Обновление модуля Акустика

В программном пакете COMSOL Multiphysics® версии 5.3 введена новая функциональность в модуле Акустика, которая значительно улучшает моделирование акустических явлений во временной области и облегчает решение больших акустических моделей. Дальнейшие улучшения включают набор новых физических опций и параметров, а также новые инструменты постобработки.

Обзор нововведений в модуле Акустика

Вкратце, улучшения моделирования во временной области включают:

  • Идеально согласованные слои (PML) для скалярной акустики во временной области
  • Интерфейс Thermoviscous Acoustics, Transient (Термовязкостная акустика, переходные процессы) для временной области
  • Настройки решателя переходных процессов для более надежного моделирования можно изменять на физическом уровне
  • Ускорение разрывного метода Галеркина (dG)

Большие модели используют следующие новые функции:

  • Готовые к использованию рекомендуемые параметры для итерационных решателей
  • Возможность использовать элементы серендипова семейства

Новые физические опции и параметры:

  • Новые и улучшенные методы стабилизации линеаризованных анализов Навье-Стокса, основанные на методе наименьших квадратов Галеркина
  • Улучшена формулировка граничного условия Slip (Проскальзывание) в опциях Wall (Стенка) для линеаризованных уравнений Навье-Стокса и задач термовязкостной акустики. При использовании итерационных решателей новые формулы работают более эффективно
  • Двухмерная осесимметричная формулировка в интерфейсе Convected Wave Equation (конвективное волновое уравнение)
  • Модель Био — Аллара для учета тепловых и вязкостных потерь в моделировании пороупругих волн
  • Новое внутреннее условие Perforated plate (Перфорированная пластина)
  • Улучшенная формулировка геометрической акустики в двухмерных осесимметричных геометриях
  • Расчет ширины луча для графиков в дальней области

Идеально согласованные слои для интерфейса Pressure Acoustics, Transient (Скалярная акустика, переходные процессы)

Идеально согласованные слои часто используются в ситуациях, когда принятые по умолчанию неотражающие граничные условия первого порядка будут создавать нежелательные паразитные отражения. Идеально согласованные слои позволяют отсечь от вычислительной области внешний слой, который имитирует распространение волн в бесконечную область.

В COMSOL Multiphysics® версии 5.3 физический интерфейс Pressure Acoustics, Transient (Скалярная акустика, переходные процессы) теперь включает функциональность идеально согласованных слоев во временной области. Она применяется для акустического моделирования переходных процессов на основе метода конечных элементов. Ранее эта опция была доступна только для интерфейсов Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область) и Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвективное волновое уравнение с явным указанием времени) Идеально согласованные слои могут быть добавлены из узла Definitions (Определения) и поддерживают полиномиальные и рациональные варианты масштабирования для трехмерных, двухмерных осесимметричных, двухмерных и одномерных моделей в декартовых, цилиндрических и сферических системах координат.

 
 
Анимация нестационарных гауссовых импульсов в областях моделирования, окруженных идеально согласованными слоями. Анимация показывает полное поглощение волн без нежелательных паразитных отражений, возвращающихся в область моделирования.
 
Анимация вибрирующего поршня, издающего звук в трехмерном пространстве. Показаны нестационарные развивающиеся изоповерхностные контуры давления и их поглощение в идеально согласованном слое.


** Путь в Библиотеке приложений для примера, использующего идеально согласованный слой в моделировании нестационарной задачи скалярной акустики: **
Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_perfectly_matched_layers

Новый интерфейс Thermoviscous Acoustics, Transient (Термовязкостная акустика, переходные процессы)

Узел Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика) был расширен за счет включения интерфейса для моделирования задачи линейной нестационарной термовязкостной акустики. Такой интерфейс включает в себя слагаемые для источника, представленные каким-либо изменяющимся во времени сигналом, например гауссовыми импульсами. Интерфейс Thermoviscous Acoustics, Transient (Термовязкостная акустика, переходные процессы) подходит для моделирования нестационарного распространения волн в системах, в которых важны тепловые и вязкостные потери — как правило, в задачах с малыми размерами, например, в моделях мобильных устройств, миниатюрных громкоговорителей, микрофонов или отверстий перфорации.

Интерфейс может быть привязан через мультифизический интерфейс Thermoviscous Acoustic-Structure Boundary (Граница «термовязкостная акустика — конструкция») к приложениям и интерфейсам механики конструкций, такими как Solid Mechanics (Механика твердого тела), Shells (Оболочка) и Membranes (Мембрана).

 
График входных и выходных сигналов в программном пакете COMSOL. График входных и выходных сигналов в программном пакете COMSOL. График входных и выходных сигналов в программном пакете COMSOL.
Анимация распространения гармонического сигнала с гауссовой огибающей через длинную узкую трубку с узким сжатием в середине. Импульс распространяется от одного конца трубки к другому и испытывает затухание из-за тепловых и вязкостных потерь. Анимации показывают внутри трубы скорость частиц (слева) и колебания акустической температуры (в середине), которые сосредоточены в окрестности сжатия. На графике (справа) показан импульсный входной сигнал давления (синяя кривая) и ослабленный выходной сигнал давления (зеленая кривая).


Обновление интерфейса Poroelastic Waves (Пороупругие волны) с новой моделью Био — Аллара

В задачах распространения давления и упругих волн в пористых материалах, заполненных воздухом, важны как тепловые, так и вязкостные потери. Несколько примеров приложений: изоляционные материалы для акустики помещений, облицовочные материалы в салонах автомобилей, пеноматериалы, используемые в наушниках и динамиках, и пористые материалы в глушителях.

Для лучшего моделирования таких типов задач в интерфейс Poroelastic Waves (Пороупругие волны) была добавлена опция Biot-Allard model (Модель Био — Аллара). Включение этой модели дополняет ранее доступную опцию Biot model (Модель Био), которая учитывает только потери на трение и полезна для распространения акустических пороупругих волн в породах и почвах, где присутствует насыщающая жидкость.

До сих пор интерфейс Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область) вместе с соответствующей моделью жидкости (например, пороакустическая модель) был адекватным методом для моделирования многих аудиоприложений. Однако эти модели не отображают все реальные эффекты, и иногда необходимо использовать упругие волны. Например в случаях, когда пористая матрица должна быть связана с вибрациями конструкции. Теперь их можно моделировать с помощью новой опции Biot-Allard model (Модель Био — Аллара) в интерфейсе Poroelastic Waves (Пороупругие волны). Здесь входные данные о материалах соответствуют типичным условиям, используемым и измеренным в задачах управления звуком и шумом.


** Ссылка на приложение с примером использования опции Biot-Allard model (Модель Био — Аллара) в моделировании пороупругих волн: **
Многослойный пористый материал: пороупругие волны с тепловыми и вязкостными потерями, модель Био — Аллара

Обновление мультифизических связей Acoustic-Structure Interaction

С добавлением параметра Biot-Allard model (Модель Био — Аллара) к интерфейсу Poroelastic Waves (Пороупругие волны) были изменены и улучшены мультифизические интерфейсы, которые соединяют пороупругие области, конструкции и акустику. Они поддерживают взаимосвязь скалярной акустики с пороупругими волнами и пороупругих волн с конструкциями (а иногда сразу всех трех видов). Можно добавить новый интерфейс, используя кнопку Add Physics (Добавить физику) на ленте, которая открывает окно Add Physics (Добавить физику). Следующие обновленные интерфейсы Poroelastic Waves (Пороупругие волны) можно выбрать в модуле Acoustics (Акустика ) из ветвей Acoustic-Structure Interaction ( Взаимодействие акустики и твердого тела):

  • Poroelastic Waves (Пороупругие волны), физический интерфейс
  • Acoustic-Poroelastic Waves Interaction (Взаимодействие акустики и пороупругих волн), мультифизический интерфейс, который добавляет следующую физику и связи:
    • Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область)
    • Poroelastic Waves (Пороупругие волны)
    • Multiphysics (Мультифизика)
      • Acoustic-Porous Boundary (Граница акустика — поры)
  • Acoustic-Solid-Poroelastic Waves Interaction (Взаимодействие между акустикой, твердым телом и пороупругими волнами), мультифизический интерфейс, который добавляет следующую физику и связи:
    • Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область)
    • Solid Mechanics (Механика твердого тела)
    • Poroelastic Waves (Пороупругие волны)
    • Multiphysics (Мультифизика)
      • Acoustic-Structure Boundary (Граница акустика — конструкция)
      • Porous-Structure Boundary (Граница поры — конструкция)
      • Acoustic-Porous Boundary (Граница акустика — поры)
  • Solid Mechanics (Elastic Waves) (Механика твердого тела, упругие волны) — интерфейс, который добавляет интерфейс Solid Mechanics (Механика твердого тела) к ветви. Он действует в качестве удобного ярлыка для добавления такого интерфейса из местоположения акустики

Двухмерная осесимметричная формулировка для интерфейса Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвективное волновое уравнение с явным указанием времени)

Теперь в двухмерных осесимметричных моделях доступен интерфейс Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвективное волновое уравнение с явным указанием времени). Он расширяет возможности моделей распространения акустических волн на больших по сравнению с длиной волны расстояниях. Интерфейс включает опцию Include out-of-plane components (Использовать внеплоскостные компоненты), которая добавляет внеплоскостные компоненты фонового потока и их взаимодействия с акустическим сигналом. Его можно использовать, например, для моделирования аксиально-симметричных ультразвуковых преобразователей или ВЧ-громкоговорителей.

 
Колебания акустической скорости в двухмерной осесимметричной модели вибрирующего поршня, создающего волну частотой 5000 Гц и расположенного непосредственно перед рассеивающей неоднородностью.

Рекомендуемые предопределенные итеративные решатели

Некоторые физические интерфейсы в модуле Акустика теперь предлагают рекомендации альтернативных итерационных решателей в дополнение к прямому решателю по умолчанию, параметры которого задаются при выборе физических интерфейсов при решении модели в первый раз. Для некоторых физик даются две рекомендации (как показано на изображении), первая обычно быстрее, а вторая — надежнее, но медленнее. Рекомендуемые решатели могут быть включены, когда прямой решатель сталкивается с ограничениями памяти и не сходится. Эта новая функциональность упрощает рабочий процесс при решении больших моделей и не требует ручной настройки и настройки итеративных решателей, когда становится очевидным, что прямой решатель для задачи не оптимален.

Настройка решателя переходных процессов из узлов физики

Во всех интерфейсах переходных процессов в модуле Акустика теперь есть раздел Transient Solver Settings (Настройки решателя переходных процессов) в соответствующих узлах физического интерфейса. В нем настраивается автоматическое управление решателем по умолчанию на основе входных данных, представленных в новом разделе, что приводит к лучшей конфигурации решателей переходных процессов и более качественному моделированию.

По умолчанию (рекомендуемые настройки) используется параметр Manual (Ручной) для раскрывающегося меню Time stepping (Дискретизация по времени), а затем требуется ввести значение Maximum frequency to resolve (Максимальная частота для расчета) в соответствующем поле редактирования. В большинстве задач акустики частотный состав всех источников известен, или его можно оценить, построив преобразование Фурье исходного сигнала. В линейных акустических приложениях искомое решение будет иметь тот же частотный состав, что и источник. Просто введите частоту, которую необходимо рассчитать, в новом поле редактирования. Для нелинейных задач можно задать количество сгенерированных гармоник, которые необходимо получить. В этом случае в поле редактирования Maximum frequency to resolve (Максимальная частота для расчета) устанавливается число гармоник, умноженное на частоту сигнала источника.

Ускорение разрывного метода Галеркина

Введено несколько улучшений для ускорения разрывного метода Галеркина (dG) и уменьшения потребляемого им объема памяти. Ускорение в основном достигнуто за счет использования новой метрики сетки, используемой для вычисления внутреннего временного шага явной схемы дискретизации по времени в разрывном методе Галеркина. Второе улучшение в ускорении было достигнуто благодаря новой процедуре оптимизации качества сетки. При этом используется новый параметр сетки Avoid too small elements (Избегать слишком малых элементов) при создании тетраэдрической сетки в трехмерном представлении (см. изображение).


Потребление памяти снижается в основном при запуске моделей на многоядерных системах. Здесь в разрывном методе Галеркина используется разреженная сборка, и объем задействованной памяти почти не зависит от количества доступных процессорных ядер. Кроме того, используемый объем памяти во время инициализации значительно снижен.

В качестве примера рассмотрим учебную модель Ultrasound Flow Meter with Generic Time-of-Flight Configuration (Ультразвуковой расходомер с времяпролетной конфигурацией общего вида). В тестовом прогоне в версии 5.3 программного пакета COMSOL Multiphysics® на настольном компьютере (процессор Intel® Core™ i7, частота 3,60 ГГц, 4 ядра и 32 ГБайт оперативной памяти) акустическая задача решена за 7 часов и 5 минут; при этом использовалось 6,0 ГБайт оперативной памяти. В версии 5.3 такое же исследование проведено за 5 часов и 1 минуту, и использовалось 5,8 ГБайт оперативной памяти. Это означает ускорение примерно на 30% и небольшое уменьшение требуемого объема памяти. В компьютере с процессором с 16 ядрами, использование оперативной памяти будет почти на 1 ГБайт меньше, по сравнению с сокращением всего на 0,2 ГБайт при использовании процессора с 4 ядрами, как в этом примере. Для справки, модель содержит 7,5 миллиона степеней свободы.

** Путь в Библиотеке приложений для примеров с использованием улучшенного разрывного метода Галеркина: **
Acoustics_Module/Ultrasound/ultrasound_flow_meter_generic

Улучшенная стабилизация для физических интерфейсов Linearized Navier-Stokes (Линеаризованные уравнения Навье — Стокса)

К интерфейсам Linearized Navier-Stokes (Линеаризованные уравнения Навье — Стокса) были добавлены новые и улучшенные методы стабилизации. Новая схема стабилизации по умолчанию — это Galerkin least squares (GLS) stabilization (Стабилизация по методу наименьших квадратов Галеркина), которая значительно улучшает стабильность и сходимость решений с грубой сеткой. При желании можно также отключить стабилизацию, выбрать схему стабилизации Streamline upwind Petrov-Galerkin (SUPG) stabilization (метод против потока Петрова — Галеркина) или выбрать схему Streamline diffusion (legacy method) (Метод диффузии вдоль потока (классический)). Новые настройки по умолчанию хорошо подходят для моделирования большинства задач взаимодействия потока и акустики с использованием интерфейсов Linearized Navier-Stokes (Линеаризованные уравнения Навье — Стокса). С новой схемой стабилизации, реализованной в интерфейсах Linearized Navier-Stokes (Линеаризованные уравнения Навье — Стокса), теперь можно изменить стандартную дискретизацию параметров давления, скорости, температуры и степеней свободы на дискретизацию линейными элементами. Это уменьшает размер модели во многих ситуациях.


** Путь в Библиотеке приложений к примерам с использованием улучшенной Galerkin least squares (GLS) stabilization (Стабилизация по методу наименьших квадратов Галеркина): **
Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

Изменение формулировки условий проскальзывания

Изменена формулировка граничного условия Slip (Проскальзывание) в интерфейсах Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика) и Linearized Navier-Stokes (Линеаризованные уравнения Навье-Стокса). Теперь можно использовать так называемую формулировку Discontinuous Galerkin (dG) (Разрывный метод Галеркина), также именуемую как Penalty-like (Штрафная) формулировка. Формулировка разрывного метода Галеркина является новым значением по умолчанию, заменяющим формулировку на основе множителя Лагранжа, которая использовалась в COMSOL Multiphysics® версии 5.2a. При желании можно выбрать прежнюю формулировку. Обе формулировки предотвращают так называемые запирающие явления на изогнутых поверхностях, которые приводят к ошибочным результатам. Новая формулировка особенно хорошо подходит для решения с помощью итерационного решателя, в отличие от старой формулировки.

В тех случаях, когда пограничные слои важны, условие по умолчанию без проскальзывания на стенках приводит к появлению вязкого пограничного слоя, а изотермическое условие — к появлению теплового пограничного слоя. Именно в таких акустических пограничных слоях происходит большая часть термовязкостной диссипации, и это важно учитывать во многих приложениях.

Условие проскальзывания накладывает условие непроницаемости стенки, при котором не создается вязкостный пограничный слой. Используйте условие Slip (Проскальзывание) в тех местах, где потери на трение в пограничном слое не важны. При этом в пограничном слое стека не строится, что приводит к меньшему количеству элементов сетки и степеней свободы. Использование условия Slip (Проскальзывание) особенно полезно в линеаризованных моделях Навье — Стокса, где изучаемые явления описываются взаимосвязью потока со средним фоновым потоком, а не деталями в пограничном слое.

Элементы серендипова семейства в акустике

Различного вида физические интерфейсы в модуле Акустика теперь позволяют выбирать между двумя семействами функций формы в секции Discretization (Дискретизация): Лагранжа и серендипова семейства. В качестве текущего значения по умолчанию используется элементы Лагранжа во всех интерфейсах, за исключением интерфейса Solid Mechanics (Механика твердого тела), где значением по умолчанию является элемент серендипова семейства. Выбор между элементами Лагранжа и серендипова семейства влияет на число расчетных степеней свободы, а также на стабильность в моделях, содержащих искаженные сетки.

При использовании структурированной сетки часто полезно переключиться на функции формы серендипова типа, так как они создают значительно меньше степеней свободы. В большинстве случаев точность почти такая же, как при моделировании с использованием функций формы Лагранжа. Однако элементы Лагранжа менее чувствительны к сильным искажениям сетки и являются предпочтительными в этих случаях. Использование элементов серендипова семейства полезно только для следующих форм элементов, так как другие формы элементов приведут к тому же количеству степеней свободы, независимо от выбора функции формы:

  • В двухмерном представлении: для четырехсторонних элементов порядка дискретизации выше единицы
  • В трехмерном представлении: для шестигранных, призматических и пирамидальных элементов порядка дискретизации выше единицы
Модель акустики с сеткой, в которой целесообразней использовать элементы серендипова семейства. Пример структурированной сетки, построенной протяжкой, в которой целесообразней переключиться с элементов Лагранжа по умолчанию на элементы серендипова семейства. Это важно, потому что сетка, построенная протяжкой, состоит из призматических элементов. При моделировании термовязкостной акустики на элементах Лагранжа получается 59 955 степеней свободы. Если дискретизацию скорости и температуры переключить на квадратичные элементы серендипова семейства, число степеней свободы падает до 39 955. Дискретизация давления в термовязкостной акустике по-прежнему линейная, на нее переключатель не влияет. Пример структурированной сетки, построенной протяжкой, в которой целесообразней переключиться с элементов Лагранжа по умолчанию на элементы серендипова семейства. Это важно, потому что сетка, построенная протяжкой, состоит из призматических элементов. При моделировании термовязкостной акустики на элементах Лагранжа получается 59 955 степеней свободы. Если дискретизацию скорости и температуры переключить на квадратичные элементы серендипова семейства, число степеней свободы падает до 39 955. Дискретизация давления в термовязкостной акустике по-прежнему линейная, на нее переключатель не влияет.

Функция плоскости предварительного просмотра расчета для графиков дальней зоны и диаграмм направленности

Теперь на графиках дальней зоны и диаграммах направленности можно использовать опцию Preview Evaluation Plane (Предварительный просмотр плоскости расчета). С ее помощью можно построить круг (в масштабе), ограничивающий область расчета поля дальней зоны, а также векторы нормали к плоскости расчета и векторы опорного направления (направления на 0 градусов в полярных координатах). Это существенно облегчает визуализацию и проверку корректности положения области расчета после после ввода или изменения параметров.

Пример, показывающий опцию Preview Evaluation Plane (Панель предварительного просмотра расчета) на графике дальнего поля. Плоскость предварительного обзора, ее нормаль и базисные векторы для построения графиков в дальнем поле вместе с соответствующими настройками. Из модели Loudspeaker Driver in a Vented Enclosure (Электродинамический громкоговоритель с фазоинвертором). Плоскость предварительного обзора, ее нормаль и базисные векторы для построения графиков в дальнем поле вместе с соответствующими настройками. Из модели Loudspeaker Driver in a Vented Enclosure (Электродинамический громкоговоритель с фазоинвертором).

Путь в Библиотеке приложений к примеру, который показывает панель предварительного просмотра расчета: Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/vented_loudspeaker_enclosure

Вычисление ширины луча для одномерных графиков дальней зоны

Теперь можно автоматически рассчитать ширину луча и ширину пространственных диаграмм направленности по первым нулям. Функция Compute beam width (Рассчитать ширину луча) доступна, если пространственный отклик отображается в группе Polar Plot (Полярный график) на одномерном графике Far-field (Дальняя область).

Анализ мод в механике твердого тела и физике взаимодействия акустики и конструкций

В интерфейс Solid Mechanics (Механика твердого тела) был добавлен анализ мод для изучения волн, перемещающихся в направлении от плоскости для двухмерных структур, а также круговых мод в осесимметричных моделях. Анализ мод легко проводится для всех взаимосвязанных задач, а особенно важен в задачах взаимодействия акустических волн и конструкций. Этот тип анализа используется для расчета распространяющихся мод в таких приложениях, как волноводы, трубопроводные системы и глушители.

На изображении показана модель, в которой решается сопряженная акустическая и механическая задачи, в графическом интерфейсе пользователя программного продукта COMSOL Multiphysics версии 5.3. Мода, полученная из решения сопряженной акустической и механической задачи о распространении возмушений в камере глушителя с тонкими упругими стенками. Мода, полученная из решения сопряженной акустической и механической задачи о распространении возмушений в камере глушителя с тонкими упругими стенками.

** Путь в Библиотеке приложений для примеров с использованием анализа мод:**
Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

Обновление в граничных условиях Interior Perforated Plate (Внутренняя перфорированная пластина)

Введены обновления и улучшения для граничного условия Interior Perforated Plate (Внутренняя перфорированная пластина), доступного в интерфейсе Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область). Теперь это условие включает модели полной вязкости и тепловых потерь, взаимодействие отверстие — отверстие с использованием функции Фока, параметры для добавления эффектов нелинейных потерь и формулировку, подходящую как для тонких, так и для толстых пластин. Граничное условие обычно используется для моделирования перфораций в глушителях или звукоизоляционных сборках.

Модель глушителя, использующая обновленное граничное условие Interior Perforated Plate (Внутренняя перфорированная пластина), в программном пакете COMSOL Multiphysics версии 5.3.

Распределение звукового давления в глушителе с перфорацией. На серых границах используется условие Interior Perforated Plate (Внутренняя перфорированная пластина), а затухание, рассчитанное в модели, сравнивается с измерениями.

Распределение звукового давления в глушителе с перфорацией. На серых границах используется условие Interior Perforated Plate (Внутренняя перфорированная пластина), а затухание, рассчитанное в модели, сравнивается с измерениями.


Путь в Библиотеке приложений к примеру, который использует граничное условие Interior Perforated Plate (Внутренняя перфорированная пластина): Acoustics_Module/Automotive/perforated_muffler

Источник тепла в скалярной акустике

В интерфейсы Pressure Acoustics (Скалярная акустика) добавлено новое условие Heat Source (Источник тепла). Эту опцию можно использовать для представления колебательного или импульсного источника тепла, генерирующего звуковые волны. Источник может, например, представлять моделируемое в задаче сжигания пламя, которое генерирует акустические волны в камере сгорания, или пульсирующий лазерный луч в оптоакустических задачах.

Улучшенная геометрическая акустика в двухмерных осесимметричных геометриях

При вычислении интенсивности луча в двухмерных осесимметричных моделях волновой фронт, связанный с распространяющимся лучом, теперь рассматривается как сферическая или эллипсоидальная волна вместо цилиндрической волны, которая подходила только для двухмерных моделей. Другими словами, главный радиус кривизны, связанный с азимутальным направлением, вычисляется для всех лучей. Это улучшение приводит к более точным расчетам интенсивности луча в двухмерных осесимметричных моделях. Типичная область применения — подводное акустическое моделирование, как показано на соответствующем рисунке.

Кроме того, для испускания лучей от граней, точек или в заданных координатах вдоль оси симметрии были включены специальные опции. При использовании одной из этих специальных опций доступна встроенная опция, позволяющая испускать лучи в анизотропном полушарии, так что каждый луч покрывает один и тот же телесный угол в трехмерном представлении.

График скалярного поля модели геометрической акустики в COMSOL Multiphysics версии 5.3. Модель трассировки подводных лучей в двухмерной осесимметричной геометрии с градуированными средами (скорость звука зависит от глубины) и затуханием в области. Осесимметричные модели часто используются как приближения к полным трехмерным задачам подводной акустики. Модель трассировки подводных лучей в двухмерной осесимметричной геометрии с градуированными средами (скорость звука зависит от глубины) и затуханием в области. Осесимметричные модели часто используются как приближения к полным трехмерным задачам подводной акустики.

** Ссылка на приложение с примером использования геометрической акустики в двухмерном осесимметричном представлении: **
Underwater Ray Tracing Tutorial in a 2D Axisymmetric Geometry (Подводная трассировка лучей в двухмерной осесимметричной геометрии)

Новые модели коэффициентов отражения для трассировки акустических лучей

Опция Wall (Стенка) теперь имеет несколько встроенных моделей для расчета коэффициента отражения при зеркальных отражениях, включая модели Fluid-fluid interface (Граница «жидкость — жидкость»), Fluid-solid interface (Граница «жидкость — твердое тело») и Layered fluid half space (Слоистая жидкость в полупространстве). Эти новые модели идеально подходят для настройки граничных условий в приложениях для трассировки подводных лучей. Они дополняют модель Absorber, specified impedance (Поглотитель, заданный импеданс), обычно используемую в акустике помещения для моделирования поглощающих панелей. Для расчета правильного сдвига фаз при отражениях также включены затухания в распространяющейся жидкости и в областях, моделируемых граничными условиями. Все граничные условия могут быть расширены с помощью параметра Surface Roughness (Неровность поверхности) с использованием модели Rayleigh roughness (Неровность Рэлея).

Опция Ray Termination (Прерывание луча)

Новая функция Ray Termination (Прерывание луча) используется для уничтожения лучей и не требует останавливать луч на границе. Лучи можно прервать, если их интенсивность или мощность становятся меньше заданного порога или они слишком далеко отклоняются от геометрии модели. Можно использовать эту опцию, чтобы не тратить лишние вычислительные ресурсы на лучи, ослабленные в поглощающих средах, лучи, которые имеют чрезвычайно низкую интенсивность из-за взаимодействия с изогнутыми или поглощающими поверхностями, или рассеянные лучи, вышедшие за пределы геометрии.

Улучшения и важные исправления ошибок

  • Некоторые из граничных условий скалярной акустики теперь отсортированы в новых подменю для более легкого доступа к ним
  • Ускорение вычисления уровней звукового давления для графиков Directivity (Направленность) и Far-field (Дальняя зона)
  • Опция Background acoustic fields (Фоновые акустические поля) теперь также доступна в переходной версии интерфейсов Linearized Euler (Линеаризованное уравнение Эйлера) и Linearized Navier-Stokes (Линеаризованные уравнения Навье – Стокса)
  • К интерфейсам Pressure Acoustics (Скалярная акустика) были добавлены граничные условия Interior Normal Displacement (Внутреннее нормальное смещение) и Interior Normal Velocity (Внутренняя нормальная скорость), которые завершают список внутренних граничных условий.
  • На симметричных осях в двумерных осесимметричных моделях были добавлены обновленные условия в интерфейсах Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика), Linearized Navier-Stokes (Линеаризованные уравнения Навье – Стокса) и _Linearized Euler (Линеаризованное уравнение Эйлера).
  • Для сред с пространственно-зависимыми свойствами материала были введены в действие обновленные формулировки в интерфейсах Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика)
  • Во временной области мультифизическая взаимосвязь Aeroacoustic-Structure Boundary (Граница аэроакустика — конструкция) теперь связывает интерфейс Linearized Navier-Stokes (Линеаризованные уравнения Навье – Стокса) с конструкциями (твердые тела, оболочки и мембраны)

Новая учебная модель: резонатор Гельмгольца с потоком, взаимодействие потока и акустических волн

Резонаторы Гельмгольца используются в выхлопных системах, поскольку они могут ослаблять сигнал в заданной узкой полосе частот. Наличие потока в системе изменяет акустические свойства резонатора и затухание в подсистеме. В этой учебной модели резонатор Гельмгольца расположен в боковом ответвлении основного канала. Затухание в основном канале исследуется при добавлении потока.

Средний расход рассчитывается с использованием комбинированной модели турбулентности SST при Ma = 0,05 и Ma = 0,1. После этого задача акустики решается через интерфейс Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain (LNS) (Линеаризованные уравнения Навье-Стокса, частотная область). Средняя скорость потока, давление и турбулентная вязкость взаимосвязаны с линеаризованными уравнениями Навье – Стокса. Результаты сравниваются с измерениями из журнальной статьи, а амплитуды и положения резонансов хорошо согласуются с данными измерений (как видно из одномерного графика). Для правильного определения положения резонанса необходимо точно рассчитать равновесие между эффектами затухания и эффектами потока.

Примечание: В этой модели используются модули Акустика и Вычислительная гидродинамика.

Модель резонатора Гельмгольца, показывающая взаимодействие потока и акустических волн. Распределение уровней акустического звукового давления (спереди), поверхностные линии тока (в центре) и амплитуда фонового потока (сзади) в резонаторе Гельмгольца, расположенном в боковом ответвлении от основного канала. Распределение уровней акустического звукового давления (спереди), поверхностные линии тока (в центре) и амплитуда фонового потока (сзади) в резонаторе Гельмгольца, расположенном в боковом ответвлении от основного канала.


Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

Новая учебная модель: ультразвуковой расходомер с пьезоэлектрическими преобразователями, связь между методом конечных элементов и разрывным методом Галеркина

Ультразвуковые расходомеры используются для определения скорости потока жидкости, протекающей по трубе, путем подачи ультразвукового сигнала в поток под некоторым углом. В отсутствие потока время передачи между передатчиком и приемником одинаково для сигналов, отправленных в направлениях вдоль потока и против потока. В другом случае распространяющаяся вдоль течения волна движется быстрее, чем волна против потока, что позволяет определить скорость такого потока. Во многих случаях для отправки и приема ультразвуковой волны используются пьезоэлектрические преобразователи.

Данная учебная модель показывает, как моделировать ультразвуковой расходомер с пьезоэлектрическими преобразователями в упрощенном случае без потока. Метод конечных элементов (FEM) используется для моделирования пьезоэлектрических преобразователей, а моделирование распространения ультразвуковых волн основано на разрывном методе Галеркина (dG). Вся модель разбивается на две подмодели. Для отправки волны от передатчика используется односторонняя взаимосвязь метода конечных элементов с разрывным методом Галеркина, а для моделирования приемника используется односторонняя взаимосвязь разрывного метода Галеркина с методом конечных элементов.

Учебная модель расходомера из модуля Акустика, выполненная методами FEM (метод конечных элементов) и dG (разрывный метод Галеркина). Акустический сигнал, генерируемый в расходомере пьезоэлектрическим преобразователем с согласованным слоем. Акустический сигнал, генерируемый в расходомере пьезоэлектрическим преобразователем с согласованным слоем.

Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Acoustics_Module/Ultrasound/flow_meter_piezoelectric_transducers

Новая учебная модель: поглощение гауссовых импульсов с помощью идеально согласованных слоев; скалярная акустика, переходные процессы

В данной учебной модели моделируется стандартная тестовая и эталонная модель идеально согласованных слоев (PMLs) как поглощающих граничных условий во временной области. Она включает в себя распространение переходного гауссового импульса без потока. Интерфейс Pressure Acoustics, Transient (Скалярная акустика, переходные процессы) используется вместе с идеально согласованными слоями, чтобы уменьшить вычислительную область и подавить отражение от искусственных границ. Акустический импульс создается начальным распределением Гаусса в центре вычислительной области. Аналитическое решение задачи используется для проверки численного решения, которое хорошо согласуется с аналитическим.

 
Распространение гауссового импульса давления и поглощение в идеально согласованных слоях.

Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_perfectly_matched_layers

Новая учебная модель: Noise Radiation by a Compound Gear Train (Шумовое излучение от составной зубчатой передачи)

Предсказание шумового излучения от динамической системы дает разработчикам возможность понять поведение движущихся механизмов на ранних этапах процесса разработки. Например, рассмотрим коробку передач, в которой изменение жесткости зубчатой рейки вызывает вибрации. Эти вибрации передаются на корпус коробки передач через валы и соединения. Вибрирующий корпус передает энергию окружающей жидкости, излучая акустические волны.

Учебная модель демонстрирует шумовое излучение от корпуса зубчатой передачи. Сначала выполняется анализ динамики многотельных структур во временной области для расчета вибраций корпуса при определенной скорости вращения вала. Затем выполняется акустический анализ на выбранной частоте для расчета уровня давления звука в ближней, дальней и внешней зоне с использованием нормального ускорения в качестве характеристики источника шума.

Примечание: В этой модели также используются модули Динамика многотельных систем и Механика конструкций.

 
Нормальное ускорение, создаваемое на внешнем корпусе работающей зубчатой передачи. В этой модели также рассчитывается излучаемое акустическое давление.

Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Acoustics_Module/Vibrations_and_FSI/gear_train_noise

Новая учебная модель: Собственные моды в глушителе с упругими стенками

В учебной модели расширена модель Собственные моды в глушителе и выполнен двухмерный анализ распространения мод в камере глушителя с тонкими упругими стенками. В этой мультифизической учебной модели сопряжения акустической и механической задачи используется новая опция Mode Analysis (Анализ мод) для изучения волн, распространяющихся в направлении от плоскости. Результаты содержат данные об абсолютном давлении и уровене звукового давления в глушителе, смещении и напряжении в упругих стенках, а также одномерный график дисперсионного соотношения.

На изображении — учебная модель Eigenmodes in a Muffler with Elastic Walls (Собственные колебания в глушителе с упругими стенками). Показаны графики абсолютного давления (волновой график) и деформации (цветовой график) в глушителе с упругими стенками. Показаны графики абсолютного давления (волновой график) и деформации (цветовой график) в глушителе с упругими стенками.

Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

Новая учебная модель: оптимизация топологии магнитной цепи

Данная учебная модель представляет собой пример оптимизации топологии магнитной цепи громкоговорителя. Используя оптимизацию топологии, вы можете рассчитать форму нелинейного железного ярма, чтобы увеличить его рабочие характеристики и в то же время уменьшить вес по сравнению с первоначальной конструкцией.

*Примечание: для этой модели требуются модули AC/DC и Оптимизация. *

График скалярного поля из учебной модели Magnetic Circuit Topology Optimization (Оптимизация топологии магнитной цепи), добавленной в программный пакет COMSOL Multiphysics версии 5.3. Плотность магнитного потока, построенная в оптимизированной геометрии магнитной цепи в двухмерном осесимметричном представлении. Геометрия очень похожа на двигатель в учебной модели электродинамического громкоговорителя, расположенной в модуле Акустика. Плотность магнитного потока, построенная в оптимизированной геометрии магнитной цепи в двухмерном осесимметричном представлении. Геометрия очень похожа на двигатель в учебной модели электродинамического громкоговорителя, расположенной в модуле Акустика.
График плотности магнитного потока из учебной модели Magnetic Circuit Topology Optimization (Оптимизация топологии магнитной цепи). Плотность магнитного потока, построенная в оптимизированной геометрии магнитной цепи, была рассчитана в двумерной осесимметричной постановке, а затем повернута на 225 градусов в трехмерном пространстве. Плотность магнитного потока, построенная в оптимизированной геометрии магнитной цепи, была рассчитана в двумерной осесимметричной постановке, а затем повернута на 225 градусов в трехмерном пространстве.

Путь к файлам в Библиотеке приложений:
AC/DC_Module/Other_Industrial_Applications/magnetic_circuit_topology_optimization

Новая учебная модель: нелинейный щелевой резонатор, взаимосвязь акустики и вычислительной гидродинамики

Во многих приложениях акустические волны взаимодействуют с поверхностями, имеющими небольшие отверстия или щели. Это могут быть системы глушителей, звукоизоляционные конструкции, устройства для подавления шума в реактивных двигателях, а также решетки и сетки. При средних и высоких уровнях звукового давления локальная скорость частиц в узкой области отверстия или щели может быть настолько большой, что линейные допущения акустики невозможно использовать. Как правило, вблизи этой области образуются вихри, что приводит к нелинейным потерям, а в аудиоприложениях это приводит к нелинейному искажению звуковых сигналов. Нелинейные эффекты иногда учитываются через полуэмпирические параметры в аналитических моделях с переходным полным сопротивлением для перфорированных пластин.

В этой учебной модели перед резонатором расположена узкая щель, и потери моделируются непосредственно. Модель переходного процесса связывает скалярную акустику и интерфейс Laminar Flow (Ламинарный поток), моделируя сложные нелинейные потери, связанные с вихреобразованием. Амплитуда падающего акустического поля соответствует уровню звукового давления 155 дБ.

Учебная модель взаимосвязи акустики и вычислительной гидродинамики в COMSOL Multiphysics версии 5.3. Образование завихрений на узкой щели, вызванных падающими акустическими волнами большой амплитуды. Образование завихрений на узкой щели, вызванных падающими акустическими волнами большой амплитуды.

Ссылка на галерею приложений:
Нелинейный щелевой резонатор, взаимосвязь акустики и вычислительной гидродинамики

Новая учебная модель: многослойный пористый материал, пороупругие волны с тепловыми и вязкостными потерями, модель Био — Аллара

В задачах распространения давления и упругих волн в пористых материалах, заполненных воздухом, важны как тепловые, так и вязкостные потери. Как правило, это касается изоляционных материалов для помещений, облицовочных материалов в салонах автомобилей или пеноматериалов, используемых в наушниках и динамиках. Другим примером являются пористые материалы в глушителях для автомобильной промышленности.

Во многих случаях эти материалы моделируются с использованием моделей Poroacoustic (Пороакустические модели) (модели, рассчитывающие только давление), реализованных в интерфейсе Pressure Acoustics (Скалярная акустика). В упрощенной модели в модуле Акустика интерфейс Poroelastic Waves (Пороупругие волны) основан на классической теории Био, используемой в геологии. Эта модель предполагает, что в роли насыщающей текучей среды выступает жидкость (вода), и учитывает только вязкостные потери. Исходные данные материалов также отличаются от тех, которые обычно используются для звукоизоляционных материалов.

Тем не менее, модельPoroacoustic (Пороакустика) не отображает все эффекты, и иногда приходится включать упругие волны в пористую матрицу. Эти эффекты учитываются в теории Био — Аллара для моделирования пороупругих волн. Модель, основанная на этой теории, может быть выбрана в интерфейсе Poroelastic Waves (Пороупругие волны).

Учебная модель программного пакета COMSOL, показывающая многослойный пористый материал. Деформация пористой матрицы внутри многослойной пористой структуры. Деформация пористой матрицы внутри многослойной пористой структуры.

Ссылка на галерею приложений:
Многослойный пористый материал: пороупругие волны с тепловыми и вязкостными потерями, модель Био — Аллара

Новая учебная модель: Акустика трубопроводов с изгибом и соединением в трехмерном представлении

Новая учебная модель показывает, как моделировать распространение акустических волн в больших системах труб, используя взаимосвязь интерфейсов Pipe Acoustics (Акустика в трубопроводах) и Pressure Acoustics (Скалярная акустика). Учебная модель настроена для временной и частотной областей. Одномерная акустическая система используется для моделирования распространения в длинных прямых участках трубы. Трехмерная модель соединения трубы и изгиба трубы взаимосвязана с одномерной моделью трубы для детального моделирования таких частей. Такая модель может использоваться для моделирования и прогнозирования отклика трубопроводов, например при обнаружении утечек или деформаций, и важна для нефтегазовой отрасли или в системах подачи воды.

Ссылка на галерею приложений:
Акустика трубопроводов с изгибом и соединением в трехмерном представлении

Новая учебная модель: оптимизация топологии акустических мод в двухмерной комнате

В этой учебной модели оптимизация топологии применяется в акустике. Целью оптимизации является определение распределения материала (твердого тела или воздуха) в заданной области проектирования, которое минимизирует средний уровень звукового давления в целевой области двухмерной комнаты. Оптимизация выполняется на одной частоте.

Учебная модель Topology Optimization of Acoustic Modes in a 2D Room (Оптимизация топологии акустических мод в двухмерной комнате). Оптимизированное распределение материала (серая шкала) и распределение уровня звукового давления после оптимизации (цветовая шкала). Оптимизированное распределение материала (серая шкала) и распределение уровня звукового давления после оптимизации (цветовая шкала).

Ссылка на галерею приложений:
Оптимизация топологии акустических мод в двухмерной комнате

Новая учебная модель: звукопоглощающее покрытие

Звукопоглощающие покрытия используются для снижения заметности при сонарном сканировании, например, для подводных лодок. Данная учебная модель вычисляет коэффициенты отражения, поглощения и пропускания звукопоглощающего покрытия на стальной пластине. Рассматриваемая установка была представлена в статье V. Leroy, A. Strybulevych, M. Lanoy, F. Lemoult, A. Tourin, J. H. Page "Superabsorption of acoustic waves with bubble metascreens" (Cверхпоглощение акустических волн пузырьковыми метаэкранами), Physical Review B, том 91, № 2, 2015.

На изображении показана новая учебная модель Anechoic Coating (Звукопоглощающее покрытие) в программном продукте COMSOL Multiphysics версии 5.3. Локальные деформации в покрытии и стальной пластине. Локальные деформации в покрытии и стальной пластине.

Ссылка на галерею приложений:
Звукопоглощающее покрытие

Новая учебная модель: акустика сопряженных камер с использованием уравнения акустической диффузии

Эта проверочная модель анализирует акустику двух связанных камер, используя интерфейс Acoustic Diffusion Equation (Уравнение акустической диффузии) модуля Акустика. Результаты модели согласуются с аналитическими результатами, которые подтверждаются измерениями, внесенными в опорную статью.

Пример модели, использующей интерфейс Acoustic Diffusion Equation (Уравнение акустической диффузии) в модуле Акустика. Плотность энергии и локальный поток энергии в двух акустически связанных комнатах. Плотность энергии и локальный поток энергии в двух акустически связанных комнатах.

Ссылка на галерею приложений:
Акустика сопряженных камер с использованием уравнения акустической диффузии

Упругие слои, описываемые характеристиками материала

Характеристики упругого основания или тонкого упругого слоя теперь можно задавать с помощью таких свойств материала, как модуль Юнга и коэффициент Пуассона, одновременно с заданием толщины слоя. Это, к примеру, упрощает моделирование клеевых слоев из материалов с известными свойствами. При заданных свойствах материала и толщине будут рассчитаны деформации упругого слоя.

Новый подход к расчету неупругих деформаций при геометрически нелинейном анализе

Для случаев геометрической нелинейности был реализован новый подход и более строгий способ разделения на упругие и неупругие деформации. В предыдущих версиях программного пакета COMSOL® использовалось аддитивное разложение, за исключением анализа пластичности с большими деформациями, в котором использовалась мультипликативное разложение.

Мультипликативное разложение теперь доступно для:

  • Теплового расширения
  • Гигроскопичного расширения
  • Начальной деформации
  • Внешней деформации
  • Вязкопластичности
  • Ползучести

Мультипликативное разложение тензора деформаций теперь применяется по умолчанию для всех неупругих деформаций в исследованиях, где присутствует геометрическая нелинейность. Главным преимуществом является возможность учета вклада неупругих напряжений в материале, обусловленных несколькими факторами. Более того, повышается точность линеаризации, поскольку теперь можно более корректно рассчитать сдвиг собственных частот, вызванный тепловым расширением. Если вы хотите переключиться на подход, реализованный в предыдущей версии пакета COMSOL Multiphysics®, то в окне Settings (Настройки) для соответствующих моделей материалов можно установить новый флажок Additive strain decomposition (Аддитивное разложение тензора деформаций).


Функции подузла External Strain (Внешняя деформация) в узлах Linear Elastic Material (Линейно-упругий материал) и Nonlinear Elastic Material (Нелинейно-упругий материал) был расширены за счет нескольких новых параметров. Эти параметры позволяют представлять неупругие деформации в нескольких формах. Вы также можете получать данные о неупругих деформациях из других физических интерфейсов. Кроме того, к интерфейсу Hyperelastic Material (Гиперупругий материал) добавлен подузел External Strain (Внешняя деформация) со сходными свойствами.



Intel и Intel Core являются товарными знаками корпорации Intel или ее дочерних компаний в США и/или других странах.