эмиссию, излучение и распространения звуковых волн. Поддерживаются исследования в частотной области на основе уравнения Гельмгольца и во временной области на основе классического скалярного волнового уравнения. В частотной области можно использовать FEM-, BEM-, а также гибридную FEM-BEM формулировки. Во временной области можно использовать неявную на основе FEM и явную на основе DG-FEM схемы интегрирования по времени.

Для построения моделей доступен большой перечень граничных условий. Так, границу можно задать как жесткую/мягкую стенку или указать её импеданс. Можно использовать порты для возбуждения и поглощения акустических волн определенной моды на торцах волноводов, в т.ч. в многомодовом режиме. На внешних или внутренних границах можно задать ускорение, скорость, перемещение или давление. Доступны поглощающие границы, а также условия периодичности, в т.ч. по Флоке.

Модуль «Акустика» также может быть использован для расчёта акустики труб с определением акустического давления и скорости в гибких системах трубопроводов. Среди таких задач исследования систем вентиляции, трубопроводов для волны, нефти и газа, а также музыкальных инструментов.

Электроакустика: спикеры и микрофоны

При моделировании громкоговорителей и микрофонов важен учёт виброакустических эффектов взаимодействия флюида и твердотельных областей. На границе раздела давление флюида нагружает конструкцию, а ускорение тела возбуждает акустические волны. В модуле «Акустика» встроены инструменты для имитации любых форматов виброакустических связок.

Для численного мультифизического моделирования приёмопередатчиков любых видов инструменты модуля «Акустика» эффективно сопрягаются с функциональными возможностями других продуктов программы: модулей «AC/DC», «MEMS» и «Механика конструкций». Магниты и катушки спикеров могут быть смоделированы в явном виде, доступен учёт электростатических сил в конденсаторных системах. Электрические и механические компоненты могут быть заданы как сосредоточенные схемотехнические элементы с использованием электромеханических и электроакустических аналогий. Во всех вариациях реализуется полное двустороннее сопряжение. Для миниатюрных систем, таких как мобильные устройства, конденсаторные микрофоны, слуховые аппараты и т.п., важен и возможен учёт демпфирования в приграничных областях за счёт вязких и термических эффектов. Отдельного внимания заслуживают инструменты для моделирования задач пьезоакустики.

Акустика микросистем

Для высокоточных исследований распространения акустических волн в микросистемах требуется учёт потерь, обусловленных вязкостью и теплопроводностью флюида и проявляющихся в приграничных зонах у границ с твердыми телами. В модуле «Акустика» доступны встроенные инструменты для решения таких задач термовязкостной акустики (в англ. thermoviscous acoustics). Очень часто потребность таких детализированных расчётов возникает в задачах электроакустики при моделировании микрофонов, мобильных устройств, слуховых аппаратов и MEMS-компонентов. Для этих целей в программе реализованы соответствующие виброакустические связки.

Важно отметить, что в программе реализован учёт перехода от адиабатического к изотермическому режиму в таких системах на низких частотах. Во временной области можно исследовать образование и срыв акустических вихрей (в англ. vortex shedding) в портах или перфорациях с помощью специальных нелинейных моделей. Для узких трубок и микроволноводов можно проводить анализ распространяющихся и затухающих мод.

Упругие волны и распространение ультразвука в твердых телах

Распространение звука в твердых телах сопровождается малыми по амплитуде упругими осцилляциями структуры. Эти упругие волны могут передаваться в окружающую жидкость или газ как обыкновенные акустические волны.

Вы можете использовать модуль «Акустика» для моделирования распространения упругих волн в твердых телах и пористых материалах в системах вибрационного контроля, неразрушающего контроля (в англ. NDT) и механической обратной связи. Области применения включают как акустоэлектронные и микромеханические устройства, так и задачи сейсмофизики. Задачи распространения упругих волн во временной области на большие расстояния, значительно превышающие длину волны, эффективно решать с помощью DG-FEM технологии высокого порядка с явной схемой интегрирования по времени. При этом доступны мультифизические виброакустические и пьезоэлектрические связки. Реализованная динамическая формулировка позволяет учитывать продольные и поперечные упругие волны.

Кроме того, доступны инструменты для описания упругих колебаний и волн в частотной области в пороакустических средах на основе теории Био.

 

Ультразвук в жидкостях и газах

Акустические возмущения на неслышимых человеческим ухом частотах классифицируются как ультразвук. Ультразвуковые волны имеют малые длины волн. Пользователи модуля «Акустика» могут моделировать распространение акустических волн в жидкостях или газах, в т.ч. с учётом фоновых потоков флюида или с учётом нелинейных эффектов.

Решение задач, в которых исследуется распространение акустических волн в системах с размерами, значительно превышающими длину волны, основано на конвекционном волновом уравнении. Типовые области применения: времяпролетные расходомеры, системы выхлопа, биомедицинские устройства, в т.ч. системы для ультразвуковых исследований (УЗИ) и формирования ультразвука высокой интенсивности (в англ. HIFU).

При моделировании нелинейных акустических задач и высокоинтенсивного ультразвука возможно исследование режимов, при которых интегральные нелинейные эффекты преобладают над локальными, например при формировании и распространении ударных волн.

Аэроакустика

Инструменты модуля «Акустика» позволяют решать задачи вычислительной аэроакустики в два шага. В рамках первого шага, вычисляются характеристики CFD-потока с помощью интерфейсов модуля «Вычислительная гидродинамика». Затем на втором шаге на его фоне решается акустическая задача.

Для этих целей можно использовать FEM-формулировки на основе линеаризованных уравнений Навье-Стокса, Эйлера или потенциального потока. Доступен расчёт осцилляций акустического давления, плотности, скорости и температуры при учёте фонового стационарного изотермического или неизотермического потока, а также конвекционных эффектов, потерь, отражения и дифракции волн в нём. Возможно проведение виброакустических аэроакустических исследований в частотной области.

Для учёта индуцируемого потоком шума (в англ. flow-induced noise) в рамках стандартной формулировки для акустики жидкости и газа можно использовать аналогию Лайтхилла (в англ. Lighthill's acoustic analogy), которая описывает источник шума на основе данных гидродинамического расчёта во временной области с использованием модели крупных вихрей (в англ. LES).

Геометрическая акустика

В модуле «Акустика» доступны инструменты для инженерного моделирования больших акустических систем на высоких частотах, т.е. в случае если акустическая длина волны намного меньше характерного размера геометрических элементов. Можно использовать формулировку геометрической акустики или акустической диффузии.

Формулировка геометрической акустики позволяет рассчитывать траектории, фазу и интенсивность акустических лучей. Инструменты постобработки позволяет вычислять импульсные отклики, затухание энергии и другие классические для индустрии акустические метрики. Доступна трассировка лучей в среде с неоднородными свойствами, что актуально для задач атмосферной акустики и акустики океана. В этом случае можно использовать специальные встроенные модели материала, учитывающие зависимость скорости звука и демпфирования от вертикальной координаты и свойств среды.

Формулировка на основе уравнения акустической диффузии позволяет исследовать распределение звука в связанных помещениях, а также времена реверберации. Эта методика подходит для упрощенных быстрых оценок акустики в зданиях и аналогичных системах.

Основные функциональные возможности модуля «Акустика»

Ниже систематизированы и описаны ключевые инструменты модуля «Акустика» для типовых областей его применения.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели показан корневой узел, в графическом окне показана модель акустического глушителя.

Встроенные физические интерфейсы

Модуль «Акустика» содержит в своем составе встроенные физические интерфейсы для всех направлений акустических расчётов, указанных выше, а также несколько их специализированных вариаций. Данные интерфейсы включают модели материала, граничные и начальные условия, условия для описания источников. Под них подстраиваются настройки сеток, исследований и используемых конфигураций солверов для расчётов в статике и динамике, а также инструменты визуализации и постобработки результатов. Все эти узлы доступны через UI COMSOL Multiphysics®, в т.ч. их настройки можно редактировать вручную.

Рабочий процесс построения акустических моделей ничем схож с аналогичными этапами для любой другой физики. Этот факт позволяет с легкостью реализовать мультифизические связки, доступные как непосредственно в модуле «Акустика», так и в других модулях расширения COMSOL®

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели показан узел интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Elements, в графическом окне показана модель акустики головы человека.

Интерфейсы для моделирования акустики жидкости и газа

Для моделирования акустики жидкости и газа доступен целый ряд физических интерфейсов, построенных на расчёт скалярного акустического давления. Базовые интерфейсы этой группы основаны на методе конечных элементов и содержат формулировки для частотной и временной областей. В рамках второй временной формулировки можно учесть нелинейные эффекты с помощью модели Вестервельда.

Для эффективного решения задач излучения и рассеяния доступен интерфейс на основе метода граничных элементов, который может быть легко связан встроенными инструментами с акустическими и механическими интерфейсами на основе метода конечных элементов.

Для эффективного решения задач во временной области доступен интерфейс на основе разрывного метода Галеркина под явную схему интегрирования во времени. Данный интерфейс может использоваться совместно с аналогичными DG-FEM интерфейсами для расчёта упругих волн, в т.ч. в пьезоматериалах.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели показан узел Wall, в графическом окне показана модель рассеяние звука на подводной лодке.

Высокочастотная акустика жидкости и газа

В состав пакета включены два специализированных интерфейса для расчёта акустики жидкости и газа в частотной области на высоких частотах. Их формулировка основана на расчёте интегральных соотношений Кирхгофа–Гельмгольца для задач рассеяния и излучения, соответственно. Результаты таких исследований можно использовать как предварительную оценку перед детализированным и ресурсоёмким исследованием на основе метода конечных или граничных элементов.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели показан узел Piezoelectric Material, в графическом окне показана модель системы для неразрушающего контроля.

Интерфейсы для моделирования упругих волн

В модуле «Акустика» доступны интерфейсы для моделирования распространения линейных упругих волн в твердых телах, пористых материалах и пьезоэлектрических кристаллах, а также готовые мультифические виброакустические связки этих интерфейсов и интерфейсов для расчёта акустики жидкости и газа.

Интерфейс Solid Mechanics можно использовать для расчёта динамики твердого тела в частотной и временной областях. Стоит отметить, граничное условие Port для задания и согласования границ волноводных структур под распространяющиеся моды, в т.ч. в многомодовом режиме.

Интерфейс Poroelastic Waves можно использовать для моделирования распространения волн в пористых средах. При этом учитывается двусторонняя связь между упругими деформациями твердотельной основы и акустическими волнами в заполняющей её жидкости. Интерфейс основан на системе уравнений Био в частотной области, доступен учёт вязких потерь при моделировании скальных пород и грунтов, а также термических и вязких потерь при моделировании звукопоглощающих материалов.

Интерфейс Elastic Waves, основанный на DG-FEM технологии, можно использовать для моделирования распространения на большие расстояния во временной области упругих волн в линейных твердых телах и пьезоматериалах. Доступно виброакустическое сопряжение с аналогичным интерфейсом для моделирования акустических волн во временной области.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели показан узел Background Fluid Flow Coupling, в графическом окне показана модель резонатора Гельмгольца с фоновым потоком.

Интерфейсы для моделирования аэроакустики

В состав пакета включён ряд интерфейсов для моделирования задач конвекционной акустики в частотной и временной областях, а также инструменты для моделирования шума, индуцированного потоком жидкости или газа. Логика реализации расчёта подразумевает разделение задачи на два шага: сначала рассчитывается фоновый поток, затем используется односторонняя связка и учитывается его влияние на распространение акустических волн в среде. При этом могут быть задействованы различные физические интерфейсы и приближения.

Интерфейсы группы Linearized Navier–Stokes позволяют рассчитывать осцилляции акустического давления, скорости и температуры.

Интерфейсы группы Linearized Euler позволяют рассчитывать осцилляции акустического давления, скорости и плотности в случае, если фоновый поток можно описать с помощью приближения идеального газа.

Для упрощенного оценочного расчёта можно использовать интерфейсы группы Linearized Potential Flow. Доступны также специальные интерфейсы для проведения модального анализа и определения распространяющихся и затухающих мод в волноводах и трубках при наличии фонового потока.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели показан узел Exterior Field Calculation, в графическом окне показана модель громкоговорителя.

Отрытые границы и расчёт излучения

Для задания открытых границ в расчётной области можно использовать идеально-согласованные слои (в англ. PML) как в частотной, так и во временной области. В качестве альтернативы можно использовать специальные условия излучения или формулировку на основе метода граничных элементах, в которой автоматически предполагаются открытые внешние границы.

Инструмент Exterior Field Calculation в интерфейсах на основе метода конечных элементов позволит рассчитать давление и производные величины за пределами расчётной области в т.ч. в дальней зоне. В постобработке при этом можно визуализировать диаграммы направленности или рассеяния в 3D и в 2D (с помощью полярных графиков).

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Aeroacoustic Flow Source Coupling, в графическом окне показано распределение давления в системе.

Шум, индуцированный потоком жидкости или газа

Сочетая инструменты модуля «Акустика» и «Вычислительная гидродинамика», пользователи получают возможность проводить расчёты шума, индуцированного потоком жидкости или газа.

Так, в программе реализована методика, основанная на конечно-элементной дискретизации акустической аналогии Лайтхилла. Формулировка уравнений учитывает все зафиксированные или вибрирующие границы твердых тел.

Использование данной технологии подразумевает проведение расчёта гидродинамической задачи во временной области с моделью крупных вихрей для описания турбулентности, которые доступны в модуле «Вычислительная гидродинамика», а затем использование специального источника для интерфейса Pressure Acoustics, доступного в модуле «Акустика».

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Acoustic BEM-FEM Boundary , в графическом окне показана модель расчёта громкоговорителя в корпусе.

Метод конечных элементов и метод граничных элементов

Большая часть физических интерфейсов модуля «Акустика» основана на методе конечных элементов. Для акустики жидкостей и газов также доступна формулировка на основе метода граничных элементов. Формулировки могут быть скомбинированы, в т.ч. при моделировании виброакустических постановок с описанием вибрирующих твердых тел.

Области использования гибридной FEM-BEM постановки включают расчёты преобразователей и других излучателей комплексной формы. Обычно сам преобразователь (пьезоэлектрический или электромагнитный) описывается на основе метода конечных элементов, а окружающее его пространство с помощью метода граничных элементов.

В ряде случаев BEM-интерфейс может быть использован для исключения необходимости задавать условия типа PML и дополнительных инструментов типа Exterior Field Calculations.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Port, в графическом окне показана модель акустического волновода.

Граничные условия и источники при моделировании акустики жидкости и газа

Для задач акустики жидкости и газа доступны различные граничные условия источниковые члены. Среди них жесткие стенки, излучающие и поглощающие границы, условия симметрии и периодичности. Условие Port позволяет возбуждать и согласовывать различные моды на границе. Условие Impedance позволяет учитывать потери на стенках с использованием различных физиологических (модель уха и кожи) и электротехнических моделей (RLC-контуры). С помощью интерфейса для модального анализа можно исследовать и рассчитывать возможные моды в сечения волноводов и трубок. Также доступны условия для описания источников типа монополей, диполей и квадруполей.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Pair Acoustic-Structure Boundary, в графическом окне показана модель пьезоизлучателя.

Интерфейсы для виброакустических задач

В состав продукта входят мультифизические интерфейсы, позволяющие описывать двусторонние связки между акустическими волнами в жидкостях и газах и упругими колебаниями и волнами в твердых телах. Сопряжение реализуется по границе раздела: акустическое давление выступает как нагрузка в механической задаче, а ускорение конструкции воздействует на флюид. Такой тип задач называют виброакустическими.

Доступны формулировки для частотной и временной областей. Твердые тела могут быть изотропными, анизотропными, пористыми или пьезоэлектрическими.

В расчётах можно использовать интерфейсы пониженной размерности для описания оболочек и мембран, которые доступны в модуле «Механика конструкций».

В расчётах можно использовать интерфейсы для описания соединения упругих и жёстких тел через различные шарниры и другие соединения, которые доступны в модуле «Динамика многотельных систем».

Используя инструменты модулей «AC/DC» или «MEMS», можно явно исследовать действие электрических или магнитных сил, в т.ч. магнитострикционные и электрострикционные эффекты.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Thermoviscous Acoustics Model, в графическом окне показана модель расчёта потерь в переходнике для задач акустики слуха.

Интерфейсы для моделирования термовязкостной акустики микросистем

Для высокоточного описания акустики в микросистемах требуется учитывать термические и вязкие потери на уровне управляющих уравнений. Данные возможности доступны в интерфейсах группы Thermoviscous Acoustics, которые позволяют получить на выходе распределения акустического давления, скорости и температуры с использованием системы уравнений Навье-Стокса. Ключевая задача интерфейсов заключается в описании потерь в приграничной зоне, в которой выделяют термические и вязкие погранслои. Доступны формулировки для временной и частотной областей. Во временной области с помощью специальной модели материала возможен учёт нелинейных эффектов.

Типовые примеры использования данных интерфейсов включают модели микропреобразователей и микрофонов и других MEMS-систем.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Convected Wave Equation Model, в графическом окне показана модель времяпролетного расходомера.

Интерфейсы для моделирования ультразвука

Для анализа распространения ультразвуковых импульсов в жидкости или газе на большие расстояния с учётом фонового потока можно использовать интерфейс Convected Wave Equation.

Для моделирования распространения акустических волн высокой интенсивности и учёта нелинейных эффектов образования ударных фронтов можно использовать интерфейс Nonlinear Pressure Acoustics.

В указанных задачах можно использовать условие Absorbing Layers для задания открытых неотражающих границ. Оба интерфейса построены на основе разрывного метода Галеркина и явной схемы интегрирования по времени.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен интерфейса Ray Acoustics, в графическом окне показана модель геометрической акустики небольшого концертного зала.

Интерфейсы для геометрической акустики

В модуле «Акустика» доступны инструменты для инженерного моделирования больших акустических систем на высоких частотах, т.е. в случае если акустическая длина волны намного меньше характерного размера геометрических элементов. Можно использовать интерфейс Ray Acoustics или интерфейс Acoustic Diffusion Equation. В последнем используется упрощенная формулировка на основе т.н. энергетических конечных элементов.

Оба интерфейса рассчитаны на моделирования акустики помещений и концертных залов. Интерфейс Ray Acoustics также можно использовать для моделей открытых пространств, например акустики океана или атмосферы.

Формулировка геометрической акустики позволяет рассчитывать траектории, фазу и интенсивность акустических лучей. Инструменты постобработки позволяет вычислять импульсные отклики, затухание энергии и другие классические для индустрии акустические метрики, такие как T60.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Narrow Region Acoustics, в графическом окне показана модель расчёта термовязкостных потерь в переходнике.

Акустические потери и пороакустика

В интерфейсах группы Pressure Acoustics доступны эквивалентные модели материала для приближенного учёта потерь. Среди них можно выделить модели, описывающие объёмные потери в среде с заданной теплопроводностью и вязкостью, а также специализированные модели потерь в атмосфере и океане.

Ряд приближенных моделей материалов типа Narrow Region Acoustics позволяет приблизительно описывать термические и вязкие потери в приграничных областях для задач с геометриями, имеющие постоянное сечение. Для более комплексных геометрий можно использовать специальное граничное условие Thermoviscous Boundary Layer Impedance (BLI). Такие два варианта дополняют возможности по детальному моделированию потерь с помощью интерфейсов группы Thermoviscous Acoustics

Большой набор эмпирических моделей позволяет описывать пороакустические среды. Они дополняют возможности по детальному моделированию акустики пористых сред с помощью интерфейса Poroelastic Waves.

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 свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе

Все продукты