Модуль Acoustics (Акустика)

Новое приложение: Анализатор малого концертного зала

Это приложение анализирует акустику небольшого концертного зала с помощью интерфейса Ray Acoustics (Геометрическая акустика). В приложении можно задать всенаправленный источник звука, параметры звукопоглощения в стенах, характеристики диффузоров и местоположение микрофона, измеряющего реакцию на импульс. Результаты включают в себя отфильтрованную реакцию на импульс энергии для данного члена ряда Фурье. Основная задача приложения – оптимизировать акустику концертного зала с учетом типа мероприятия, например, концерта классической музыки, джаза или поэтического вечера. В приложении можно удалять звукопоглощающие панели или изменять их материал для получения нужной акустики.

Снимок экрана приложения для моделирования реакции на импульс в концертном зале при заданном всенаправленном источнике звука, местоположении микрофона, параметрах звукопоглощения в стенах и характеристиках диффузоров. Снимок экрана приложения для моделирования реакции на импульс в концертном зале при заданном всенаправленном источнике звука, местоположении микрофона, параметрах звукопоглощения в стенах и характеристиках диффузоров.

Снимок экрана приложения для моделирования реакции на импульс в концертном зале при заданном всенаправленном источнике звука, местоположении микрофона, параметрах звукопоглощения в стенах и характеристиках диффузоров.

Граничное условие импеданса для скалярной акустики в частотной области

В интерфейс Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика в частотной области) добавлено несколько стандартных граничных условий для импеданса, которые моделируют различные акустические эффекты на границе. Эти условия можно использовать для моделирования потерь в пористых пленках и анализа простой механической системы (с аппроксимацией сочетанием потерь, деформации и массы), а также для изучения акустических свойств отверстий волновода и различных частей уха человека. В частности, модели импеданса уха и кожи позволяют добавлять реалистичные звуковые эффекты при разработке и моделировании наушников, слуховых аппаратов, гарнитур и других портативных устройств.

Граничные условия импеданса делятся на несколько категорий с разными параметрами: User defined (Пользовательские), RCL, Physiological (Физиологические), Waveguide-end impedance (Импеданс на выходе волновода), Porous layer (Пористая пленка) и Characteristic-specific impedance (Характеристический импеданс). Обратите внимание, что условия импеданса дают только примерную оценку свойств изучаемых частот, но благодаря очень низкой себестоимости вычислений позволяют моделировать сложные системы в первом приближении.

В зависимости от линейных размеров области пространства возможны следующие параметры модели импеданса:

  • User defined (Пользовательские): на основе произвольного выражения, введенного пользователем.
  • RCL: содержат параметры для всех возможных вариантов контура RCL (эквивалента акустического сопротивления, деформации и инертности). Рис. (a)
  • Physiological (Физиологические): включают в себя модели кожи и уха человека (барабанной перепонки, ушной раковины и всего уха). Рис. (b)
  • Waveguide-end impedance (Импеданс на выходе волновода): модели импеданса на выходе трубки с фланцами и без фланцев. Рис. (c)
  • Porous layer (Пористая пленка): задает толщину пленки и модель пористости (такие же параметры, как и для функции Poroacoustics (Акустика в порах)).
  • Characteristic-specific impedance (Характеристический импеданс): для плоских, сферических и цилиндрических волн.

В примере (d) модель RCL impedance (Импеданс по RCL) используется для изучения механических характеристик измерительного микрофона. Два варианта условий Waveguide-end impedance (Импеданс на выходе волновода) применяются в примере с проверкой открытой трубки, который доступен в библиотеке приложений.

В этой учебной модели универсального соединителя 711 для имитатора ушного канала условие последовательного импеданса по RCL используется для моделирования механических характеристик измерительного микрофона. В этой учебной модели универсального соединителя 711 для имитатора ушного канала условие последовательного импеданса по RCL используется для моделирования механических характеристик измерительного микрофона.

В этой учебной модели универсального соединителя 711 для имитатора ушного канала условие последовательного импеданса по RCL используется для моделирования механических характеристик измерительного микрофона. (d)

Новые дополнительные модели акустики в порах

Коллекция моделей акустики пор в текучих средах пополнилась двумя моделями эквивалентной плотности текучей среды для имитации осадка и текучих сред с примесями – это модели Wood (Вуда) и Williams EDFM (EDFM по Вильямсу). Для модели Delany-Bazley-Miki (Делани – Бэзли – Мики) добавлено несколько новых наборов стандартных параметров.

  • Wood (Вуд): для моделирования текучих сред с примесями, такими как частицы.
  • Williams EDFM (): Модель эффективной плотности текучей среды для анализа распространения акустических волн в осадке.
  • Delany-Bazley-Miki (Делани – Бэзли – Мики): Несколько новых стандартных эмпирических коэффициентов, включая Modified Allard (коэффициент Алларда оптимизированный) и Champoux (коэффициент Шампу).

Точечные диполи для скалярной акустики в частотной области

С математической точки зрения диполь – это система из двух близко расположенных точечных зарядов с противоположными знаками. Диполи возникают в средах, где действуют колебательные силы, например, при вибрациях в небольших объектах. Сложный акустический источник можно разложить и аппроксимировать набором простейших источников (точечных зарядов, диполей и квадруполей).

Диаграммы изобарической поверхности и уровня звукового давления вокруг точечного диполя. Диаграммы изобарической поверхности и уровня звукового давления вокруг точечного диполя.

Диаграммы изобарической поверхности и уровня звукового давления вокруг точечного диполя.

Квадруполи для скалярной акустики в частотной области

С математической точки зрения квадруполь – это система из двух близко расположенных диполей. Сложный акустический источник можно разложить и аппроксимировать набором простейших источников (точечных зарядов, диполей и квадруполей).

Диаграммы изобарической поверхности и уровня звукового давления вокруг точечного квадруполя с поперечной конфигурацией мощности. Диаграммы изобарической поверхности и уровня звукового давления вокруг точечного квадруполя с поперечной конфигурацией мощности.

Диаграммы изобарической поверхности и уровня звукового давления вокруг точечного квадруполя с поперечной конфигурацией мощности.

Граничное условие внутренней скорости для термоакустики

Это условие позволяет задавать скорость на внутренней границе при термоакустических расчетах. С помощью условия можно указывать различные источники, такие как скорость работы диафрагмы в миниатюрном преобразователе, который основан, к примеру, на модели схемы с сосредоточенными параметрами. Составляющие скорости можно задать по отдельности, а давление вдоль границы сделать непрерывным. Кроме того, можно указать параметры теплового режима.

Новые наборы данных, облегчающие оценку и построение графиков для полей в дальней зоне за пределами вычислительной сетки

Наборы данных Parameterized Curve (Параметризованная кривая) и Parameterized Surface (Параметризованная поверхность) теперь позволяют выполнять оценку без использования сетки, если включена опция Only evaluate globally defined expressions (Анализировать только глобальные выражения). С помощью этих наборов данных можно анализировать переменные в дальней зоне за пределами сетки на стандартной параметризованной поверхности или кривой. Новая функция Grid Data Sets (Наборы данных для решетки) позволяет строить объемные и поверхностные графики для дальней зоны за пределами вычислительной области. Разрешающая способность этой сетки задается в окне настроек Grid 3D (Трехмерная сетка).

Диаграмма поля давлений за пределами вычислительной области (сетки) для модели пьезоэлектрического преобразователя типа Tonpilz с набором данных для трехмерной сетки и функцией расчета параметров дальней зоны. График с результатами постобработки преобразователя построен на сетке модели, а результаты постобработки дальней зоны показаны на простой невидимой прямоугольной сетке в пространстве вокруг преобразователя. Диаграмма поля давлений за пределами вычислительной области (сетки) для модели пьезоэлектрического преобразователя типа Tonpilz с набором данных для трехмерной сетки и функцией расчета параметров дальней зоны. График с результатами постобработки преобразователя построен на сетке модели, а результаты постобработки дальней зоны показаны на простой невидимой прямоугольной сетке в пространстве вокруг преобразователя.

Диаграмма поля давлений за пределами вычислительной области (сетки) для модели пьезоэлектрического преобразователя типа Tonpilz с набором данных для трехмерной сетки и функцией расчета параметров дальней зоны. График с результатами постобработки преобразователя построен на сетке модели, а результаты постобработки дальней зоны показаны на простой невидимой прямоугольной сетке в пространстве вокруг преобразователя.

Новые наборы данных для массивов

Добавлен новый набор данных для создания массивов данных, используемых при визуализации периодических решений. В частности, эти массивы данных позволяют визуализировать решения моделей, основанных на граничном условии Floquet periodic (Периодическое по Флоке).

Диаграмма полного давления для модели Porous Absorber (Пористый абсорбер), построенная с помощью новых наборов данных двумерного массива. Диаграмма полного давления для модели Porous Absorber (Пористый абсорбер), построенная с помощью новых наборов данных двумерного массива.

Диаграмма полного давления для модели Porous Absorber (Пористый абсорбер), построенная с помощью новых наборов данных двумерного массива.

Геометрическая акустика: расчет интенсивности в слоистых средах

Теперь расчет интенсивности теперь поддерживается и для слоистых сред, в которых скорость звуковой волны зависит от ее положения в пространстве. Примером такой среды может служить океан, где скорость звука обычно зависит от глубины, так как температура и соленость в толще воды изменяются с глубиной. Интенсивность теперь вычисляется на основе тензора кривизны, а не на основе главной кривизны. В разделе Ray Properties (Характеристики луча) в окне настроек узла Ray Acoustics (Геометрическая акустика) нужно выбрать параметр Using curvature tensor (Использовать тензор кривизны) в блоке Intensity computation (Расчет интенсивности).

Геометрическая акустика: модели текучей среды с затуханием

Характеристики среды дополнены двумя моделями текучей среды для имитации затухания звуковых волн из-за объемных потерь. Затухание высокочастотного звука в воздухе важно учитывать в больших помещениях, таких как коцертные залы. Кроме того, затухание играет большую роль в подводной акустике. Функция Linear elastic (Линейное упругое) с параметром затухания позволяет задать произвольное выражение для коэффициента затухания, а функция Thermally conducting (Теплопроводящее) с параметром вязкости задает классическое выражение для затухания с учетом вязкости и теплопроводности среды.

Геометрическая акустика: Улучшенная поддержка геометрической акустики для характеристик материала, зависящих от частоты

В моделях геометрической акустики характеристики материала, зависящие от частоты или другого свойства луча, теперь можно напрямую задавать в окне настроек Material (Материал), а не в окне настроек Medium Properties (Свойства среды). Для этого все свойства луча нужно указать в новом операторе noenv(), который позволяет включать в выражения для областей количественные параметры, применимые только к лучам.

Геометрическая акустика: прочие улучшения

  • Повышена производительность функции Accumulator (Накопитель) на уровне областей: Расчет переменных в функции Accumulator (Накопитель) на уровне областей теперь выполняется точнее, а также до десяти и более раз быстрее, чем в версии 5.0. Теперь для этих моделей не нужно вручную вносить изменения в последовательность решателя.
  • Новый тип излучения: Функция Release from Data File (Излучение по файлу данных). Теперь начальные позиции и направления лучей можно импортировать из текстового файла.
  • Новый параметр для функции Release from Grid (Излучение с решетки): Теперь параметр Grid type (Тип решетки) может принимать значения All combinations (Все наборы) или Specified combinations (Указанные наборы). Это позволяет точнее управлять исходным положением лучей.

Документация

В руководство пользователя для модуля Acoustics (Акустика) добавлены новые разделы о моделировании. В них содержится информация о моделировании, а также советы, маленькие хитрости и лучшие практики по работе с сетками, решателями и другими элементами.

Новая учебная модель: Анализ резонатора Гельмгольца в различных решателях частотной области

В этой учебной модели имитируется развертка по частоте обобщенного резонатора Гельмгольца – классического контура акустического резонанса, для которого известно теоретическое решение, – чтобы показать работу различных решателей в частотной области. Помимо решателя Stationary (Стационарный) в модели используется решатели Asymptotic waveform evaluation (Асимптотическая оценка волны) и Stationary, Frequency domain-modal (Стационарный для частотной области с модуляцией), каждый из которых получает результат путем экстраполяции нескольких точных решений в развертке по частоте.

В данном примере строится диаграмма зависимости среднего давления в объеме резонатора Гельмгольца от частоты. Реакция вычисляется с помощью стандартного решателя Frequency Domain (Частотная область), решателя Frequency Domain with Asymptotic Waveform Evaluation (AWE) (Частотная область с асимптотической оценкой волны) и решателя Frequency-Domain Modal (Частотная область с модуляцией). В данном примере строится диаграмма зависимости среднего давления в объеме резонатора Гельмгольца от частоты. Реакция вычисляется с помощью стандартного решателя Frequency Domain (Частотная область), решателя Frequency Domain with Asymptotic Waveform Evaluation (AWE) (Частотная область с асимптотической оценкой волны) и решателя Frequency-Domain Modal (Частотная область с модуляцией).

В данном примере строится диаграмма зависимости среднего давления в объеме резонатора Гельмгольца от частоты. Реакция вычисляется с помощью стандартного решателя Frequency Domain (Частотная область), решателя Frequency Domain with Asymptotic Waveform Evaluation (AWE) (Частотная область с асимптотической оценкой волны) и решателя Frequency-Domain Modal (Частотная область с модуляцией).

Новая учебная модель: Пьезоэлектрический преобразователь типа Tonpilz с предварительно напряженным стержнем

В этой учебной модели показано, как анализировать взаимодействие с предварительно напряженной акустической структурой посредством решателя возмущений. Преобразователь типа Tonpilz моделируется при относительно низких частотах, но высокой мощности звука – то есть для типичных рабочих условий преобразователей, используемых в SONAR. Преобразователь состоит из стопки пьезокерамических колец, уложенных между передним и задним грузами, которые соединены центральным стержнем.

Учебная модель демонстрирует использование эффекта предварительного натяжения в стержне. На основе частотной характеристики преобразователя определяется структурная и акустическая реакция устройства, в том числе деформация, напряжение, мощность излучения, уровень звукового давления, кривая передачи по напряжению (TVR) и коэффициент направленного действия (DI) звукового луча. Для работы учебной модели нужны модули Acoustics (Акустика), Structural Mechanics (Механика конструкций) и AC/DC (Переменный/постоянный ток).

Пьезоэлектрический преобразователь Tonpilz используется для возбуждения мощного низкочастотного звука. Преобразователь состоит из стопки пьезокерамических колец, которые уложены между массивными грузами и предварительно натяжены центральным стержнем. Резонансная частота устройства сдерживается передним и задним грузами. В этой учебной модели изучается частотная характеристика преобразователя при предварительном натяжении стержня. На рисунке показана деформация преобразователя типа Tonpilz при частоте 40 кГц. Для работы учебной модели нужны модули Acoustics (Акустика), Structural Mechanics (Механика конструкций) и AC/DC (Переменный/постоянный ток). Пьезоэлектрический преобразователь Tonpilz используется для возбуждения мощного низкочастотного звука. Преобразователь состоит из стопки пьезокерамических колец, которые уложены между массивными грузами и предварительно натяжены центральным стержнем. Резонансная частота устройства сдерживается передним и задним грузами. В этой учебной модели изучается частотная характеристика преобразователя при предварительном натяжении стержня. На рисунке показана деформация преобразователя типа Tonpilz при частоте 40 кГц. Для работы учебной модели нужны модули Acoustics (Акустика), Structural Mechanics (Механика конструкций) и AC/DC (Переменный/постоянный ток).

Пьезоэлектрический преобразователь Tonpilz используется для возбуждения мощного низкочастотного звука. Преобразователь состоит из стопки пьезокерамических колец, которые уложены между массивными грузами и предварительно натяжены центральным стержнем. Резонансная частота устройства сдерживается передним и задним грузами. В этой учебной модели изучается частотная характеристика преобразователя при предварительном натяжении стержня. На рисунке показана деформация преобразователя типа Tonpilz при частоте 40 кГц. Для работы учебной модели нужны модули Acoustics (Акустика), Structural Mechanics (Механика конструкций) и AC/DC (Переменный/постоянный ток).

Обновленные учебные модели

Для демонстрации новых функций обновлены несколько моделей в библиотеке приложений модуля Acoustics (Акустика). Среди них:

  • Open Pipe (Открытая труба): Использует новые граничные условия Waveguide-end impedance (Импеданс на выходе волновода) для круглой трубы с фланцами и без них.
  • Generic 711 Coupler - An Occluded Ear-Canal Simulator (Универсальный соединитель 711 – имитатор ушного канала) и Lumped Receiver Connected to Test Set-Up with a 0.4cc Coupler (Приемник с сосредоточенными параметрами, подключенный к тестовой установке с соединителем 0,4 куб. см): В обеих учебных моделях используется новое граничное условие RCL impedance (Импеданс по RCL).
  • Porous Absorber (Пористый абсорбер) и Reflections off a Water-Sediment Interface (Отражения от границы воды и осадка): В обеих моделях используется новая функция Periodic data set (Набор периодических данных) для представления результатов постобработки.
  • Bessel Panel (Решетка Бесселя): Теперь вычисляется в итеративном решателе.
  • Jet Pipe (Инжекционная труба): Теперь эта модель решается в несколько этапов, а в результатах учитывается зависимость от кольцевой формы.
  • Brüel & Kjær 4134 Condenser Microphone (Емкостный микрофон Brüel & Kjær 4134), Loudspeaker Driver (Электродинамический громкоговоритель), Generic 711 Coupler-An Occluded Ear-Canal Simulator (Универсальный соединитель 711 – имитатор ушного канала) и Reflections off a Water-Sediment Interface (Отражения от границы воды и осадка): Во всех четырех учебных примерах теперь используются стандартные мультифизические связи.

В обновленной модели Jet Pipe (Инжекционная труба) кольцевые свойства поля давления теперь учитываются при постобработке с помощью набора данных Revolution 2D (Двумерные с поворотом). Модель демонстрирует аэродинамические свойства шума, идущего от турбовентилятора. В обновленной модели Jet Pipe (Инжекционная труба) кольцевые свойства поля давления теперь учитываются при постобработке с помощью набора данных Revolution 2D (Двумерные с поворотом). Модель демонстрирует аэродинамические свойства шума, идущего от турбовентилятора.

В обновленной модели Jet Pipe (Инжекционная труба) кольцевые свойства поля давления теперь учитываются при постобработке с помощью набора данных Revolution 2D (Двумерные с поворотом). Модель демонстрирует аэродинамические свойства шума, идущего от турбовентилятора.