Обновления модуля Акустика

Для пользователей модуля Акустика в версии программного пакета COMSOL Multiphysics® 5.5 стал доступен новый физический интерфейс Elastic Waves, Time Explicit Physics (Упругие волны, формулировка для явного решателя), его мультифизическая связка с аналогичным интерфейсом для скалярной акустики, а также граничное условие Port (Порт) для интерфейса Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain (Термовязкостная акустика в частотной области). Подробнее об этих и многих других обновлениях модуля Акустика можно узнать далее.

Новый физический интерфейс Elastic Waves, Time Explicit

Новый физический интерфейс Elastic Waves, Time Explicit (Упругие волны, формулировка для явного решателя) основан на разрывном методе Галеркина и позволяет проводить эффективные вычисления (с возможностью распараллеливания) распространения упругих волн в твердых телах. Доступно задание реалистичных данных по материалам, включая анизотропию и демпфирование. Интерфейс подходит для исследования распространения ультразвука в твердых телах (в т.ч. в приемопередатчиках и зондах), а также численного моделирования задач неразрушающего контроля и распространения сейсмических волн в почве и горных породах, т.е. он применим к расчету любой большой акустической системы во временной области.

Новый физический интерфейс представлен в следующих моделях:

COMSOL Multiphysics UI: окно настроек физического интерфейса Elastic Waves, Time Explicit (Упругие волны, формулировка для явного решателя) и график, показывающий сейсмические волны в момент 5 секунд. Использование интерфейса Elastic Waves, Time Explicit COMSOL Multiphysics UI: окно настроек физического интерфейса Elastic Waves, Time Explicit (Упругие волны, формулировка для явного решателя) и результат расчета сейсмических волн, распространяющихся в почве.

Мультифизический виброакустическая (ASI) связка интерфейсов группы Time Explicit

Для моделирования крупномасштабных виброакустических (ASI) задач во временной области перь доступна новая мультифизическая связка Acoustic-Structure Interaction, Time Explicit. Она позволяет сопрячь физический интерфейс Pressure Acoustics, Time Explicit (Скалярная акустика, формулировка для явного решателя) и новый физический интерфейс Elastic Waves, Time Explicit (Упругие волны, формулировка для явного решателя). Для максимально эффективного использования явных решетелей необходимо использовать независимые сетки в доменах с различными акустическими свойствами. Связка в таком случае может быть реализована с помощью новой опции Pair Acoustic-Structure Boundary, Time Explicit, которая позволяет сопрягать границы в тождественной паре (Identity Pair) для геометрической сборки (Assembly). Применение независимых сеток является естественным расширением и преимуществом использования формулировке на основе разрывных элементов. Новая мультифизическая связка используется в модели Установка иммерсионного ультразвукового контроля.

Окно настроек для мультифизической связки Pair Acoustic-Structure Boundary, Time Explicit. Использование мультифизической связки Acoustic-Structure Boundary, Time Explicit В новой модели Установка ультразвукового контроля можно увидеть настройки новой мультифизической связки Pair Acoustic-Structure Boundary, Time Explicit.

Условия для границ материалов, пар (геометрических сборок), а также задание диссипации в интерфейсах группы Time Explicit

В интерфейcах Pressure Acoustics, Time Explicit (Скалярная акустика, формулировка для явного решателя) и Convected Wave Equation, Time Explicit (конвекционная акустика, формулировка для явного решателя), основанных на неразрывном методе Галеркина, теперь можно задавать диссипацию, которая играет важную роль при моделировании высокочастотных явлений, например ультразвуковой визуализации и расходомеров.

В интерфейса хгруппы Time Explicit предусмотрено внутреннее граничное условие Material Discontinuity (Неоднородность материала) и условие для тождественной пары Continuity (Непрерывность). Они используются для обработки резких переходов в свойствах материала (для непрерывной сетки) или для сборки с независимой сеткой. Условие Material Discontinuity представлено в модели Распространение упругих волн в области границы изотропного и анизотропного материала.

Окно настроек граничного условия Material Discontinuity (Неоднородность материала): открыт раздел Boundary Selection (Выбор границ), а справа показан график давления для модели. Использование граничного условия Material Discontinuity Использование граничного условия Material Discontinuity на границе изотропного и анизотропного твердого материала.

Порты для термовязкостной акустики

Новое граничное условие Port (Порт), теперь доступное в интерфейсе Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain, может быть использовано для возбуждения и поглощения акустических волн, которые входят или выходят из волноводных структур (используемых в микроакустиких приложениях). Условия типа Port обеспечивают почти идеальное, неотражающее условие на входе/выходе для волноводов, в том числе в вязких и тепловых погранслоях. Новое условие Port (Порт) упростит работу и повысит точность по сравнению с граничным условием Impedance или c конфигурацией с использованием PML. Работая с расчетом микроакустических системам, можно использовать два условия Port (Порт) и получать на выходе автоматический расчет матрицы рассеяния, матрицы передаточных функций и матрицы импеданса. Все они являются упрощенными сосредоточенными представлениями подсистем, используемых, как правило, для эффективного анализа их интеграции в сложную акустическую систему. Новое граничное условие представлено в модели Акустика фильтра ушной серы для слухового аппарата: вычисление матрицы передаточных функций.

Окно настроек граничного условия Port (Порт), в котором открыт раздел Port Properties (Свойства порта) и список доступных для выбора типов порта. Использование граничного условия Port (Порт) в физическом интерфейсе Thermoviscous acoustics, Frequency Domain Использование граничного условия Port (Порт) в физическом интерфейсе Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain. Для указания типа порта доступны три варианта: User defined (Пользовательский), Numeric (Численный) и Circular (Круглый).

Обновления граничного условия Port (Порт) для интерфейса Pressure Acoustics

Условие Port (Порт) теперь доступно для интерфейса Pressure Acoustics, Frequency Domain в 2d-постановках и позволяет задать формы мод с помощью опций User defined (Пользовательский) и Slit. В общем случае при выполнении свипа по портам и наличии двух портов — одного на входе и одного на выходе — матрица передаточных функций и матрица импеданса вычисляются автоматически. В версии COMSOL Multiphysics® 5.5 при использовании двух и более портов новые переменные для оценки коэффициента передачи от одного порта к другому создаются автоматически. Обновленные функциональные возможности представлены в модели Оптимизация формы акустического демультиплексора.

Мультифизическая связка Background Fluid Flow Coupling и исследование Mapping для аэроакустических расчетов

В версии 5.5 для автоматизации и упрощения сопряжения моделей вычислительной гидродинамики и конвекционной акустики введена новая мультифизическая связка Background Fluid Flow Coupling (Связка для учета фонового потока флюида) и доступно новое специализированное исследование Mapping (Маппинг). Связка доступна для интерфейсов типа Linearized Navier-Stokes, Linearized Euler и Convected Wave Equation. С помощью мультифизической связи и маппинга полученное решение задачи вычислительной гидродинамики правильно отображается с сетки для гидродинамической задача на сетку для акустической задач, в т.ч. с учетом разных степеней дискретизации. За счет маппинга и интерполяции можно избежать появления численного шума в акустической модели, в которой крайне важно правильно работать с реактивными членами уравнения.

Новые функциональные возможности представлены в следующих моделях:

Настройки мультифизической связки Background Fluid Flow Coupling: открыт раздел Variables to Map (Переменные для маппинга) в модели расчета резонатора Гельмгольца. Связка расчетов фонового потока и акустики Мультифизическая связка Background Fluid Flow Coupling и исследование Mapping, позволяют более автоматизированно провести учет фонового потока в аэроакустических расчетах, что показано в учебной модели расчета характеристик резонатора Гельмгольца с потоком флюида.

Модели анизотропного материала для скалярной акустики

Благодаря новой модели материала Anisotropic Acoustics (Анизотропная акустика) для скалярной акустики можно задавать жидкости с эффективной анизотропной плотностью и эффективным скалярным упругим модулем. Таким образом можно установить усредненные свойства материала для метаматериалов и определить эффективные свойства жидкости для анизотропных по структуре пористых и волокнистых материалов. Эффективная плотность может быть определена в следующих форматах: Isotropic (Изотропная), Diagonal (Диагональная) или Symmetric (Симметричная). Использование новой модели материала продемонстрировано в модели Акустическая маскировка.

Мультифизическая связка Lorentz Coupling для электроакустических преобразователей Мультифизическая связка Lorentz Coupling обеспечивает двустороннюю связь между интерфейсами Magnetic Fields (Магнитные поля) и Solid Mechanics (Механика твердого тела). Сила Лоренца определяется путем вычисления векторного произведения плотности тока (J) и магнитного потока (B) внутри выбранной области. Эта сила затем используется в качестве объемной нагрузки в механической части задачи. В то же время расчетная скорость из интерфеса Solid Mechanics применяется в интерфейсе Magnetic Fields для учета обратного ЭДС или Лоренц-слагаемого в соответствующих управляющих уравнениях. Связка автоматически учитывает использование подвижных сеток и различных фреймов (пространственного и материального).

Связка предназначена для проводящих немагнитных областей, таких как медные катушки. В сочетании с мультифизической виброакустической связкой Acoustic-Structure Boundary она позволяет значительно упростить моделирование электроакустических преобразователей. Данный функционал доступен в двухмерных и трехмерных постановках для исследований Time Dependent, Frequency Domain (Perturbation) и Eigenfrequency. Новая связка представлена в следующих моделях: Громкоговоритель: анализ в частотной области и Громкоговоритель: анализ во временной области.

Использование мультифизической связки Lorentz Coupling в COMSOL Multiphysics для моделирования драйвера громкоговорителя.

Использование мультифизической связки Lorentz Coupling

Использование мультифизической связки Lorentz Coupling в COMSOL Multiphysics для моделирования драйвера громкоговорителя.

Мультифизическая связка Acoustic-Pipe Acoustic Connection

Благодаря новой мультифизической связке Acoustic-Pipe Acoustic Connection теперь можно сопрячь интерфейсы группы Pressure Acoustics (Cкалярная акустика) с интерфейсами Pipe Acoustics (Акустика в трубах) как в рамках исследований в частотной области, так и при моделировании во временной области. Связь организуется между точкой в интерфейсе Pipe Acoustics и границей в интерфейсе Pressure Acoustics. Новые возможности сопряжения представлены в моделях Микрофон с тестовой трубкой и Акустика системы труб с трехмерным изгибом и соединением.

Настройки для мультифизической связки Acoustic-Pipe Acoustic Connection. Использование мультифизической связки Acoustic-Pipe Acoustic Connection Использование новой мультифизической связки Acoustic-Pipe Acoustic Connection в учебной модели Акустика системы труб с трехмерным изгибом и соединением.

Виброакустические связки с интерфейсами для расчета многослойных механических оболочек

Виброакустические мультифизические связки (ASI) теперь поддерживают сопряжение с физическим интерфейсом Layered Shell (Многослойные оболочки). Таким образом можно проводить виброакустические расчеты, в которых задействованы композитные материалы и прочие слоистые структуры. Обратите внимание на то, что для использования этой связки потребуется модуль Композитные материалы.

Интерфейс Layered Shell теперь поддерживается в следующих мультифизических связках:

  • Acoustic-Structure Boundary (связка с Pressure Acoustics)
  • Thermoviscous Acoustic-Structure Boundary (Связка с Thermoviscous Acoustic)
  • Aeroacoustic-Structure Boundary (Связка с аэроакустическими интерфейсами) 
  • Porous-Structure Boundary (Связка с интерфейсом Poroelastic Waves)

Оптимизированное условие Acoustophoretic Force (Акустофоретическая сила)

Условие Acoustophoretic Force (Акустофоретическая сила) теперь называется Acoustophoretic Radiation Force (Сила акустофоретического излучения). Теперь стали доступны новые, более точные выражения для силы, учитывающие вязкиее и тепловые пограничные слои, формирующиеся вокруг частиц в поле акустического давления. Теперь можно указать, в каком состоянии находятся частицы — в твердом или в жидком. Кроме того, можно выбрать модель термодинамических потерь: Ideal (Идеальные), Viscous (Вязкие) или Thermoviscous (Термовязкие). Это условие в интерфейсе Трассировка частиц в потоке жидкости можно использовать в связке с данными из интерфейсов Pressure Acoustics и Thermoviscous Acoustics для моделирования сортировки твердых частиц и других видов воздействия акустики на жидкость. Обновленное условие используется в моделях Акустический левитатор и Акустические потоки в поперечном сечении микроканала.

Обновления интерфейса Ray Acoustics (Геометрическая акустика)

Предпросмотр начальных позиций лучей

Для просмотра стартовых координат лучей в виде сетки точек в разделе Initial Coordinates (Исходные координаты) окна настроек нажмите кнопку Preview Initial Coordinates (Просмотр начальных координат). Альтернативно можно оценить область, где заданы исходные координаты лучей, по нажатию на кнопку Preview Initial Extents (Просмотр начальной области). Таким образом можно проверить начальные положения группы лучей до выполнения исследования.

Cтоит отметить, что щелкнув правой кнопкой мыши на узле Study (Исследование) и выбрав опцию Get Initial Value (Получить исходные значения), можно в постобработке просмотреть начальные положения лучей и волновые векторы для всех условий запуска.

Пользовательский интерфейс COMSOL Multiphysics с открытой моделью, в которой исходные координаты лучей показаны в виде набора точек. Начальные положения лучей в виде решетки точек Графическое окно после нажатия на кнопку Preview Initial Coordinates (Просмотр начальных координат).
Пользовательский интерфейс COMSOL Multiphysics с открытой моделью, в которой границы области, где заданы исходные положения лучей, показаны в виде рамки. Границы области, в которой заданы начальные положения лучей Графическое окно после нажатия на кнопку Preview Initial Extents (Просмотр начальной области).

Новый тип запуска лучей: коническое гексаполярное распределение

При задании запуска лучей в форме конуса доступен новый тип конического распределения: Hexapolar (Гексаполярный). При использовании опции Hexapolar (Гексаполярный) лучи исходят под равномерно распределенными углами от оси конуса, и в каждом следующем кольце на шесть лучей больше, чем в предыдущем.

Запуск лучей с коническим гексаполярным распределением. Лучи показаны стрелками радужной окраски и направлены вправо. Запуск лучей с коническим гексаполярным распределением: вид сбоку Запуск лучей с коническим гексаполярным распределением: вид сбоку.
Запуск лучей с коническим гексаполярным распределением. Лучи показаны стрелками радужной окраски и направлены вперед, указывая на смотрящего. Запуск лучей с коническим гексаполярным распределением: вид спереди Запуск лучей с коническим гексаполярным распределением: вид спереди.

Условие изотропного рассеяния лучей на стенке

Теперь можно выбрать опцию Isotropic scattering (Изотропное рассеяние) в качестве условия на стенке (Wall). Аналогично опции Diffuse scattering (Диффузное рассеяние), условие Isotropic scattering задает отражение лучей с произвольным направлением векторной скорости относительно нормали к поверхности. В то время как для Diffuse scattering используется распределение вероятностей на основе закона косинуса, для Isotropic scattering применяется распределение вероятностей, обеспечивающее эквивалентный поток под любым дифференциальным телесным углом на полусфере.

Сравнение условия диффузного рассеяния на стенке и изотропного рассеяния на стенке. Сравнение условий рассеяния лучей на стенке Сравнение условий диффузного (слева) и изотропного (справа) рассеяния на стенке. С каждой стороны показано распределение 1000 лучей.


Переименование некоторых условий запуска лучей

Некоторые условия запуска лучей в версии COMSOL Multiphysics® 5.5 переименованы. Условие Inlet теперь называется Release from Boundary (Запуск с границы), а условие Inlet on Axis для двумерных осесимметричных моделей называется теперь Release from Symmetry Axis (Запуск с оси симметрии).

Пользовательский интерфейс в версии COMSOL Multiphysics 5.5: показаны условия запуска Release from Boundary и Release from Symmetry Axis. Отображение обновленных названий для условий запуска лучей Выбор граничных условий в интерфейсе Geometrical Optics (Геометрическая оптика) для двумерной осесимметричной модели.

Усовершенствования для предлагаемых конфигураций итерационных солверов

Улучшены предлагаемые в автоматическом режиме конфигурации решателей для мультифизических моделей, в которых используются в т.ч. интерфейсы модуля Акустика. Кроме того, переменные множителя Лагранжа правильно обрабатываются предобусловливателем Ванка. Теперь предлагаемые решатели отлично адаптированы к следующим мультифизическим связкам и их сочетаниям:

  • Acoustic BEM-FEM Boundary
  • Acoustic-Structure Boundary 
  • Thermoviscous Acoustic-Structure Boundary
  • Acoustic-Thermoviscous Acoustic Boundary
  • Aeroacoustic-Structure Boundary
  • Piezoelectric Coupling
  • Solid-Shell Connection

Стандартные и предлагаемые решатели также улучшены для интерфейса Compressible Potential Flow (Сжимаемый потенциальный поток). При сопряжении интерфейсов Compressible Potential Flow (Сжимаемый потенциальный поток) и Linearized Potential Flow (Линеаризованный потенциальный поток) для моделирования конвекционной акустики доступны комбинированные решетели Stationary-Frequency и Stationary-Transient. Для виброакустических моделей, т.е. с попряжением Pressure Acoustics и Solid Mechanics с помощью мультифизической связки Acoustic-Structure Boundary добавлна вторая предлагаемая конфигурация итерационных солверов. Кроме того, добавлен улучшенный решатель для интерфейсов группы Linearized Euler. Некоторые из этих усовершенствований представлены в модели Громкоговоритель с фазоинвертором.

Модель громкоговорителя в COMSOL Multiphysics: открыто окно настроек для предлагаемой конфигурации итерационного решателя. Использование предлагаемой конфигурации итерационного солвера в модели Использование опции Suggested Iterative Solver (Предлагаемая конфигурация итерационного решателя) в учебной модели Loudspeaker Driver in a Vented Loudspeaker Enclosure (Громкоговоритель с фазоинвертором).

Новые решатели для крупномасштабных акустических задач в частотной области

Для расчетов в частотной области с помощью интерфейса Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика в частотной области) доступны два итерационных решателя, предназначенных для конечно-элементных акустических постановок для высоких частот. Во-первых, методика Domain Decomposition (декомпозиция доменов), полезная при выполнении кластерных вычислений, теперь работае для моделей, в которых применены условия поглощения к границам области. Во-вторых, теперь можно использовать новую Shifted Laplacian в качестве предобусловливателя как для стандартного мультисеточного предобусловливателя, так и при использовании Domain Decomposition. Первый вариант идеален для больших моделей, расчет которых проводится без использования кластерных возможностей пакета.

С помощью этой новой опции теперь можно получить решение для значительно более сложных акустических моделей. Например, расчет сойдется при моделировании акустики в салоне автомобиля в диапазоне до 7 кГц (для последней частотной точки с 83,5 млн степеней свободы потребуется 105 Гб оперативной памяти), в то время как в более ранних версиях сходимость достигалась только при частоте не более 3 кГц. Фактически эффективность возрастает на порядок, поскольку масштабирование задач акустики в частотной области пропорционально кубу частоты. Использование и конкретные настройки опции Shifted Laplacian представлены в модели Акустика салона автомобиля: расчет в частотной области.

Модель салона автомобиля: акустический отклик показан на цветовой схеме Wave (в красном, белом и синем цветах). Акустика салона автомобиля Акустический отклик (распределение давления) в салоне автомобиля на частоте 7 кГц, рассчитанный с помощью новой настройки Shifted Laplacian для решателя.

Реструктуризация дерева Мастера создания моделей и Библиотеки моделей и приложений

С введением нового интерфейса Elastic Waves, Time Explicit рубрикация физических интерфейсов в дереве Мастера создания моделей обновлена, и добавлены две новые ветки: Elastic Waves (Упругие волны) и Pipe Acoustics (Акустика трубопроводов). В Библиотеке моделей и приложений также добавлены новые категории для более эффективной организации имеющихся и новых учебных моделей:

  • Elastic Waves (Упругие волны)
  • Tutorials, Pressure Acoustics (Учебные модели: скалярная акустика)
  • Tutorials, Pipe Acoustics (Учебные модели: акустика трубопроводов)
  • Tutorials, Thermoviscous Acoustics (Учебные модели: термовязкостная акустика)

Важные усовершенствования возможностей модуля Акустика

  • Условие Exterior Field Calculation (Расчет внешнего поля)
    • Теперь можно явного задать положение плоскости симметрии и антисимметрии
  • Постобработка
    • При применении графиков Octave Band теперь можно использовать формат 1/6 октавы
    • В графиках 1D Radiation Pattern для двумерных моделей теперь можно задать референсное направление.
    • Для графика Directivity (Направленность) реализована полноценная логарифмическая шкала, а сам график теперь относится к 1d-группе
  • Опции Exclude Edges (Исключить грани) и Exclude Points (Исключить точки)
    • Теперь добавлены для всех граничных условий ограничений типа Дирихле в следующих физических интерфейсах:
    • Thermoviscous Acoustics
    • Linearized Navier-Stokes
    • Linearized Euler
    • Позволяют корректно настраивать решение задач с избытком ограничений для некоторых сочетаний граничных условий
    • Доступно при выборе опции View Advanced Physics
  • Единица "rayl" (рэлей) для размерности удельного акустического импеданса
    • Система СИ: [rayl]
    • Система СГС: [rayls_cgs]
  • Переменные поверхностного напряжения предусмотрены для внешних и внутренних границ в следующих интерфейсах:
    • Thermoviscous Acoustics
    • Linearized Navier-Stokes
    • Для граничного условия Impedance доступна новая опция Absorption Coefficient (Коэффициент поглощения)
    • Упрощает ввод эмпирических данных о поверхностном импедансе
    • Полезна на высоких частотах
    • Доступна для всех интерфейсов группы Pressure Acoustics
  • Условие Characteristic specific impedance (Характеристический импеданс) в интерфейсах группы Pressure Acoustics
    • Эффективно при моделировании волн, распространяющихся под заданным углом к границе
    • Априорное знание направления, может существенно улучшить задание простого неотражающего условия

Расширенная поддержка модели гистерезиса Джилса — Атертона

Модель нелинейного материала Magnetostrictive Material (Магнитострикционный материал) была расширена путем включения модели магнитного гистерезиса Джилса — Атертона. Данная модель подходит для анализа эффектов гистерезисных потерь в таких областях применения, как силовые трансформаторы и электрические вращающиеся машины. Параметры модели связаны с микроскопическими физическими эффектами в магнитных материалах, которые обычно оцениваются на основе экспериментальных данных.

Кроме того, модель материала с магнитным гистерезисом Джилса — Атертона теперь можно быть использована в рамках параметрического стационарного анализа (ранее она была доступна только для исследований во временной области). Ферромагнитный гистерезис для низких и средних частот не зависит от скорости и может быть описан с помощью параметрического стационарного анализа, например при исследовании намагничивания и размагничивания.

Окно настроек для модели материала Magnetostrictive Material, а также точечный график с петлей гистерезиса. Описание магнитного гистерезиса Окно настроек для модели материала Magnetostrictive Material, а также точечный график с расчетной петлей гистерезиса.

Визуализация нагрузок

Приложенные механические нагрузки теперь отображаются в качестве дефолтных графиков для моделей с использованием любых интерфейсов для расчета механики конструкций. Графики нагрузок зависят от конкертного решения, поэтому направления стрелок и цвета обновляются при обновлении набора данных с новым решением. Даже абстрактные нагрузки, такие как силы и моменты, приложенные к жестким соединителям и жестким областям, отображаются на графике в их истинной точке приложения. Был введен новый тип стрелки, используемый для построения приложенных моментов. В более чем 100 моделях из галереи моделей и приложений теперь используется данный тип визуализации.

Три модели труб: представление различных механических нагрузок с использованием красных стрелок. Отображение нагрузок, действующих на трубу Три конфигурации нагрузок, представленных в виде графика (на примере модели трубы).

Новые учебные модели

В версии 5.5 добавлен ряд новых учебных моделей и обновлены некоторые из ранее доступных.