Обновления модуля Акустика

Для пользователей модуля Акустика в пакете COMSOL Multiphysics® версии 5.4 было добавлено граничное условие Port (Порт) для скалярной акустики, реализована модель Вестервельта для нелинейной акустики, модели затухания звука в атмосфере и океане. Читайте об этих и многих других обновлениях модуля Акустика ниже.

Порты для скалярной акустики

Новое граничное условие Port может быть использовано для возбуждения и поглощения акустических волн, которые входят или выходят из волноводных структур, таких как трубопроводы и каналы. Условие доступно в интерфейсе Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область). Чтобы обеспечить полное акустическое описание на входе/выходе волновода, можно скомбинировать несколько условий типа Port на одной границе. Включая все соответствующие режимы распространения в исследуемом диапазоне частот, условия порта обеспечивают почти идеальное, неотражающее условие излучения/поглощения для волноводов. По сути, условие представляет собой разложение решения по модам. Во многих случаях новое условие Port (Порт) упрощает работу и повышает точность по сравнению с граничным условием для возбуждения плоской волны или условия типа PML. Условие Port (Порт) позволяет автоматически рассчитывать величину S-параметра (параметр рассеяния), а также включает встроенные переменные постобработки для более удобного вычисления коэффициента затухания (TL) или вносимых потерь (IL). Условие Port (Порт) также может использоваться как источник возбуждения волны с определенной модой колебаний.

Познакомиться с данным функционалом можно в следующих моделях:

Снимок экрана графического интерфейса COMSOL Multiphysics версии 5.4 с окном настроек для граничного условия Port (Порт).

Окно настроек граничного условия Port (Порт) с выбранным прямоугольным типом порта и возбуждением моды плоской волны (0,0). В разделе Результаты показаны расчетные коэффициенты рассеяния и затухания волновода, а также график изоповерхности давления при 710 Гц.

Окно настроек граничного условия Port (Порт) с выбранным прямоугольным типом порта и возбуждением моды плоской волны (0,0). В разделе Результаты показаны расчетные коэффициенты рассеяния и затухания волновода, а также график изоповерхности давления при 710 Гц.

Модель Вестервельта для нелинейной акустики

При высоких уровнях звукового давления распространение волн давления уже не может описываться линейным акустическим волновым уравнением; требуется решение полного нелинейного волнового уравнения второго порядка. Это уравнение можно упростить, если кумулятивные нелинейные эффекты значительно больше, чем локальные нелинейные эффекты, например, когда расстояние распространения больше длины волны. Это особенность реализована в новой материальной модели Nonlinear Acoustics (Westervelt) (Нелинейная акустика, уравнение Вестервельта), которая доступна в интерфейсе Pressure Acoustics, Time Domain (Скалярная акустика, временная область). Данный функционал может использоваться для моделирования высокоамплитудной акустики во временной области, например, в некоторых преобразователях, акустических рупорах и при ультразвуковых расчетах. При этом реализованы и настроены стабилизация ударной волны и специальные настройки решателя.

Ознакомиться с данным нововведением можно в следующих моделях:

Модель расчета уравнения Вестервельта в 1D.

Модель нелинейного распространения и образования ударной волны, созданная с помощью функционала Nonlinear Acoustics (Westervelt) (Нелинейная акустика, уравнение Вестервельта). Распространение после образования ударной волны рассчитано при помощью специальной стабилизации.

Модель нелинейного распространения и образования ударной волны, созданная с помощью функционала Nonlinear Acoustics (Westervelt) (Нелинейная акустика, уравнение Вестервельта). Распространение после образования ударной волны рассчитано при помощью специальной стабилизации.

Модели материалов, описывающие затухание звука в атмосфере и океане

Две новые модели поглощения: одна для атмосферного воздуха и одна для морской воды — теперь включены в интерфейсы типа Pressure Acoustics (Скалярная акустика) для частотной области, а также в интерфейс Ray Acoustics (Геометрическая акустика). Обе модели являются полуаналитическими и откалиброваны с помощью эмпирических данных. В них входит учет эффектов, обусловленных вязкостью, теплопроводностью и релаксационными процессами различных молекул. Модель Atmosphere attenuation (Затухание в атмосфере) определяет затухание по стандарту ANSI S1.26-2014. Модель учитывает зависимость от атмосферного давления (абсолютного давления), температуры и относительной влажности. Модель Ocean attenuation (Затухание в океане) учитывает зависимость от температуры, солености воды, глубины и значения pH, и для этой модели нет установленного стандарта. Указанные эффекты затухания необходимо учитывать как в воздухе, так и в воде при описании распространения волн на большие расстояния и для высокочастотных процессов. Обе модели особенно важны при моделировании трассировки лучей, где распространение звука можно моделировать на очень больших расстояниях. Нововведение, к примеру, используется в модели Underwater Ray Tracing Tutorial in a 2D Axisymmetric Geometry (Учебная модель трассировки лучей под водой в двухмерной осеметричной постановке).

Расчет внешнего поля (Exterior Field)

Exterior Field Calculation (Расчет внешнего поля) представляет собой новую версию ранее доступного функционала Far-Field Calculation (Расчет в дальней зоне). С помощью Far-Field Calculation (Расчет в дальней зоне) можно было определять излучаемое поле не только в дальней зоне (расстояния превышающие радиус Рэлея), но и в любой точке за пределами расчетной (отрисованной) области. Фактически, она использовалась не для вычислений в дальней зоне. Новый функционал предназдначен для использования в тех же применениях, но его название, пользовательский интерфейс и новые значения по умолчанию теперь лучше отражают его назначение. Кроме того, теперь можно визуализировать плоскости симметрии при настройке модели, а созданные по умолчанию графики используют новые настройки и значения по умолчанию.

Познакомиться с указанным функционалом можно в следующих моделях:

Демонстрация функции Exterior Field Calculation (Расчет внешнего поля) в версии 5.4 COMSOL Multiphysics.

Пользовательский интерфейс Exterior Field Calculation (Расчет внешнего поля). В окне Graphics (Графика) теперь подсвечиваются плоскости симметрии, используемые при настройке условия.

Пользовательский интерфейс Exterior Field Calculation (Расчет внешнего поля). В окне Graphics (Графика) теперь подсвечиваются плоскости симметрии, используемые при настройке условия.

Расчет внешнего поля для скалярной акустики во временной области

Функционал Exterior Field Calculation (Расчет внешнего поля) теперь можно использовать во всех интерфейсах Pressure Acoustics (Скалярная акустика) для расчетов во временной области при использовании шага исследования Time to Frequency FFT (Быстрое Фурье-преобразование из временной в частотную область). Создаваемые за счет данного функционала переменные и графики по умолчанию можно использовать при постобработке, в случае если данные для временной области были преобразованы в данные для частотной области с использованием исследования Time to Frequency FFT. Познакомиться с описанным нововведением можно в учебной модели Acoustic Horn: Nonlinear Sound Propagation Using the Westervelt Model (Нелинейное распространение звука в акустическом рупоре на основе модели Вестервельта).

Дополнительный функционал для расчетов на основе метода граничных элементов

Была реализована улучшенная стратегия выбора решателя для гибридных моделей BEM-FEM (Метод граничных элементов / метод конечных элементов), которая дает значительное ускорение в большинстве моделей, особенно в моделях с большим количеством степеней свободы в части конечных элементов. В интерфейсе Pressure Acoustics, Boundary Element (Скалярная акустика, граничные элементы) появились возможности, которые ранее были доступны только в соответствующем интерфейсе на основе конечных элементов:

  • Мультифизические связи с интерфейсами Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика) и Poroelastic Waves (Пороупругие волны)
  • Граничные условия Interior Velocity (Скорость на внутренней границе) и Interior Displacement (Смещение на внутренней границе)
  • Все импедансные модели в условии Impedance (Импеданс), например, RCL circuit (Резистивно-индуктивно-емкостная цепь), Physiological (Физиологический) и т.п.
Гибридная  BEM-FEM модель громкоговорителя. Новая стратегия подбора решателя для гибридных BEM-FEM моделей приводит к заметному ускорению расчета в модели Vibroacoustic Loudspeaker Simulation: Multiphysics with BEM-FEM (Виброакустическая модель громкоговорителя, мультифизическое BEM-FEM моделирование). При определенной конфигурации оборудования время решения уменьшается с 1 часа 37 мин до 51 мин. Новая стратегия подбора решателя для гибридных BEM-FEM моделей приводит к заметному ускорению расчета в модели Vibroacoustic Loudspeaker Simulation: Multiphysics with BEM-FEM (Виброакустическая модель громкоговорителя, мультифизическое BEM-FEM моделирование). При определенной конфигурации оборудования время решения уменьшается с 1 часа 37 мин до 51 мин.

Адиабатическая формулировка для решения линеаризованного уравнения Навье — Стокса и задач термовязкостной акустики

В интерфейсах Linearized Navier-Stokes (Линеаризованное уравнение Навье — Стокса) и Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика) теперь можно использовать опцию Adiabatic formulation (Адиабатическая формулировка) для управляющих уравнений. Эта формулировка является хорошим приближением для большинства жидкостей, таких как вода, в которых тепловые эффекты малы по сравнению с эффектами вязкости. В тех случаях, когда новая опция физически обоснована, рекомендуется использовать ее, так как она сокращает вычислительные требования для модели. Это связано с тем, что температурные степени свободы больше не участвуют в расчетах, а напрямую зависят от давления (адиабатический процесс).

Познакомиться с данным функционалом можно в следующих моделях:

Стабилизация подавления градиентных слагаемых (GTS) для линеаризованных интерфейсов Навье — Стокса

В физических интерфейсах для линеаризованного уравнения Навье — Стокса теперь можно использовать метод подавления градиентных слагаемых. При решении линеаризованных уравнений Навье — Стокса могут образовываться волны линейной неустойчивости, известные как неустойчивости Кельвина — Гельмгольца. Эти неустойчивости могут расти со временем или при решении системы с помощью итерационных решателей. За неустойчивости обычно отвечают реактивные слагаемые в управляющих уравнениях. В некоторых задачах рост этих неустойчивостей можно ограничить, оставляя акустическое решение неизменным, подавляя слагаемые с градиентами средних значений по потоку. Этот метод стабилизации называется подавлением градиентных слагаемых. Слагаемые, которые можно исключить, делятся на Reactive terms (Реактивные слагаемые) и Convective terms (Конвективные слагаемые).

Новые и обновленные графики по умолчанию

Обновлены некоторые графики по умолчанию. Цветовые схемы в разных физических интерфейсах теперь согласованы. Например, цветовая схема Wave (Волновая) имеет симметричный диапазон для представления акустического давления, а цветовая схема ThеrmalEquidistant (Эквидистантная тепловая) представляет осцилляции температуры в термовязкостной акустике. При выполнении анализа на собственные частоты добавляется новая Evaluation Group (Группа расчета данных) с информацией о рассчитанных собственных частотах, коэффициенте затухания и добротности. Графики по умолчанию для внешнего поля теперь используют обновленный функционал и настройки по умолчанию.

Познакомиться с изменениями можно в следующих моделях:

Модулированный гауссиан для фонового поля и поля падающего излучения

В интерфейсах Pressure Acoustics (Скалярная акустика) для временной области появилась опция Modulated Gaussian pulse (Модулированный гауссовский импульс) при задании фонового акустического поля или акустического поля падающего излучения. Эта опция полезна, например, при моделировании задач рассеяния во временной области. В таких случаях модулированный гауссовский импульс может быть настроен на диапазон частот с центром на несущей частоте.

Анимация распространения и рассеяния гауссовского импульса на подводной лодке, изображение в виде изоповерхностей.

Свойства материалов воздуха и воды дополнены данными по акустическим свойствам

Были обновлены данные для материалов Air и Water, liquid в разделе Built-In Materials (Встроенные материалы), в частности в них появились свойства, которые можно использовать для упрощения моделирования акустических задач. Для обоих материалов добавлены величины объемной вязкости и коэффициента теплового расширения. Для воды также добавлено зависящее от температуры выражение для отношения удельных теплоемкостей. Чтобы воспользоваться новыми и обновленными данными, при открытии существующей модели удалите материал и добавьте его снова из окна Add Material (Добавить материал).

Указанный функционал используется в следующих моделях:

Скриншот интерфейса COMSOL Multiphysics с открытой моделью, в которой для расчета используется свойство объемной вязкости, заданное в материале.

Повышена простота и эффективность сборки моделей в физических интерфейсах Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика) или Linearized Navier-Stokes (Линеаризованное уравнение Навье — Стокса) за счет использования нового свойства Bulk viscosity (Объемная вязкость), заданного для материала Air (Воздух).

Повышена простота и эффективность сборки моделей в физических интерфейсах Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика) или Linearized Navier-Stokes (Линеаризованное уравнение Навье — Стокса) за счет использования нового свойства Bulk viscosity (Объемная вязкость), заданного для материала Air (Воздух).

Обновления в интерфейсе Геометрическая акустика

В интерфейсе Ray Acoustics (Геометрическая акустика) улучшили метод расчета интенсивности в поглощающих и ослабляющих средах, что позволит включать затухание в области без сетки при трассировке лучей, а также для окружающего геометрию пространства. Также была улучшена общая точность расчета интенсивности. Был введен новый раздел Material Properties of Exterior and Unmeshed Domains (Свойства материалов во внешних областях и областях без сетки), в котором можно указать коэффициент затухания, скорость звука и плотность. Для граничного условия Wall (Стенка) улучшено поведение модели шероховатости Рэлея. В интерфейс Ray Acoustics (Геометрическая акустика) также добавлена новая опция для вычисления интенсивности, Compute power (Вычислять мощность), которая использует меньшее количество степеней свободы, чем опция Compute intensity and power (Вычислять интенсивность и мощность), но по-прежнему позволяет вычислить уровень звукового давления на границах и построить график импульсного отклика. Однако, чтобы рассчитать интенсивность или уровень звукового давления вдоль лучей, по-прежнему следует использовать функцию Compute intensity (Вычислять интенсивность) или Compute intensity and power (Вычислять интенсивность и мощность).

Познакомиться с данными нововведениями можно в следующих моделях:

Важные улучшения и исправления ошибок

Общие улучшения

  • Основная геометрия теперь видна при предварительном просмотры набора данных Grid. Это работает также для наборов данных типа секущая точка, секущая линия и секущая плоскость, ссылающихся на набор данных типа Grid.
  • Облегчено управление ориентацией оси и диапазоном величин для графиков в полярных координатах
  • В настройках графика Radiation Pattern (Диаграмма излучения), набора данных Grid, а также набора данных Parameterized Curve/Surface (Параметризованная кривая/поверхность) теперь всегда используется пространственный фрейм (spatial frame) *
  • Опция Ideal gas (Идеальный газ) для задания сжимаемости и плотности доступна в интерфейсах Linearized Navier-Stokes (Линеаризованное уравнение Навье — Стокса)
  • Теперь в интерфейсах Linearized Navier-Stokes (Линеаризованное уравнение Навье — Стокса) и Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика) имеется опция From speed of sound (На основе скорости звука) для задания сжимаемости и теплового расширения
  • В интерефейсах Linearized Navier-Stokes (Линеаризованное уравнение Навье — Стокса) была улучшена стабилизация для случаев фоновых потоков с большими градиентами
  • В большинстве физических интерфейсов в условии Periodic Condition (Периодическое условие) теперь есть пользовательская опция для тонкой настройки взаимосвязями между компонентами полей

Улучшения постобработки

  • Переменные для импеданса теперь определены для границ с предопределенными величинами ускорения, скорости и смещения в интерфейсе Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область)
  • В интерфейсе Thermoviscous, Boundary Mode (Термовязкостная акустика, граничные моды) теперь доступна переменная для сосредоточенного характеристического импеданса*
  • Для граничных условий импеданса заданы переменные постобработки для поглощения звука при падении под прямым углом (acpr.imp1.alpha\_n) и для поглощения при случайном угле падения (acpr.imp1.alpha\_ran)

Улучшения решателей

  • Рекомендуемый итерационный решатель теперь работает для задач нахождения собственных частот в интерфейсе Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика)
  • Опция Aggregation (Объединение) теперь используется для всех рекомендуемых решателей, основанных на предобусловливании с декомпозицией области (Domain Decomposition). Этот метод полностью распараллеливается
  • Рекомендуемый итерационный решатель теперь создается для задач с мультифизической связью Solid-Shell (Твердое тело — оболочка) при наличии интерфейса для скальной акустики как в интерфейсах на основе метода граничных элементов, так и в интерфейсах на основе метода конечных элементов

Новые и обновленные учебные модели и приложения

Версия 5.4 программного пакета COMSOL Multiphysics® содержит несколько новых и обновленных учебных моделей.