Обновления модуля Акустика

Пользователи модуля Акустика COMSOL Multiphysics® версии 5.2a получат, в частности, новый интерфейс для моделирования ультразвуковых явлений на основе разрывного метода Галеркина, новый интерфейс для анализа распространяющихся и нераспространяющихся мод в каналах малого размера, а также новый тип графика Directivity (Направленность) для анализа громкоговорителей. Более подробный обзор обновлений модуля Акустика представлен ниже.

Разрывный метод Галеркина для крупномасштабного моделирования акустических волн во временной области

Эффективное моделирование крупномасштабных акустических явлений во временной области

Теперь для моделирования крупномасштабных акустических явлений во временной области представлен новый интерфейс, использующий явный решатель из состава модуля Акустика. Данный интерфейс основан на разрывном методе Галеркина (известном также как DG-FEM или DG) и использует явный решатель по времени, что обеспечивает очень эффективное использование памяти при моделировании. Новый интерфейс называется Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвекционное волновое уравнение с явным указанием времени) и находится в новом узле Ultrasound (Ультразвук) на странице Мастера создания моделей при выборе физических явлений, которые требуется смоделировать.

Изображение импульса давления и поглощающих (губчатых) слоев, представленных в виде областей с наложенной сеткой. Изображение импульса давления и поглощающих (губчатых) слоев, представленных в виде областей с наложенной сеткой.
Изображение импульса давления и поглощающих (губчатых) слоев, представленных в виде областей с наложенной сеткой.

Интерфейс используется для решения нестационарных линейных акустических задач в случаях со стационарным фоновым потоком на больших (по сравнению с длиной волны) расстояниях или без таких потоков. В числе областей применения — ультразвуковые расходомеры и дальномеры, а также другие ультразвуковые датчики, в которых важным параметром является время прохождения сигнала. Область применения не ограничена задачами ультразвука: она также может включать нестационарное распространение звуковых импульсов в помещениях или салонах автомобилей.

Интерфейс Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвекционное волновое уравнение с явным указанием времени) также включает аналогичную функцию области Absorbing Layers (Поглощающие слои), которая используется для симуляции безэхового окружения с помощью функции, аналогичной неотражающему граничному условию. Интерфейс решает линеаризованные уравнения Эйлера в предположении адиабатического состояния; зависимые переменные — возмущения акустического давления и скорости звука. В роли фонового потока может выступать любой стационарный поток с малыми или умеренными градиентами скорости. Механизмы учета потерь в интерфейсе отсутствуют.

Показана модель ультразвукового расходомера (времяпролетная конфигурация), в которой сигнал с частотой 2 МГц распространяется вдоль канала течения со средней скоростью 10 м/с. Эта трехмерная модель доступна в Библиотеке приложений модуля Акустика (она называется Ultrasound Flow Meter with Generic Time-of-Flight Configuration (Ультразвуковой расходомер с времяпролетной конфигурацией общего вида)). В ней используется 16 миллионов степеней свободы, и она потребляет 10 ГБ ОЗУ.

Путь к примеру, в котором иллюстрируется новый разрывный метод Галеркина и интерфейс Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвекционное волновое уравнение с явным указанием времени), в Библиотеке приложений:

Acoustics_Module/Ultrasound/ultrasound_flow_meter_generic

Путь к примеру, в котором используется новый интерфейс Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвекционное волновое уравнение с явным указанием времени) и функция области Absorbing Layers (Поглощающие слои), в Библиотеке приложений:

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_absorbing_layers

 
Анимация, демонстрирующая непрерывный синусоидальный импульс давления в плоскости симметрии модели.
 
Анимация демонстрирует гауссовские колебания давления на плоскости симметрии модели с добавленными деформациями. Волны поглощаются на поглощающих слоях на левом и правом крае основного канала течения.

Новый интерфейс Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвекционное волновое уравнение с явным указанием времени)

Новый интерфейс Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвекционное волновое уравнение с явным указанием времени) включает в себя следующие условия области и граничные условия:

  • Convected Wave Equation Model (Модель конвекционного волнового уравнения): определяет управляющие уравнения для модели.
  • Sound Hard Wall (Акустическая жесткая стенка): определяет акустические жесткие границы/стенки.
  • Initial Values (Исходные значения): устанавливает исходные значения зависимых переменных.
  • Domain Sources (Источники в области): добавляет к модели источник в области для моделирования приложения к жидкости внешнего усилия.
  • Pressure (Давление): определяет источник давления на внешней границе.
  • Symmetry (Симметрия): применимо при наличии симметричных элементов в модели.
  • Normal Velocity (Нормальная скорость): определяет на внешней границе источник, представляющий собой вибрирующую поверхность, например преобразователь.
  • Acoustic Impedance (Акустическое сопротивление): используется для моделирования условия сопротивления или в качестве простого условия излучения.
  • General Flux/Source (Обобщенный поток/источник): задает обобщенный поток в структуре DG на внешней границе.
  • General Interior Flux (Обобщенный внутренний поток): задает обобщенное условие для внутреннего потока в структуре DG.

Новое условие области Absorbing Layers (Поглощающие слои)

Поглощающие слои, иногда называемые губчатыми, используются для усечения области вычислений. Функция Absorbing Layers (Поглощающие слои) объединяет следующие три инструмента:

  1. Систему масштабирования, замедляющую распространяющиеся волны.
  2. Фильтрацию в поглощающем слое, гасящую высокочастотные компоненты.
  3. Внешнее неотражающее условие первого порядка (условие полного сопротивления).

В совокупности данные инструменты могут сократить амплитуду паразитно отражающихся волн до 1 000 раз. Представленные анимации относятся к новым учебным моделям Gaussian Pulse in 2D Uniform Flow: Convected Wave Equation (Гауссовский импульс в двухмерном равномерном потоке: конвекционное волновое уравнение) и Absorbing Layers (Поглощающие слои), в которой распространяющиеся акустические волны поглощаются поглощающими слоями.

Путь в Библиотеке приложений к примеру, использующему новую функцию области Absorbing Layers (Поглощающие слои):

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_absorbing_layers

 
Анимация колебаний давления из учебной модели Gaussian Pulse...Absorbing Layers (Гауссов импульс... поглощающие слои). Слева: анимация всей вычисляемой области, включая поглощающие слои. Справа: анимация физически значимой области.

Новая учебная модель: Ultrasound Flow Meter with Generic Time-of-Flight Configuration (Ультразвуковой расходомер с времяпролетной конфигурацией общего вида)

Во всех задачах, где текучая среда переносит вещество или энергию, важно знать скорость потока среды. Во времяпролетном, или время-импульсном, бесконтактном методе определения скорости потока происходит передача ультразвукового сигнала по основному потоку в трубе. Сигнал, направленный под углом к потоку, будет двигаться быстрее скорости звука, если он двигается по потоку, и медленнее скорости звука, если он двигается против потока. Разность времени движения в разных направлениях линейно возрастает вместе со скоростью самого потока. Расходомеры такого типа нашли множество применений, в основном в промышленности.

Эта учебная модель демонстрирует, как моделировать врезной времяпролетный ультразвуковой расходомер общего вида с помощью модуля Акустика. Модель решает нестационарную задачу распространения сигнала поперек направления потока. Сначала используется модуль Вычислительная гидродинамика, который рассчитывает стационарный фоновый поток через расходомер. Данные о сигнале, двигающемся против направления потока, рассчитаны заранее и импортируются. Разность времен прибытия используется для получения оценки скорости основного потока. При этом используется физический интерфейс Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвекционное волновое уравнение с явным указанием времени), расположенный в узле Ultrasound (Ультразвук), хорошо подходящий для нестационарных высокочастотных задач. Этот интерфейс основан на разрывном методе Галеркина (DG-FEM).

Путь в Библиотеке приложений:

Acoustics_Module/Ultrasound/ultrasound_flow_meter_generic

ПРИМЕЧАНИЕ. Для этой модели необходим модуль Акустика и либо модуль Вычислительная гидродинамика, либо модуль Теплопередача.

Распределение давления в переданном сигнале, изображение в плоскости симметрии расходомера в момент времени t = 5 мс. Распределение давления в переданном сигнале, изображение в плоскости симметрии расходомера в момент времени t = 5 мс.
Среднее давление на приемнике для двух импульсов, двигающихся по потоку и против потока. Разность времен используется для вычисления средней скорости потока в основном канале. Среднее давление на приемнике для двух импульсов, двигающихся по потоку и против потока. Разность времен используется для вычисления средней скорости потока в основном канале.
Слева: распределение давления в переданном сигнале, изображение в плоскости симметрии расходомера в момент времени t = 5 мс. Справа: среднее давление на приемнике для двух импульсов, двигающихся по потоку и против потока. Разность времен используется для вычисления средней скорости потока в основном канале.

Новая учебная модель: Gaussian Pulse in 2D Uniform Flow: Convected Wave Equation and Absorbing Layers (Гауссов импульс в двумерном равномерном потоке: конвекционное волновое уравнение и поглощающие слои)

Этот небольшой учебный пример воссоздает стандартную тестовую модель для неотражающих условий и поглощающих слоев в системах, подчиняющихся линеаризованным уравнениям типа уравнения Эйлера. Этот пример касается распространения нестационарного гауссова импульса в двумерном равномерном потоке. Интерфейс Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвекционное волновое уравнение с явным указанием времени) решает линеаризованные уравнения Эйлера совместно с адиабатическим уравнением состояния, а также использует поглощающие слои для моделирования бесконечно большой области.

Акустический импульс задается начальным гауссовым распределением в центре вычислительной области. Импульс распространяется в равномерном потоке с большим числом Маха. Для этой задачи существует аналитическое решение, с которым хорошо совпадает численное решение.

Эта модель также показывает, как настроить и использовать поглощающие слои. Их применение позволяет снизить амплитуду паразитных отраженных волн до 1/1000 амплитуды падающей волны.

Путь в Библиотеке приложений:

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_absorbing_layers

Скорость акустической волны в составе конвекционного гауссова импульса, который сталкивается с поглощающим слоем. Скорость акустической волны в составе конвекционного гауссова импульса, который сталкивается с поглощающим слоем.
Сравнение профилей давления в модели COMSOL Multiphysics® (синяя кривая) и в аналитическом решении (зеленые точки) в поперечном сечении по оси x. Пик в правой части относится к импульсу внутри поглощающего слоя и не имеет физического смысла. Сравнение профилей давления в модели COMSOL Multiphysics® (синяя кривая) и в аналитическом решении (зеленые точки) в поперечном сечении по оси x. Пик в правой части относится к импульсу внутри поглощающего слоя и не имеет физического смысла.
Слева: скорость акустической волны в составе конвекционного гауссова импульса, который сталкивается с поглощающим слоем. Справа: сравнение профилей давления в модели COMSOL Multiphysics® (синяя кривая) и в аналитическом решении (зеленые точки) в поперечном сечении по оси x. Пик в правой части относится к импульсу внутри поглощающего слоя и не имеет физического смысла.

Новый интерфейс физики Thermoviscous Acoustics, Boundary Mode (Термовязкостная акустика, граничные моды)

При акустическом анализе смартфонов и прочих миниатюрных электронных устройств важно влияние потерь на внутреннее трение и теплопроводности из-за явлений, возникающих в пограничных слоях вблизи стенок. Толщина этих слоев называется вязкой глубиной и глубиной теплопроницаемости. Интерфейс Thermoviscous Acoustics, Boundary Mode (Термовязкостная акустика, граничные моды) вычисляет и определяет распространяющиеся и затухающие волны в волноводах и каналах. Этот интерфейс выполняет анализ граничных мод на границе, входе, поперечном сечении волновода или канале малого геометрического размера. Учитываются тепловые потери и потери на внутреннее трение, которые ведут к появлению важных эффектов в пограничных акустических слоях вблизи стенок. Интерфейс рассчитывает колебания давления звука, скорости и температуры, а также поперечные волновые числа найденных мод.

Пример анализа волновода размером 0,5 мм × 2 мм. График показывает давление для первых трех мод на частоте 100 Гц. Пример анализа волновода размером 0,5 мм × 2 мм. График показывает давление для первых трех мод на частоте 100 Гц.
Пример анализа волновода размером 0,5 мм × 2 мм. График показывает поперечную акустическую скорость для первых трех мод на частоте 100 Гц. Пример анализа волновода размером 0,5 мм × 2 мм. График показывает поперечную акустическую скорость для первых трех мод на частоте 100 Гц.
Пример анализа волновода размером 0,5 мм × 2 мм. График показывает акустические температурные колебания для первых трех мод на частоте 100 Гц. Пример анализа волновода размером 0,5 мм × 2 мм. График показывает акустические температурные колебания для первых трех мод на частоте 100 Гц.
Пример анализа волновода размером 0,5 мм × 2 мм. График показывает давление (слева), поперечную акустическую скорость (в центре) и колебания температуры (справа) для первых трех мод на частоте 100 Гц. Первая (распространяющаяся) мода имеет волновое число kn = 2,58-1,31i 1/м, две другие — затухающие моды с волновыми числами 2970,6-7134,7i и 2904,8-7635,9i соответственно. Цветовые шкалы на рисунках различаются.

Кроме моделей с каналами малого размера, такими как слуховые аппараты и мобильные устройства, интерфейс Thermoviscous Acoustics, Boundary Mode (Термовязкостная акустика, граничные моды) можно использовать для расчета волновых чисел распространяющихся волн и характеристического импеданса поперечного сечения канала. На следующем этапе анализа эту информацию можно использовать как входные данные для функции Narrow Region Acoustics (Акустика в узких областях) интерфейса Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область).

Интерфейс работает с трехмерными и двухмерными осесимметричными моделями и применяется к границам. Он решает уравнения, определяемые линеаризованными уравнениями Навье – Стокса (линеаризованные уравнения непрерывности, сохранения импульса и энергии), в условиях стационарного фона и находит поперечные волновые числа на заданной частоте.

Фоновые акустические поля в интерфейсах Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика) (формулировка поля рассеяния)

Интерфейсы Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика) теперь включают опцию формулировки поля рассеяния. Теперь вы можете добавить к модели фоновое акустическое поле. Фоновое поле может быть задано пользователем (User defined) или в виде планарной волны (Plane wave).

В случае задания пользователем определяется выражение для давления, акустической скорости и колебаний температуры. Эти данные можно также взять из решений другой акустической модели, определяющей фоновое поле. В случае плоской волны задается распространяющаяся планарная волна, для которой вязкостные и тепловые потери определяются из физических соображений.

С этой новой возможностью можно создавать простые источники для моделирования передачи акустических сигналов, в которых важно учитывать вязкостные и тепловые потери, или изучать рассеяние на небольших объектах (по сравнению с акустическими граничными слоями). Пример расширенного применения этой функциональной возможности — сопряжение с интерфейсом Thermoviscous Acoustics, Boundary Mode (Термовязкостная акустика, граничные волны), позволяющее создавать источники на входах волноводов.

Путь к примеру, использующему новую функциональную возможность фоновых акустических полей в термовязкостной акустике, в Библиотеке приложений:

Acoustics_Module/Tutorials/transfer_impedance_perforate

Результаты расчета передаточного полного сопротивления в учебной модели Perforate (Перфорация), который использует новую функциональную возможность фоновых акустических полей (Background Acoustic Fields) для задания падающего поля на одной из сторон. Цветной график показывает акустическую скорость внутри отверстий перфорированной пластины, а линейный график показывает передаточное полное сопротивление, рассчитанное COMSOL Multiphysics®, в сравнении с полуаналитической моделью. Результаты расчета передаточного полного сопротивления в учебной модели Perforate (Перфорация), который использует новую функциональную возможность фоновых акустических полей (Background Acoustic Fields) для задания падающего поля на одной из сторон. Цветной график показывает акустическую скорость внутри отверстий перфорированной пластины, а линейный график показывает передаточное полное сопротивление, рассчитанное COMSOL Multiphysics®, в сравнении с полуаналитической моделью.
Результаты расчета передаточного полного сопротивления в учебной модели Perforate (Перфорация), который использует новую функциональную возможность фоновых акустических полей (Background Acoustic Fields) для задания падающего поля на одной из сторон. Цветной график показывает акустическую скорость внутри отверстий перфорированной пластины, а линейный график показывает передаточное полное сопротивление, рассчитанное COMSOL Multiphysics®, в сравнении с полуаналитической моделью.

Новая учебная модель: Transfer Impedance of a Perforate (Передаточное полное сопротивление перфорированной пластины)

Перфорированной называется пластина с большим числом мелких отверстий. Такие пластины используются для систем глушителей, звукопоглощающих панелей и других акустических устройств, где важно контролировать звукопоглощение. Чем мельче становятся отверстия, тем важнее учитывать вязкостные и тепловые потери. Можно управлять степенью поглощения звука, зависящей от частоты, изменяя размер отверстий и их распределение в пластине.

Несмотря на то, что перфорированные пластины изучают много лет, аналитические и полуаналитические модели применимы только для простых геометрий. Для случаев с переменным поперечным сечением отверстий, конусообразными отверстиями или неравномерным распределением отверстий необходим численный подход.

В этой учебной модели подробный расчет проводится с помощью интерфейса Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain (Термовязкостная акустика, частотная область). Хотя при высоких уровнях звука или в присутствии потока через перфорированную пластину возникают нелинейные механизмы потерь, эта учебная модель рассматривает только линейные потери на вязкость и теплопроводность. Рассчитываются передаточное полное сопротивление, нормальное полное сопротивление и коэффициент затухания в системе.

Передаточное полное сопротивление сравнивается с полуаналитической моделью. Передаточное полное сопротивление, рассчитанное в этой модели, можно применить в модели более крупной системы с помощью условия внутреннего полного сопротивления из интерфейса Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область).

Путь в Библиотеке приложений:

Acoustics_Module/Tutorials/transfer_impedance_perforate

Сравнение передаточного полного сопротивления перфорированной пластины, рассчитанного с помощью модуля Акустика и с помощью полуаналитической модели. На графике показаны действительная часть, мнимая часть и абсолютное значение передаточного полного сопротивления. Сравнение передаточного полного сопротивления перфорированной пластины, рассчитанного с помощью модуля Акустика и с помощью полуаналитической модели. На графике показаны действительная часть, мнимая часть и абсолютное значение передаточного полного сопротивления.
Колебания акустической температуры внутри отверстий. Ясно виден тепловой граничный слой. Колебания акустической температуры внутри отверстий. Ясно виден тепловой граничный слой.
Слева: сравнение передаточного полного сопротивления перфорированной пластины, рассчитанного с помощью модуля Акустика и с помощью полуаналитической модели. На графике показаны действительная часть, мнимая часть и абсолютное значение передаточного полного сопротивления. Справа: колебания акустической температуры внутри отверстий. Ясно виден тепловой граничный слой.

Новое название: Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика) вместо Thermoacoustics (Термоакустика).

В версии COMSOL Multiphysics® 5.2a все интерфейсы Thermoacoustics (Термоакустика) были переименованы в Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика). Эти интерфейсы предназначены для подробного моделирования тепловых и вязкостных акустических потерь в задачах малых геометрических масштабов, например, в задачах, где важны потери в тепловых и вязкостных акустических граничных слоях. Примеры таких случаев — моделирование микрофонов, мобильных устройств, слуховых аппаратов, миниатюрных преобразователей и т. д. Термин «термоакустика» означает существующий раздел акустики, занимающийся охлаждением и нагреванием с помощью звуковых волн, поэтому термин «термовязкостная акустика» лучше описывает физику, за которую отвечают эти интерфейсы.

Новое название получили интерфейсы

  • Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain (Термовязкостная акустика, частотная область)
  • Thermoviscous Acoustics, Boundary Mode (Термовязкостная акустика, граничные моды) (новый интерфейс)
  • Acoustic-Thermoviscous Acoustic Interaction, Frequency Domain (Взаимодействие между акустикой и термовязкостной акустикой, частотная область)
  • Thermoviscous Acoustic-Structure Interaction, Frequency Domain (Взаимодействие между термовязкостной акустикой и конструкциями, частотная область)

Новый тип графика Directivity (Направленность)

Новый тип графиков, Directivity (Направленность), позволяет инженерам в электроакустике наглядно представить пространственную характеристику громкоговорителя как функцию частоты и угла. Этот график важен для анализа громкоговорителей и других электроакустических преобразователей. Такое представление пространственной характеристики очень широко используется в производстве громкоговорителей, и результаты измерений представляются в таком же виде. График поддерживает множество вариантов форматирования, которые помогут глубже понять результаты моделирования. Вот ряд важнейших возможностей форматирования:

  • Normalization (Нормализация): входные данные о давлении звука можно нормализовать по определенному углу в полярных координатах, по максимальному значению (по каждой частоте) или не использовать нормализацию.
  • Evaluation (Оценка): круг оценки можно задать в любой точке пространства. Также можно задать опорное направление, относительно которого будут отсчитываться углы.
  • Coloring and Style (Цвет и стиль): позволяет изменять формат представления данных — в виде поверхностей с заливкой или линий, добавлять метки. Кроме того, вы сможете с легкостью переключить схему осей и откладывать частоту по оси x или y.
Пример графика Directivity (Направленность), в котором данные нормализованы по направлению в 30 градусов, частота отложена по оси x и к графику были добавлены обозначения.

Пример графика Directivity (Направленность), в котором данные нормализованы по направлению в 30 градусов, частота отложена по оси x и к графику были добавлены обозначения.

Пример графика Directivity (Направленность), в котором данные нормализованы по направлению в 0 градусов, частота отложена по оси y и к графику были добавлены обозначения.

Пример графика Directivity (Направленность), в котором данные нормализованы по направлению в 0 градусов, частота отложена по оси y и к графику были добавлены обозначения.

Пример графика Directivity (Направленность), в котором данные нормализованы по направлению в 30 градусов, частота отложена по оси x и к графику были добавлены обозначения (слева). Та же нормализация данных была применена при направлении в 0 градусов и частоте по оси y (справа).

Фоновые акустические поля в интерфейсах Linearized Navier-Stokes (Линеаризованные уравнения Навье – Стокса) и Linearized Euler (Линеаризованное уравнение Эйлера) в форме поля рассеяния

Интерфейсы Linearized Navier-Stokes (Линеаризованные уравнения Навье – Стокса) и Linearized Euler (Линеаризованное уравнение Эйлера) теперь включают возможность указания поля рассеяния. Эта возможность позволяет добавить к модели фоновые акустические поля. Для их указания можно ввести пользовательские выражения для давления, акустической скорости и колебаний температуры. Это могут быть аналитические выражения, задающие волну определенного типа, или решение другой акустической модели.

Первоначально эта функциональная возможность в интерфейсе Linearized Euler (Линеаризованное уравнение Эйлера) называлась Incident Acoustics Fields (Падающие акустические поля), но после обновления и улучшения она называется Background Acoustics Fields (Фоновые акустические поля).

Геометрическая акустика: вычислить мощность луча и уровень звукового давления на поверхности

Новые возможности для вычисления мощности луча появились в интерфейсе Ray Acoustics (Геометрическая акустика). Для вычислений можно выбрать один из четырех вариантов:

  1. Compute intensity (Вычислить интенсивность) (ранее назывался Using principal curvatures (По главной кривизне))
  2. Compute intensity and power (Вычислить интенсивность и мощность)
  3. Compute intensity in graded media (Вычислить интенсивность в градиентной среде) (ранее назывался Using curvature tensor (По тензору кривизны))
  4. Compute intensity and power in graded media (Вычислить интенсивность и мощность в градиентной среде)

Для варианта Ray Power (Мощность луча) вы можете добавить вычисление Sound Pressure Level Calculation (Вычисление уровня звукового давления) к условию Wall (Стенка). Эта функциональная возможность рассчитывает уровень звукового давления на поверхности, учитывая влияние свойств самой поверхности, например, коэффициента поглощения. Эти переменные можно легко построить с использованием узла Results (Результаты).

Пример в Галерее приложений, рассчитывающий мощность луча и уровень звукового давления на поверхности:

Акустика небольшого концертного зала

Новая настройка для расчета мощности лучей в Ray Acoustics (Геометрическая акустика). Показано окно Settings (Настройки), в котором можно выбрать параметр Intensity computation (Вычисление интенсивности).

Новая настройка для расчета мощности лучей в Ray Acoustics (Геометрическая акустика). Показано окно Settings (Настройки), в котором можно выбрать параметр Intensity computation (Вычисление интенсивности).

Снимок экрана учебной модели Small Concert Hall Acoustics (Акустика небольшого концертного зала). Цветом выделен узел Sound Pressure Level Calculation (Вычисление уровня давления звука).

Снимок экрана учебной модели Small Concert Hall Acoustics (Акустика небольшого концертного зала). Цветом выделен узел Sound Pressure Level Calculation (Вычисление уровня давления звука).

Новые возможности вычисления мощности луча для геометрической акустики: окно Settings (Настройки), в котором можно выбрать вариант вычислений Intensity computation (Вычисление интенсивности) (слева), и снимок экрана из учебной модели Small Concert Hall Acoustics (Акустика небольшого концертного зала) с выбранным узлом Sound Pressure Level Calculation (Вычисление уровня звукового давления) (справа).

Геометрическая акустика: трассировка лучей без сетки

Интерфейс Ray Acoustics (Геометрическая акустика) теперь не требует сетки в случае однородной среды (неградиентной среды). В этом случае параметры материалов для окружающей среды можно задать глобально. Модель должна включать хотя бы одно граничное условие, например стенку или разрыв в материале. Лучи могут распространяться в среде без сетки на большие расстояния, а также испускаться и распространяться за пределами геометрии модели. Это можно использовать, например, для моделирования большого концертного зала.

Новые возможности для конического испускания лучей

При моделировании испускания лучей с коническим распределением исходных направлений можно задействовать новые опции. Лучи могут испускаться с однородной плотностью в пространстве волновых векторов таким образом, чтобы каждый луч стягивал один и тот же телесный угол. Также вы можете раздельно задать плотность лучей в полярном и азимутальном направлении. Кроме того, встроенные опции позволяют выполнять испускание только краевых лучей как с осевым лучом, так и без него.

Сферические и цилиндрические волны для полей фонового давления и падающих полей в скалярной акустике

Функциональные возможности Background Pressure Field (Фоновое поле давления) и Incident Pressure Field (Падающее поле давления), подузлы условий излучения в интерфейсе Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область) теперь включают цилиндрические и сферические волны. Теперь проще задавать сложные падающие или фоновые акустические поля. Поля, создаваемые внешними точечными источниками или колеблющимися телами малых размеров, можно приближенно описать источником типа монополя.

Выберите тип поля давления Cylindrical wave (Цилиндрическая волна) или Spherical wave (Сферическая волна) для скалярной акустики. Выберите тип поля давления Cylindrical wave (Цилиндрическая волна) или Spherical wave (Сферическая волна) для скалярной акустики.
Пример рассеяния в двухмерном пространстве; по часовой стрелке, начиная с левого верхнего угла, показаны поле полного акустического давления, уровень полного давления звука, рассеянное давление и фоновое давление цилиндрической волны. Пример рассеяния в двухмерном пространстве; по часовой стрелке, начиная с левого верхнего угла, показаны поле полного акустического давления, уровень полного давления звука, рассеянное давление и фоновое давление цилиндрической волны.
Слева: выберите тип поля давления Cylindrical wave (Цилиндрическая волна) или Spherical wave (Сферическая волна) для скалярной акустики. Справа: пример рассеяния в двухмерном пространстве; по часовой стрелке, начиная с левого верхнего угла, показаны поле полного акустического давления, уровень полного давления звука, рассеянное давление и фоновое давление цилиндрической волны.

Электроакустические взаимосвязи для громкоговорителей

Новые и обновленные функциональные возможности упрощают и расширяют электромагнитные взаимосвязи, используемые в преобразователях энергии, например в катушках. Это важно для моделирования громкоговорителей. Область Coil (Катушка) теперь поддерживает указание скорости, обусловленной силой Лоренца, в трехмерных и двухмерных осесимметричных задачах. В задачах механики конструкций вклад силы Лоренца можно автоматически учесть в виде объемной нагрузки. Эта возможность демонстрируется в модели электродинамического громкоговорителя в Галерее приложений и в Библиотеке приложений.

Путь к примеру, использующему новые возможности области Multi-Turn Coil (Многовитковая катушка), в Библиотеке приложений:

Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/loudspeaker_driver

Модель электродинамического громкоговорителя (Loudspeaker Driver) использует новые электроакустические взаимосвязи. Модель электродинамического громкоговорителя (Loudspeaker Driver) использует новые электроакустические взаимосвязи.
Модель электродинамического громкоговорителя (Loudspeaker Driver) использует новые электроакустические взаимосвязи.

Обновленная учебная модель: Loudspeaker Driver (Электродинамический громкоговоритель)

Модель электродинамического громкоговорителя теперь использует новые автоматические электромагнитные взаимосвязи между движущейся катушкой и магнитным полем. К области Coil (Катушка) добавлено указание скорости, обусловленной силой Лоренца, и вклад силы Лоренца учитывается при расчете граничной нагрузки в механике конструкций. Новая функциональная возможность избавляет пользователей от необходимости самим задавать эти мультифизические взаимосвязи.

ПРИМЕЧАНИЕ. Для этой модели требуются модули Акустика и AC/DC.

Путь в Библиотеке приложений:

Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/loudspeaker_driver

Новые настройки частотного анализа — Logarithmic Frequencies (Логарифмические частоты) и ISO Preferred Frequencies (Предпочтительные частоты по ISO)

Два новых метода ввода добавлены для задания развертки по частоте в исследовании:
  1. Logarithmic (Логарифмические частоты): введите верхнюю и нижнюю границы диапазона частот и число частот на декаду. Эта возможность доступна в COMSOL Multiphysics® и не требует модулей расширения.

  2. ISO preferred frequencies (Предпочтительные частоты по ISO): выберите верхнюю и нижнюю границы диапазона частот и желаемый октавный интервал (октава, 1/3 октавы, 1/6 октавы, 1/12 октавы или 1/24 октавы).

    1. Определение предпочтительных частот в интервале 1/3 октавы основано на стандарте ISO 266. Это определение расширяется на октавные интервалы в 1/6 октавы, 1/12 октавы и 1/24 октавы с использованием предпочтительных чисел из стандарта ISO 3 (последовательности R20, R40 и R80). Обратите внимание, что для использования этой возможности нужно выбрать пункт меню Show > Advanced Study Options (Показать > Дополнительные параметры исследования) в панели инструментов Построителя моделей.

Обновления для идеально согласованных слоев

В функцию Perfectly Matched Layer (Идеально согласованный слой) были добавлены опции, позволяющие настроить характеристики слоя:

  • Опция Enable/disable PMLs (Включить/выключить идеально согласованные слои) в решателе будет полезна при моделировании задач о рассеянии, в которых источником выступает рассчитанное поле.
  • Опция пользовательской геометрии используется в случае, если идеально согласованный слой обладает нестандартной геометрической структурой, а также в тех случаях, когда автоматическое определение геометрической структуры идеально согласованного слоя не работает.
  • Для определения масштабирования идеально согласованного слоя вы можете воспользоваться функцией пользовательского растяжения координатной сетки. Благодаря этому возможно точно настроить масштабирование внутри идеально согласованного слоя, например, для очень эффективного поглощения волн при определенных конфигурациях физических явлений.

Прочие улучшения и важные исправления ошибок

  • Для графиков в дальней области спектра теперь можно выбрать опорное направление, от которого будут отсчитываться углы.
  • Опция вычисления температуры в интерфейсе Compressible Potential Flow (Сжимаемый потенциальный поток).
  • В интерфейс Compressible Potential Flow (Сжимаемый потенциальный поток) добавлены два новых граничных условия: Interior Wall (Slip Velocity) (Внутренняя стенка (скорость проскальзывания)) и Mean Flow Velocity Potential (Потенциал скорости среднего потока). Также появилась возможность автоматического расчета поля температуры в потоке, которая используется для задания фонового потока в модели Linearized Potential Flow (Линеаризованный потенциальный поток).
  • Два новых тепловых граничных условия добавлены к интерфейсу Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain (Термовязкостная акустика, частотная область):
    • Условие Heat Flux (Тепловой поток) используется для импульсных тепловых источников, генерирующих звуковые волны.
    • Условие Interior Temperature Variation (Внутренние колебания температуры) используется в таких задачах, как моделирование тонкой пластины с гармоническими колебаниями температуры, вызванными резистивным нагревом от переменного тока.
  • Вместе с переименованием функциональной возможности Incident Acoustics Fields (Падающие акустические поля), которая теперь называется Background Acoustics Fields (Фоновые акустические поля) и относится к интерфейсу Linearized Euler (Линеаризованное уравнение Эйлера), названия всех переменных с суффиксом _i изменены на _b.
  • Переменные, включающие производные по времени, в интерфейсах Linearized Navier-Stokes (Линеаризованные уравнения Навье-Стокса) и Linearized Euler (Линеаризованное уравнение Эйлера) поменяли имена: с p_t на pt, с u_t на ut, с rho_t на rhot, с T_t на Tt.
  • Добавлены два точечных источника в интерфейсе Acoustic Diffusion Equation (Уравнение акустической диффузии).

Обновленная учебная модель: Acoustic Streaming in a Microchannel Cross Section (Акустическое течение в поперечном сечении микроканала)

Последние достижения в производстве микрожидкостных систем требуют манипуляций живыми клетками и другими микрочастицами, а также их смешивания. Этого можно добиться с помощью сил акустического излучения и сил вязкого сопротивления со стороны обтекающего потока.

  1. Потоки: ввиду нелинейной природы уравнений Навье – Стокса гармонические возмущения потока приводят к формированию усредненного по времени потока, который называется акустическим течением.
    1. Акустическое течение является акустическим эффектом второго порядка (нелинейным). Существует два способа его моделирования.
      1. Путем решения нелинейных уравнений Навье – Стокса через непосредственное моделирование
      2. или, как показано здесь, путем разделения временных масштабов.
  2. Сила излучения: ввиду наличия нелинейных членов в определяющих уравнениях момент может передаваться от акустического поля частицам.
    1. В результате на частицы действует определенная результирующая сила — сила акустического излучения.

Траектория частиц в устройствах будет определяться равновесием между силой вязкого сопротивления (со стороны ламинарного течения) и силой акустического излучения. В этой модели показано, как можно учесть и моделировать обе эти силы с помощью модуля Акустика пакета COMSOL Multiphysics®.

Ссылка на модель в Галерее приложений:

Акустическое течение в поперечном сечении микроканала

Акустический обтекающий поток внутри поперечного сечения микроканала. Акустический обтекающий поток внутри поперечного сечения микроканала.
 
Слева: акустический обтекающий поток внутри поперечного сечения микроканала. Справа: анимация траекторий микрочастиц под воздействием сил вязкого сопротивления со стороны обтекающего потока и акустического излучения.

Обновленная учебная модель: Poroelastic Waves with Thermal and Viscous Losses (Biot-Allard Model) (Пороупругие волны с тепловыми и вязкостными потерями (модель Био – Аллара))

В задачах распространения волн давления и упругих волн внутри пористого материала, заполненного воздухом, важно учитывать и тепловые, и вязкостные потери. Пример такой задачи — расчет звукоизоляционных материалов для отделки комнаты или обшивки салона автомобиля. Похожие задачи возникают при расчете пористых материалов для глушителей в производстве автомобилей.

Во многих случаях такие материалы можно моделировать с помощью пороакустических моделей (эквивалентных гидродинамических моделей), реализованных в интерфейсе Pressure Acoustics (Скалярная акустика). Пороакустические модели не включают все эффекты, поэтому иногда приходится добавлять к модели упругие волны в пористой среде. В этом случае работает так называемая теория Био – Аллара для моделирования пороупругих волн.

Интерфейс Poroelastic Waves (Пороупругие волны) из модуля Акустика основан на классической теории Био, используемой в науках о Земле. Эта модель предполагает, что в роли насыщающей текучей среды выступает жидкость (вода), и учитывает только потери на вязкость. Исходные данные материалов также отличаются от тех, которые обычно используются для звукоизоляционных материалов. Предлагаемые модели показывают, как модифицировать интерфейс Poroelastic Waves (Пороупругие волны), чтобы учесть тепловые и вязкостные потери из модели Био – Аллара.

Ссылка на Галерею приложений:

Пороупругие волны с тепловыми и вязкостными потерями (модель Био – Аллара)

Поверхностное нормальное полное сопротивление одиночного пористого слоя. Кривые учитывают тепловые и вязкостные потери в жидкости и механическую деформацию пористой матрицы. Поверхностное нормальное полное сопротивление одиночного пористого слоя. Кривые учитывают тепловые и вязкостные потери в жидкости и механическую деформацию пористой матрицы.
Поверхностное нормальное полное сопротивление одиночного пористого слоя. Кривые учитывают тепловые и вязкостные потери в жидкости и механическую деформацию пористой матрицы.

Обновленная учебная модель: Sonic Crystal (Звуковой кристалл)

Фононные и звуковые кристаллы привлекают к себе внимание ученых, работающих над самыми разными технологическими проблемами. Эти кристаллы состоят из периодически повторяющихся центров рассеяния, расположенных в матрице. При некоторых условиях в них формируются акустические запрещенные зоны, то есть энергетические зоны, в которых распространение волн запрещено.

Эта учебная модель сначала анализирует звуковой кристалл и определяет его зонную структуру. Затем в модели рассчитывается затухание в кристалле конечного размера, а результаты сравниваются с зонной структурой.

Ссылка на Галерею приложений:

Sonic Crystal (Фононный кристалл)

Периодическое поле давления внутри звукового кристалла. Периодичность обеспечивается встроенными периодическими условиями Флоке (также известными как условия Блоха). Периодическое поле давления внутри звукового кристалла. Периодичность обеспечивается встроенными периодическими условиями Флоке (также известными как условия Блоха).
Периодическое поле давления внутри звукового кристалла. Периодичность обеспечивается встроенными периодическими условиями Флоке (также известными как условия Блоха).

Обновленная учебная модель: Acoustic-Structure Interaction and Air Flow in Violins (Взаимодействие между акустикой и механикой конструкций, а также потоки воздуха в скрипках)

За последнюю тысячу лет резонаторные отверстия в скрипках изменили свою форму, став из круглых вытянутыми. Низкие звуки скрипки преимущественно исходят именно из этих вытянутых отверстий. Вибрирующий корпус скрипки производит звуки на более высоких частотах, а также вступает в резонанс с воздухом внутри корпуса.

Две учебных модели представлены на странице Галереи приложений. Первая рассчитывает взаимосвязь между акустикой и механикой конструкций, чтобы установить, как резонансные моды колебаний воздуха меняются из-за сопряженных вибраций корпуса скрипки. Вторая изучает, как форма вытянутых резонаторных отверстий влияет на проходящий через них поток воздуха.

Более подробно эти модели описаны в записи в блоге COMSOL под заголовком «Analyze Violin Tone and Volume with Multiphysics Modeling (Анализ тона и громкости звука скрипки при помощи мультифизического моделирования)».

Ссылка на Галерею приложений:

Acoustic-Structure Interaction and Air Flow in Violins (Взаимодействие акустики с твердым телом и потоком воздуха в скрипке)

Первая мода с частотой 300 Гц в модели взаимодействия акустики и механики конструкции скрипки. Первая мода с частотой 300 Гц в модели взаимодействия акустики и механики конструкции скрипки.
Поток воздуха через эфы скрипки, моделируемый потенциальным потоком. Поток воздуха через эфы скрипки, моделируемый потенциальным потоком.
Слева: первая мода с частотой 300 Гц в модели взаимодействия акустики и механики конструкции скрипки. Справа: поток воздуха через эфы скрипки, моделируемый потенциальным потоком.

Обновленная учебная модель: Energy Conservation with Thermoviscous Acoustics (Сохранение энергии в термовязкостной акустике)

Звук, распространяющийся в структурах малых размеров, сильно затухает в граничном слое вдоль стенок из-за тепловых и вязкостных потерь. Эти потери необходимо учитывать при моделировании акустических характеристик таких структур.

Эта учебная модель исследует сохранение энергии в базовой тестовой схеме, состоящей из входа, выхода и резонатора Гельмгольца с очень узкой горловиной. Акустические явления в узкой горловине моделируются при помощи интерфейса Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика), точно учитывающего тепловые и вязкостные потери. Для того чтобы рассчитать баланс энергии, модель сравнивает полную рассеянную энергию в акустическом граничном слое с разностью энергий на входе и выходе системы.

Более подробное обсуждение теории термоакустических явлений можно найти в записи в нашем блоге COMSOL под названием «Theory of Thermoacoustics: Acoustics with Thermal and Viscous Losses (Теория термоакустических явлений: акустика с тепловыми и вязкостными потерями)».

Ссылка на Галерею приложений:

Сохранение энергии в термовязкостной акустике

Обновленная учебная модель: Sub-Component Lumping in Acoustics Using the Impedance Boundary Condition (Упрощение акустических моделей с помощью разделения на подмодели и граничного условия полного сопротивления)

Этот учебный пример демонстрирует подход к моделированию, позволяющий разрабатывать упрощенные, но физически корректные модели в модуле Акустика. В этом подходе сложные компоненты модели преобразуются в граничное условие полного сопротивления, а в остальной части модели используется простая акустика. В результате значительно уменьшается время расчета модели.

Рассмотренный здесь пример включает в себя упрощенную систему типа глушителя, состоящую из основного канала и резонатора Гельмгольца. Характеристики резонатора моделируются с помощью термовязкостной акустики, потому что в модели важны тепловые и вязкостные потери. Задача, решаемая в модели - замена области термовязкостной акустики моделью полного сопротивления.

В учебном примере приведены пошаговые иллюстрации, показывающие, как получить граничные условия полного сопротивления для сложной акустической модели, а также как использовать эти условия в новой, упрощенной модели. Модель также демонстрирует применение модуля Оптимизация для подгонки полученного полного сопротивления к RCL-модели. Документация объясняет, как этот второй подход может привести к лучшему пониманию моделируемой системы.

Ссылка на Галерею приложений:

Sub-Component Lumping in Acoustics Using the Impedance Boundary Condition (Упрощение акустических моделей с помощью разделения на подмодели и граничного условия полного сопротивления)