Обновления модуля Акустика

Модуль Акустика в версии COMSOL Multiphysics® 5.3a включает новый физический интерфейс для моделирования на основе граничных элементов (BEM), который также можно сочетать с FEM-расчетами в одной и той же модели, функционал по расчету импульсного отклика для геометрической акустики, а также новый физический интерфейс для моделирования скалярной акустики с помощью разрывного метода Галеркина. Ниже можно узнать подробнее об этих и многих других нововведениях в модуле Акустика.

Новый интерфейс на основе метода граничных элементов для модуля Акустика

В модуле Акустика теперь предусмотрено использование метода граничных элементов (BEM) в рамках нового интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Elements (Скалярная акустика, граничные элементы). Новый интерфейс можно использовать как в двухмерных, так и в трехмерных моделях. Он идеально подходит для решения уравнения Гельмгольца в частотной области для материалов с постоянными свойствами. Кроме того, в интерфейсе реализована формулировка на основе рассеянного поля, и имеется возможность добавить Background Pressure Field (Поле фонового давления) для моделирования задач рассеивания.

Модель массива пьезоэлектрических преобразователей типа Tonpilz.

Пространственная чувствительность линейного массива из девяти пьезоэлектрических преобразователей типа Tonpilz, работающих на частоте 10 кГц. Все девять преобразователей моделируются с использованием пьезоэлектрических материалов и твердых тел. Акустика во внешней области моделируется с помощью интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Elements (Скалярная акустика, граничные элементы). Различные физические компоненты соединяются посредством встроенной мультифизической связи Acoustic-Structure Boundary (Граница aкустика — конструкция).

Пространственная чувствительность линейного массива из девяти пьезоэлектрических преобразователей типа Tonpilz, работающих на частоте 10 кГц. Все девять преобразователей моделируются с использованием пьезоэлектрических материалов и твердых тел. Акустика во внешней области моделируется с помощью интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Elements (Скалярная акустика, граничные элементы). Различные физические компоненты соединяются посредством встроенной мультифизической связи Acoustic-Structure Boundary (Граница aкустика — конструкция).
Модель массива преобразователей типа Tonpilz для гидролокаторов и рассеивающего объекта, созданная в модуле Акустика.

Взаимодействие между массивом преобразователей типа Tonpilz для гидролокаторов и рассеивающим объектом. В этой модели сфера с жесткой акустической границей располагается на расстоянии примерно 30 длин волны от источника. На изображении слева показан уровень акустического давления, а справа — деформация массива (для каждого ряда применяется постоянный сдвиг фазы).

Взаимодействие между массивом преобразователей типа Tonpilz для гидролокаторов и рассеивающим объектом. В этой модели сфера с жесткой акустической границей располагается на расстоянии примерно 30 длин волны от источника. На изображении слева показан уровень акустического давления, а справа — деформация массива (для каждого ряда применяется постоянный сдвиг фазы).

В дополнение к этому, в COMSOL Multiphysics® 5.3a можно с легкостью связать BEM-интерфейс с физическими интерфейсами, основанными на методе конечных элементов. Так, можно сочетать новый интерфейс с моделями вибрирующих твердотельных конструкций с помощью мультифизической связи Acoustic-Structure Boundary (Граница Акустика — Конструкция) и с моделями акустических областей, рассчитываемыми методом конечных элементов, с помощью новой мультифизической связки Acoustic BEM-FEM Boundary (Акустическая FEM-BEM граница). С таким «гибридным» подходом можно по необходимости и по месту использовать наиболее уместный метод — конечных или граничных элементов. Например, внутреннюю область вибрирующей конструкции можно моделировать методом конечных элементов, поддерживающим более общие свойства материалов, а внешнюю область — с помощью метода граничных элементов, который лучше подходит для моделирования больших или бесконечно больших областей.

При использовании метода граничных элементов требуется создавать сетки только для поверхностей, прилегающих к области моделирования. Таким образом, значительно реже требуются крупные объемные сетки, что делает интерфейсы на основе метода граничных элементов особенно полезными при моделировании излучения и рассеяния в CAD-моделях со сложной геометрией.

Типичные случаи, в которых предпочтительнее использовать новые интерфейсы на основе метода граничных элементов:

  • Крупные области жидкости или газа (флюида), для которых в ином случае потребовалась бы объемная конечно-элементная сетка
  • В качестве замены для условия излучения, реализуемого в методе конечных элементов, или идеально согласованных слоев (PML), также реализуемых на основе метода конечных элементов
  • Модели, содержащие бесконечные стенки или бесконечные акустические мягкие границы, расположенные на большом по сравнению с длиной волны расстоянии от излучающих объектов
  • Моделирование взаимодействия излучающих и рассеивающих объектов, находящихся далеко друг от друга, в пространстве между которыми в ином случае пришлось бы строить объемную конечноэлементную сетку

Обратите внимание: метод граничных элементов является более ресурсоёмким, чем метод конечных элементов, для задач с одинаковым количеством степеней свободы. Однако для достижения той же точности, что и метод конечных элементов, метод граничных элементов обычно требует меньше степеней свободы. При использовании граничных элементов создаются полностью заполненные или плотные системные матрицы, для которых требуются специальные численные методы, отличающиеся от метода конечных элементов. Как правило, в акустических моделях небольшого и среднего размера использование интерфейса Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область) на основе метода конечных элементов эффективнее за счет скорости, чем алгоритм решения той же задачи с помощью метода граничных элементов.

Все специальные инструменты постобработки, ранее используемые для интерфейсов на основе метода конечных элементов, оптимально работают с интерфейсами на основе метода граничных элементов, в том числе графики Directivity (Направленность) и Far Field (Дальняя зона), служащие для оценки пространственного отклика .

Демонстрация нового интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Elements (Скалярная акустика, граничные элементы) в версии COMSOL Multiphysics 5.3a.

Окно интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Elements (Скалярная акустика, граничные элементы) с результатами для эталонной модели сферического рассеивателя, в которой используется метод граничных элементов.

Окно интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Elements (Скалярная акустика, граничные элементы) с результатами для эталонной модели сферического рассеивателя, в которой используется метод граничных элементов.

Совместные расчеты акустических волн и вибраций в упругих телах (acoustic-structure interaction) с помощью гибридного BEM-FEM моделирования

На рисунке ниже показан пример системы громкоговорителя, для моделирования которой полезен подход с использованием гибридного метода граничных и конечных (BEM-FEM) элементов. В данном случае важны упругие свойства корпуса и самого динамика, а также учет пористых материалов, частоиспользуемых внутри корпуса. Внутреннюю часть громкоговорителя можно моделировать с помощью метода конечных элементов, используя дополнительную материальную модель Poroacoustics (Акустика в пористых средах) в интерфейсе Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область) или специальный интерфейс Poroelastic Waves (Пороупругие волны). Вибрирующие конструкции можно моделировать с использованием классической механики твердого тела, либо на основе механических примитивов типа оболочек (Shells), либо при помощи их комбинации. Внешнюю акустическую область можно моделировать с использованием метода граничных элементов.

Демонстрация виброакустического анализа в версии COMSOL Multiphysics 5.3a.

Полный виброакустический анализ громкоговорителя с учетом внешней и внутренней акустики, корпуса и динамика. С помощью щести мультифизических связей в модели объединяется акустика (методы граничных и конечных элементов), конструкции в виде оболочек и конструкции в виде твердых тел.

Полный виброакустический анализ громкоговорителя с учетом внешней и внутренней акустики, корпуса и динамика. С помощью щести мультифизических связей в модели объединяется акустика (методы граничных и конечных элементов), конструкции в виде оболочек и конструкции в виде твердых тел.
Демонстрация модели громкоговорителя, построенной с помощью гибридного метода граничных и конечных элементов.

Деформация корпуса громкоговорителя (слева) и уровень акустического давления внутри громкоговорителя, в ближнепольной части задней стены и на полу (справа).

Деформация корпуса громкоговорителя (слева) и уровень акустического давления внутри громкоговорителя, в ближнепольной части задней стены и на полу (справа).
Визуализация акустического давления, создаваемого динамиком.

Уровень звукового давления показан в широкой области на расстоянии от динамика, а стена и пол обозначены сплошным цветом.

Уровень звукового давления показан в широкой области на расстоянии от динамика, а стена и пол обозначены сплошным цветом.

Ссылки на примеры использования интерфейса Pressure Acoustic, Boundary Elements в Галерее приложений:
Сферический рассеивающий элемент: эталонная модель для метода граничных элементов (BEM)
Массив пьезопреобразователей типа Tonpilz для гидролокации (сонарных систем)
Виброакустическая модель громкоговорителя: мультифизика BEM-FEM
Панель Бесселя

Импульсные отклики для интерфейса Геометрическая акустика

Теперь при моделировании с помощью геометрической акустики можно выполнить постобработку импульсного отклика с помощью графика Impulse Response (Импульсный отклик), в котором он реконструируется и визуализируется на основе данных от приемника. Новый набор данных Receiver (Приемник) собирает информацию об излучении и служит в качестве виртуального микрофона, обеспечивающего данные для графика Impulse Response (Импульсный отклик).

С помощью набора данных Receiver (Приемник) рассчитывается виртуальное пересечение волн излучения со сферой конечного размера. Размер сферы можно задать с помощью выражения (на основе количества лучей, объема помещения и расстояния от источника до приемника) или ввести значение вручную. Набор данных содержит время поступления излучения, измеренную интенсивность и частоту и используется в графике Impulse Response (Импульсный отклик). Этот набор данных также можно экспортировать для использования во внешней программе. Для приемника можно задать пользовательское значение направленности. Положение приемника можно менять без необходимости повторного построения модели для определения импульсного отклика.

Данные об излучении, поступающие с приемника, обрабатываются графиком Impulse Response (Импульсный отклик) с использованием разрешения по частоте, равного целой, трети или шестой части октавы. Это же разрешение следует использовать для всех источников и свойств стен, например для коэффициентов рассеивания и поглощения, мощности источника и так далее. График импульсного отклика создается с дискретизацией по умолчанию 44 100 Гц.

Снимок экрана графического интерфейса COMSOL Multiphysics 5.3a, на котором показана учебная модель Small Concert Hall Acoustics (Акустика в небольшом концертном зале).

Графический интерфейс COMSOL Multiphysics® в модели Small Concert Hall Acoustics (Акустика в небольшом концертном зале), окно Settings (Настройки) для графика Impulse Response (Импульсный отклик) и результирующий импульсный отклик.

Графический интерфейс COMSOL Multiphysics® в модели Small Concert Hall Acoustics (Акустика в небольшом концертном зале), окно Settings (Настройки) для графика Impulse Response (Импульсный отклик) и результирующий импульсный отклик.


Ссылка на пример построения графика Impulse Response (Импульсный отклик) в Галерее приложений:
Акустика в концертном зале

Новый интерфейс Pressure Acoustics, Time Explicit Physics (Скалярная акустика с явным указанием времени)

В новом физическом интерфейсе Pressure Acoustics, Time Explicit (Скалярная акустика с явным указанием времени), основанном на разрывном методе Галеркина (dG-FEM), применяется метод явного указания времени, который эффективно использует ресурсы памяти. Этот интерфейс используется для решения крупных линейных зависящих от времени задач акустики с множеством значений длины волны и идеально подходит для моделей во временной области, содержащих произвольные источники и поля, зависящие от времени. Для моделирования рассеивания предусмотрен функционал Background Acoustic Field (Фоновое акустическое поле), а также можно использовать поглощающие слои для задания оптимальных граничных условий, соответствующих неотражающим объектам. Внешнюю дальнюю зону для полей можно рассчитать с помощью функции Far-Field Calculation (Расчет дальней зоны) в сочетании с исследованием Time to Frequency FFT (Быстрое Фурье-преобразование: из временной в частотную область). Интерфейс доступен в двухмерных, двухмерных осесимметричных и трехмерных моделях. К важным областям его применения относятся нестационарное распространение звуковых импульсов в акустике помещений и явления, в которых задействованы крупные по сравнению с длиной волны объекты.

С помощью интерфейса Pressure Acoustics, Time Explicit (Скалярная акустика с явным указанием времени) можно решать линеаризованные уравнения Эйлера, используя адиабатное уравнение состояния в качестве допущения. Зависимыми переменными являются акустическое давление и акустическая колебательная скорость. В интерфейсе не предусмотрены механизмы затухания, обусловленного объемными потерями. Потери на границах можно моделировать с помощью резистивных импедансных потерь.


 

Построение рассеянного поля от падающей плоской волны на подводную лодку. На этой анимации показан расчёт на частоте 700 Гц. Такая же модель при 2000 Гц содержит 70 млн степеней свободы и для ее решения требуется 25 ГБайт оперативной памяти, что существенно меньше, чем для соответствующей модели на основе классического метода конечных элементов.

Ссылка на пример использования интерфейса Pressure Acoustics, Time Explicit в Галерее приложений:
Рассеяние на подводной лодкк: моделирование во временной области и быстрое Фурье-преобразования

Улучшение ччисленной стабилизации в интерфейсах для решения линеаризованных уравнений Эйлера

В интерфейсы Linearized Euler (Линеаризованные уравнения Эйлера) добавлены новые и улучшенные методы численной стабилизации. Новая схема стабилизации, используемая по умолчанию, — Galerkin least squares (GLS) stabilization (Стабилизация Галеркина по методу наименьших квадратов), благодаря которой значительно повышается стабильность и сходимость для моделей с грубыми сетками. С новой схемой стабилизации результаты становятся менее чувствительными к небольшим изменениям в сетке. При необходимости можно отключить стабилизацию или выбрать одну из опциональных дополнительных схем Streamline upwind Petrov-Galerkin (SUPG) или Streamline diffusion (legacy method). Новые используемые по умолчанию параметры идеально подходят для решения большинства задач взаимодействия акустики и CFD-потоков, основанных на интерфейсе Linearized Euler (Линеаризованные уравнения Эйлера).


Другой способ стабилизировать линеаризованные уравнения Эйлера состоит в использовании схемы под названием Gradient Term Suppression (GTS) stabilization (Стабилизация подавлением градиентных слагаемых). С помощью этого метода слагаемые уравнения (как правило, реактивные) просто удаляются из основных уравнений. В этой версии стабилизация подавлением градиентных слагаемых для данного интерфейса улучшена, и добавлены новые функции для эффективного управления удаленными слагаемыми. Теперь пользователь может при необходимости удалить реагирующие слагаемые в зависимости от их типа — например, градиентные слагаемые, соответствующие фоновой плотности, фоновому давлению или векторной скорости. Кроме того, имеется возможность удалить из уравнений все слагаемые, связанные с переносом.


Ссылка на пример использования улучшенной схемы стабилизации Галеркина по методу наименьших квадратов:
Точечный источник двумерной струи: излучение и преломление звуковых волн в двухмерном сдвиговом слое

Поглощающие слои (Absorbing Layers) для интерфейса Linearized Euler во временной области

В интерфейсе Linearized Euler, Transient (Линеаризованные уравнения Эйлера, временная область) теперь доступны поглощающие слои, благодаря которым становится проще задать открытые границы во временной области. Для поглощающих слоев используется сочетание трех методов настройки оптимальных граничных условий, соответствующих неотражающим объектам: масштабирование, численный коэффициент искусственной вязкости и простое условие импеданса. Применение этого метода обеспечивает минимальное число отражений исходящих волн.

 

В этой эталонной модели для линеаризованных уравнений Эйлера проводится анализ излучения и отражения узкого пучка звуковых волн. Здесь показано нестационарное распространение акустических волн и рост неустойчивости Кельвина — Гельмгольца, при этом используются используются поглощающие слои на внешних границах.

Ссылка в Галерее приложений на пример использования поглощающих слоев с интерфейсом Linearized Euler, Transient (Линеаризованные уравнения Эйлера, нестационарные):
Точечный источник двумерной струи: излучение и преломление звуковых волн через двумерный сдвиговый слой

Разложение по плоским волнам для скалярной акустики в двумерных осесимметричных моделях

Теперь имеется встроенная функция для решения задач рассеивания плоской волны в двумерных осесимметричных моделях, основанная на методе разложения по плоским волнам. При использовании этой функции плоская волна автоматически при применении условий Background Pressure Field или Incident Pressure Field раскладывается по цилиндрическим гармоникам, зависящим от номера круговой моды. Это позволяет эффективно и с наименьшими вычислительными затратами решать крупные задачи рассеивания, в которых задействованы осесимметричные конструкции.


Ссылка на пример использовани функции Plane Wave Expansion (Разложение по плоским волнам):
Плоская волна, рассеивающаяся от двухмерного осесимметричного объекта: метод разложения по плоским волнам

Новая функция для задания Background и Incident Pressure Fields в скалярной акустике во временной области

В интерфейсах Pressure Acoustics, Transient (Скалярная акустика, временная область) и Pressure Acoustics, Time Explicit (Скалярная акустика с явным указанием времени) теперь имеется встроенное условие Plane wave (monochromatic) (Плоская волна, монохроматическая), с помощью которого можно задать монохроматические плоские волны в качестве поля фонового давления или падающей волны. С новым параметром упрощается настройка этой часто используемой формы волны для расчетов во временной области. Если требуются другие типы нестационарных полей, то, выбрав для этого условия опцию с пользовательскими значениями, можно задать любое поле на основе аналитического выражения или интерполяционных данных. Для этого нового условия также предусмотрено использование встроенной линейно нарастающей функции (ramp function), при помощи которой амплитуда волны в начальные моменты времени плавно нарастает, что обеспечивает эффективный численный расчет и хорошую стабильность и сходимость.


Путь к примеру использования условия Plane wave (monochromatic) (Плоская волна, монохроматическая):
Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/probe_tube_microphone

Обновленные исходные материальные данные для интерфейсов Linearized Navier-Stokes и Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика)

При работе с физическими интерфейсами Linearized Navier-Stokes (Линеаризованные уравнения Навье — Стокса) или Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика) необходимо вводить точные и верные исходные данные о материалах. В моделях изначально предусмотрено корректное поведение параметров сжимаемости в зависимости от колебаний температуры и давления. Это означает, что эффективная скорость звука всегда моделируется правильно даже в очень узких зазорах, в которых условия переходят в изотермические. При определении (изобарического) коэффициента теплового расширения и изотермической сжимаемости оба параметра материала теперь можно задать через скорость звука и показатель адиабаты (с помощью соответствующих термодинамических определений). Таким образом упрощается настройка моделей в ситуациях, когда эти параметры не известны в явном виде.


Путь в Библиотеке приложений к примеру использования опции From speed of sound (На основе скорости звука):
Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/Helmholtz_resonator_with_flow

Опция Linear Frequency Axis (Ось с линейными частотами) на графиках направленности

Логарифмическую шкалу частот теперь можно сменить на линейную в разделе Coloring and Style (Цвета и стили) на графиках Directivity (Направленность).

Демонстрация различных шкал оси частот для графиков Directivity (Направленность) в COMSOL Multiphysics 5.3a.

График Directivity (Направленность) с логарифмическими (слева) и линейными (справа) шкалами оси частот — данные из учебной модели Lumped Loudspeaker Driver (Сосредоточенный электродинамический громкоговоритель).

График Directivity (Направленность) с логарифмическими (слева) и линейными (справа) шкалами оси частот — данные из учебной модели Lumped Loudspeaker Driver (Сосредоточенный электродинамический громкоговоритель).

Усовершенствование решателей и их предустановок

Для нескольких мультифизических приложений с акустическими интерфейсами усовершенствованы автоматические предлагаемые решатели. Например, при использовании мультифизической связи Acoustic-Structure Boundary (Граница Акустика — Конструкция) или Thermoviscous Acoustic-Structure Boundary (Граница Термовязкостная Акустика — Конструкция) предлагаемый решатель учитывает, связан ли акустический интерфейс с интерфейсом для твердого тела или оболочки/мембраны. Таким образом, если используются предлагаемые решатели, крупные модели можно решить быстро и с меньшими затратами памяти.

Раздел Transient Solver Settings (Настройки нестационарных решателей), доступный во всех интерфейсах нестационарной акустики, теперь стал более интуитивно понятным. Если в мультифизической модели используется интерфейс нестационарной акустики, то настройки нестационарных решателей, заданные для интерфейса акустики, теперь применяются автоматически при решении связанной задачи. К примеру, это обеспечивает оптимальную конфигурацию решателей для задач виброакустики во временной области.

Общее ускорение работы линейных решателей путем повторного использования уже вычисленных данных теперь осуществляется по умолчанию. Например, для решателей MUMPS и PARDISO можно использовать параметр Reuse preordering (Повторно использовать предупорядочение), что актуально для большинства задач акустики. Дополнительная информация приведена в разделе Studies and Solvers section.

Демонстрация предложенного итеративного решателя в версии COMSOL Multiphysics 5.3a.

Предлагаемый итеративный решатель теперь доступен и используется в модели Vented Loudspeaker Enclosure (Громкоговорител с фазоинвертором) из Библиотеки приложений. При использовании предлагаемого решателя время решения и использование памяти значительно сокращаются.

Предлагаемый итеративный решатель теперь доступен и используется в модели Vented Loudspeaker Enclosure (Громкоговорител с фазоинвертором) из Библиотеки приложений. При использовании предлагаемого решателя время решения и использование памяти значительно сокращаются.


Пути в Библиотеке приложений к примерам новых предагаемых итеративных решателей:
Acoustics_Module/Vibrations_and_FSI/vibrating_micromirror
Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/vented_loudspeaker_enclosure

Путь к примеру использования автоматических настроек нестационарных решателей для пьезоакустической модели:
Acoustics_Module/Ultrasound/flow_meter_piezoelectric_transducers

Важные усовершенствования и исправления багов

  • Ускорение решения задач при использовании метода dG (явное указание времени) на 25–30 о сравнению с версией COMSOL Multiphysics® 5.3
  • Поддержка кластерных расчетов для решения задач на основе интерфейсов, использующих метод dG
  • В интерфейс Convected Wave Equation (Конвекционное волновое уравнение) добавлены граничные условия Interior Wall (Внутренняя стена) и Interior Velocity (Внутренняя скорость)
  • В интерфейс Convected Wave Equation (Конвекционное волновое уравнение) при вводе осредненного фонового потока в двухмерных осесимметричных моделях в задании поперечного компонента добавлен параметр User defined (Пользовательский)

Обновленная учебная модель: панель Бесселя

Панель Бесселя — это вариант организации массива громкоговорителей таким образом, чтобы угловое распределение звука соответствовало распределению звука из одного динамика. Эта модель состоит из пяти панелей Бесселя в одной и той же схеме для приближения к истинно радиальному звуковому полю. Из динамиков поступают разные сигналы, некоторые из которых находятся в противоположной фазе. Это обеспечивает практически однородное распределение полярной дальней зоны. В обновленной модели для решения задачи излучения из идеальной панели громкоговорителей теперь используется гибридный метод граничных и конечных элементов.

График из учебной модели Bessel Panel (Панель Бесселя).

Диаграмма направленности панели Бесселя в 3D.

Диаграмма направленности панели Бесселя в 3D.

Путь в Библиотеке приложений:
Acoustics_Module/Tutorials/bessel_panel

Обновленная учебная модель: Электродинамический громкоговоритель с использованием сосредоточенной механической системы

Это модель громкоговорителя с подвижной катушкой, в которой с помощью сосредоточенной эквивалентной цепи моделируется работа электрических и механических компонентов динамика. Параметры Тиля — Смолла служат в качестве входных данных для сосредоточенной модели. В этой модели механические параметры динамика: подвижная масса, податливость подвески и механические потери в подвеске — моделируются с помощью интерфейса Lumped Mechanical System.

График из учебной модели Lumped Loudspeaker Driver (Электродинамический громкоговоритель).

Поле давления, представленное графически в виде изоповерхностей (над конусом динамика) и в виде графика скалярного поля (под конусом динамика).

Поле давления, представленное графически в виде изоповерхностей (над конусом динамика) и в виде графика скалярного поля (под конусом динамика).

Путь в Библиотеке приложений:
Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/lumped_loudspeaker_driver_mechanical

Новая учебная модель: виброакустическая модель громкоговорителя: мультифизическое моделирование с помощью гибридного метода граничных и конечных элементов

Эта модель показывает, как провести полный виброакустический анализ громкоговорителя, включая головку, корпус и подставку. При анализе на громкоговоритель подается номинальное напряжение, а снимаются итоговый уровень звукового давления внутри корпуса и в помещении, а также деформации корпуса и головки на заданной частоте. Громкоговоритель расположен на твердом полу на удалении от стены, расположенной за ним. Этот пример использует гибридный метод граничных и конечных элементов и сочетает интерфейсы Solid Mechanics, Shell (Механика твердых тел, оболочка), Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область) и Pressure Acoustics, Boundary Elements (Скалярная акустика, граничные элементы). За сопряжение интерфейсов в модели отвечают шесть встроенных мультифизических связей.

График из учебной модели под названием Vibroacoustic Loudspeaker Simulation: Multiphysics with BEM-FEM (Виброакустическая модель громкоговорителя: мультифизическое моделирование с помощью гибридного метода граничных и конечных элементов).

Уровень звукового давления акустического поля, излучаемого громкоговорителем, в полной виброакустической модели. Внешняя акустическая область моделируется с помощью интерфейса Pressure Acrostics, Boundary Elements (Скалярная акустика, граничные элементы), соединенного с интерфейсами на основе метода конечных элементов.

Уровень звукового давления акустического поля, излучаемого громкоговорителем, в полной виброакустической модели. Внешняя акустическая область моделируется с помощью интерфейса Pressure Acrostics, Boundary Elements (Скалярная акустика, граничные элементы), соединенного с интерфейсами на основе метода конечных элементов.

Ссылка в Библиотеке приложений на пример использования интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Elements (Скалярная акустика, граничные элементы):
Виброакустическая модель громкоговорителя: мультифизическое моделирование с помощью гибридного метода граничных и конечных элементов

Новая учебная модель: массив пьезопреобразователей типа Tonpilz для гидролокации (сонарной системы)

В этой учебной модели показан линейный массив 3x3 из пьезоэлектрических преобразователей типа Tonpilz. Преобразователи расположены в рамке под поверхностью моря. К ним прикладывается напряжение со своим сдвигом по фазе в каждом из трех рядов. Модель внешней акустической области строится с помощью интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Elements (Скалярная акустика, граничные элементы) и соединяется с моделью пьезоконструкций с помощью мультифизической связи Acoustic-Structure Boundary (Граница Акустика — Конструкция). Таким образом, формируется модель полной системы на основе гибридного метода граничных и конечных элементов.

График из учебной модели Tonpilz Transducer Array for Sonar Systems (Массив преобразователей типа Tonpilz для гидролокаторов).

Поле давления, создаваемое массивом пьезоэлектрических преобразователей типа Tonpilz при частоте 10 кГц.

Поле давления, создаваемое массивом пьезоэлектрических преобразователей типа Tonpilz при частоте 10 кГц.

Ссылка в Галерее приложений на пример использования интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Elements (Скалярная акустика, граничные элементы):
Массив пьезопреобразователей типа Tonpilz для гидролокации

Новая учебная модель: акустика в концертном зале

Эта учебная модель предназначена для анализа акустики в небольшом концертном зале с помощью физического интерфейса Ray Acoustics (Геометрическая акустика). В него была добавлена функция создания графиков Impulse Response (Импульсный отклик). Модель содержит всенаправленный источник звука, граничные условия стен для зеркального и диффузного отражения, оценку акустического давления на границах, набор данных Receiver (Приемник), график Impulse Response (Импульсный отклик) и кривую спада энергии. Результаты сопоставляются с расчетной оценкой времени реверберации.

График из учебной модели Small Concert Hall Acoustics (Акустика в небольшом концертном зале).

Импульсный отклик для небольшого концертного зала, построенный с помощью набора данных Receiver (Приемник), и график Impulse Response (Импульсный отклик), построенный на этапе постобработки.

Импульсный отклик для небольшого концертного зала, построенный с помощью набора данных Receiver (Приемник), и график Impulse Response (Импульсный отклик), построенный на этапе постобработки.

Ссылка в Галерее приложений:
Акустика в концертном зале

Новая учебная модель: рассеяние от подводной лодки, моделирование во временной области и быстрое Фурье-преобразование

Эта модель служит для анализа рассеяния плоской волны на корпусе подводной лодки, определения поля рассеяния и пространственного отклика. Для моделирования этой большой акустической модели во временной области используется интерфейс Pressure Acoustics, Time Explicit (Скалярная акустика с явным указанием времени). Затем проводится быстрое преобразование Фурье, чтобы перенести результаты в частотную область, после чего поле рассеяния исследуется с помощью функции Far-Field Calculation (Расчет дальней зоны).

График из учебной модели под названием Submarine Scattering: Time-Domain Simulation and FFT (Рассеяние от подводной лодки: моделирование во временной области и быстрое Фурье-преобразование).

Поле рассеянного давления после моделирования 12 периодов монохроматических плоских волн фонового поля частотой 700 Гц. Полная длина подводной лодки составляет 32 м.

Поле рассеянного давления после моделирования 12 периодов монохроматических плоских волн фонового поля частотой 700 Гц. Полная длина подводной лодки составляет 32 м.

Ссылка в Галерее приложений:
Рассеяние от подводной лодки: моделирование во временной области и быстрое Фурье-преобразование

Новая учебная модель: вибрирующее MEMS-микрозеркало с вязкостной и термической амортизацией, переходное поведение

Микрозеркала в некоторых микроэлектромеханических системах управляют оптическими компонентами. Эта учебная модель, состоящая из вибрирующего микрозеркала в воздушной среде, показывает расчет актуатора, который быстро приводится в движение, а потом вибрирует с затуханием. Для моделирования взаимодействия текучей среды и твердого тела во временной области модель использует интерфейсы Thermoviscous Acoustics, Transient (Термовязкостная акустика, во временной области) и Pressure Acoustics, Transient (Скалярная акустика, во временной области). Интерфейс Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустикa) содержит всю необходимую информацию о вязкостной и термической амортизации колебаний зеркала в окружающем воздухе.

Графики из учебной модели под названием Vibrating Micromirror with Viscous and Thermal Damping: Transient Behavior (Вибрирующее микрозеркало с вязкостной и термической амортизацией: переходное поведение).

Смещение микрозеркала и распределение давления в заданное время, обозначенные цветами. Переходный процесс смещения зеркала показан на графике с учетом колебаний, демпфированных в результате тепловых и вязкостных потерь.

Смещение микрозеркала и распределение давления в заданное время, обозначенные цветами. Переходный процесс смещения зеркала показан на графике с учетом колебаний, демпфированных в результате тепловых и вязкостных потерь.

Ссылка в Галерее приложений:
Вибрирующее микрозеркало с вязкостной и термической амортизацией: переходное поведение

Новая учебная модель: рассеяние плоской волны от двухмерного осесимметричного объекта, метод разложения по плоским волнам

Задача рассеяния плоской волны от объекта цилиндрической формы предполагает использование двухмерной осесимметричной модели. Это помогает сократить время вычислений и использование памяти по сравнению с использованием трехмерных моделей. В этом примере показано использование встроенной функции разложения по плоским волнам, благодаря которой можно решить эту задачу. В нем также приведены пошаговые инструкции для исследования и постобработки.

График из учебной модели под названием Plane Wave Scattering off a 2D Axisymmetric Object: Plane Wave Expansion Approach (Рассеяние плоской волны от двухмерного осесимметричного объекта, метод разложения по плоским волнам).

Поле рассеянного давления для двухмерной осесимметричной геометрии, вычисляемой посредством разложения по плоским волнам.

Поле рассеянного давления для двухмерной осесимметричной геометрии, вычисляемой посредством разложения по плоским волнам.

Ссылка в Галерее приложений:
Рассеяние плоской волны от двухмерного осесимметричного объекта: метод разложения по плоским волнам

Новая учебная модель: звукопоглощающая конструкция (антивибрационный экран) со скользящим фоновым потоком

В этой модели показано, как вычислить акустические свойства звукопоглощающей конструкции со скользящим потоком. Конструкция состоит из восьми резонаторов с тонкими прорезями и скользящего фонового потока с числом Маха 0.3. Акустическое давление над звукопоглощающей конструкцией можно вычислить и сравнить с результатами опубликованного исследования. В модели поток сначала вычисляется с помощью модели турбулентности SST, доступной в модуле CFD. Затем акустические параметры вычисляются с помощью интерфейса Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain (Линеаризованные уравнения Навье — Стокса, частотная область) в модуле Акустика.

Обратите внимание на то, что для открытия этой модели требуется модуль CFD.

 

Колебания акустической скорости по мере распространения плоских волн над первыми четырьмя резонаторами звукопоглощающей конструкции. На цветном графике показана амплитуда скорости, а стрелки обозначают вектор скорости.

Ссылка в Галерее приложений:
Звукопоглощающая конструкция со скользящим фоновым потоком

Новая учебная модель: расходомер Кориолиса

Расходомер Кориолиса, также известный как массовый или инерционный расходомер, используется для измерения массового расхода текучей среды, проходящей через него. Принцип его работы основан на том, что инерция текучей среды, протекающей сквозь вибрирующую трубку, заставляет эту трубку скручиваться в спираль пропорционально массовому расходу. Как правило, с помощью этого прибора можно также рассчитать плотность и, соответственно, объемный расход.

В этой модели показано, как моделировать типовой расходомер Кориолиса с криволинейной геометрией. Когда жидкость проходит через его эластичную конструкцию (криволинейную трубку), она влияет на движение трубки под действием вибрации. Сдвиг фазы между деформацией двух точек трубки объясняется эффектом Кориолиса и может использоваться для оценки массового расхода жидкости, протекающей по системе.

В этой модели используется интерфейс Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain (Линеаризованные уравнения Навье — Стокса, частотная область), соединенный с интерфейсом _Solid Mechanics (Механика твердого тела) с помощью встроенной мультифизической связи. Осредненный фоновый поток моделируется с помощью интерфейса Turbulent Flow, SST (Турбулентный поток, SST). Таким образом можно эффективно моделировать взаимодействие текучей среды и конструкции в частотной области.

 

Движение трубки расходомера Кориолиса при трех различных значениях массового расхода. Расходомер приводится в движение на собственной частоте конструкции. Амплитуда деформации и фаза промасштабированы для наглядности. По мере роста скорости потока разность фаз в направлении по течению и против него увеличивается.

Ссылка в Галерее приложений:
Расходомер Кориолиса: моделирование взаимодействия текучей среды и конструкции в частотной области

Новая учебная модель: дисперсионные кривые для гибкой трубки, наполненной жидкостью

Дисперсионные кривые для наполненной жидкостью трубки с гибкими стенками можно вычислить и сопоставить с результатами анализа для полностью эластичной трубки и акустического волновода.

Графики из учебной модели Dispersion Curves for a Fluid-Filled Elastic Pipe (Дисперсионные кривые для гибкой трубки, наполненной жидкостью).

Четыре разных связанных виброакустических моды в трубке, наполненной жидкостью.

Четыре разных связанных виброакустических моды в трубке, наполненной жидкостью.

Ссылка в Галерее приложений:
Дисперсионные кривые для гибкой трубки, наполненной жидкостью