Модуль акустика

Проводите расчеты акустических волн и вибраций с помощью модуля Акустика

Программный пакет для моделирования акустических явлений в устройствах и конструкциях

С помощью моделирования можно исследовать и улучшать качество звука и снижать уровень шума для различных устройств и конструкций, основанных на акустических явлениях и эффектах. Модуль Акустика расширяет возможности пакета COMSOL Multiphysics^® и предоставляет набор инструментов для моделирования акустических волн и вибраций в громкоговорителях, мобильных устройствах, микрофонах, звукопоглощающих устройствах, датчиках, сонарах и расходомерах. Вы можете использовать специализированные функции для визуализации акустических полей и построения виртуальных прототипов устройств и компонентов.

Для более подробных исследований можно рассматривать акустику совместно другими физическими эффектами, в числе которых механика конструкций, пьезоэлектрические явления и гидродинамика. Программный пакет COMSOL^® содержит мультифизические связи, позволяющие рассчитывать рабочие характеристики устройств и конструкций в максимально приближенных к реальным условиях.

Модуль Акустика также включает множество специализированных формулировок и материальных моделей, которые можно использовать для узкоспециализированных прикладных задач, например, для расчета термических и вязких потерь (т.н. термовязкостная акустика) в миниатюрных преобразователях и мобильных устройствах или для расчета пороупрогих волн и колебаний на основе уравнений Био. Мультифизический функционал дополнительно расширяется за счет использования нескольких специализированных численных методов, включая метод конечных элементов (МКЭ - FEM), метод граничных элементов (МГЭ - BEM), трассировку лучей (Ray Tracing) и разрывный метод конечных элементов Галеркина (dG-FEM).

Области применения модуля Акустика

Дополняя базовую платформу COMSOL Multiphysics^® модулем Акустика, вы получаете доступ к специализированным методам анализа акустических колебаний и вибраций, расширяющим возможности программного пакета COMSOL^®.

Модуль Акустика включает инструменты для моделирования следующих задач:

• Поглотители и демпферы
• Акустическая маскировка
• Излучение звука
• Акустические течения

• Микрофоны
• Мобильные устройства
• Формы колеабний помещений и конструкций
• Глушители

• Задачи биологической акустики
• Объемные акустические волны (ОАВ - BAW)
• Акустика концертных залов
• Конвекционная акустика
• Неустойчивость горения
• Кориолисовы расходомеры
• Акустика салонов автомобилей
• Диффузоры
• Электроакустические преобразователи
• Расходомеры
• Шум от потока жидкости
• Взаимодействие текучей среды и конструкции в частотной области
• Слуховые аппараты
• Импульсные характеристики
• Шум реактивных двигателей
• Громкоговорители
• Микроэлектромеханические акустические датчики
• Микроэлектромеханические микрофоны

• Музыкальные инструменты
• Шум и вибрации механического оборудования
• Звукопоглощающие материалы и звукоизоляция
• Неразрушающие испытания и контроль (NDT)
• Нефтегазоразведка
• Пьезоакустические преобразователи
• Реактивные и абсорбционные глушители
• Акустика помещений и зданий
• Излучатели
• Датчики и приемники
• Гидролокационные устройства (Сонары)
• Поверхностные акустические волны (ПАВ - SAW)
• Звукоизоляция
• Виброакустика
• Низкочастотные и сверхнизкочастотные динамики и сабвуферы
• Ультразвук
• Ультразвуковые расходомеры
• Ультразвуковые преобразователи
• Подводная акустика (гидроакустика)

Мультифизические связи

Доступные непосредственно в модуле Акустика:

• Взаимодействие акустических волн и колебаний в твердотельных конструкциях (ASI)
• ASI в пьезоэлектрических материалах
• Взаимодействие акустических и пороупругих волн
• Взаимодействие пороупругих волн и колебаний в твердотельных конструкциях
• Связывание акустических областей, описываемых на основе МКЭ и МГЭ (FEM и BEM)
• Связывание акустических областей, описываемых на основе скалярной и термовязкостной акустики
• Взаимодействие акустических волн с учетом термических и вязких потерь и колебаний в твердотельных конструкциях (Thermoviscous ASI)
• Взаимодействие акустических волн с учетом фоновых потоков (аэроакустика) и колебаний в твердотельных конструкциях (Aero ASI)

Доступные при наличии дополнительных модулей расширения:

• Взаимодействие акустических волн и колебаний в твердотельных оболочках
• Взаимодействие акустических волн с учетом термических и вязких потерь и колебаний и колебаний в твердотельных оболочках
• Распространение звука в системах трубопроводов
• Задание электрических характеристик преобразователей на основе сосредоточенных моделей
• Задание электродинамических свойств магнитов, катушек и мягких сталей в акустических преобразователях
• Учет осредненного фонового потока в аэроакустике
• Взаимодействие пороакустических волн и колебаний в твердотельных оболочках

Скалярная акустика

 

Для моделирования классических явлений акустики, таких как рассеяние, дифракция, излучение и распространение звуковых волн, в пакете доступен целый ряд интерфейсов из группы "скалярная акустика". Для задач в частотной области используется уравнение Гельмгольца, для исследований во временной области - классическое скалярное волновое уравнение.

Для описания эффектов на границах разработан и готов к использованию широкий набор граничных условий. Например, вы можете добавить граничное условие, описыающее отражение на стенке или условие импеданса для пористого слоя. На внутренние и внешние границы можно добавлять источники излучения, например, задавать акустическое ускорение, скорость, смещение или давление. Кроме этого, вы можете использовать условия излучения (типа Зоммерфельда) или периодические граничные условия типа Флоке для задания открытых или периодических границ.

Физические интерфейсы группы "Скалярная акустика" позволяют моделировать распространение звука в сложных средах, например, в пористых материалах. Для расчета потерь в пористых и волокнисных материалах можно использовать одну из нескольких усредненных моделей, например, модель Делани — Базли или модель Джонсона — Шампу — Аллара. Учёт термических и вязких потерь в узких областях на границе с жесткими стенками в узких волноводах постоянного поперечного сечения можно реализовать с помощью эквивалентной модели Акустика в узких областях (Narrow-Region Acoustics).

Вы также можете рассчитать и визуализировать внешние поля в моделях с открытыми границами как в ближней, так и в дальней зоне. Полярные графики и диаграммы направленности помогут визуализировать пространственную чувствительность и пространственные отклики.

Интерфейсы группы Скалярная акустика:

• Pressure Acoustics, Frequency Domain (Скалярная акустика, частотная область)
• Предназначен для решения задач, описываемых уравнением Гельмгольца с учетом различных инженерных формулировок граничных условий и материальных моделей флюидов
• Доступно проведения анализа на собственные частоты для расчета акустических мод системы и форм колебаний
• Pressure Acoustics, Transient (Скалярная акустика, временная область)
• Предназначен для исследования в динамике распространения акустических сигналов произвольной формы в пространстве
• Boundary Mode Acoustics (Акустика граничных мод)
• Рассчет распространяющихся и затухающих мод в волноводах и каналах
• Pressure Acoustics, Boundary Element (Скалярная акустика, метод граничных элементов)
• Эффективное решение задач излучения и рассеяния на основе метода граничных элементов
• Сочетается с интерфейсами, основанными на методе конечных элементах, описывающих, например, вибрации в твердых телах и конструкциях, в т.ч. пьезоэлектрических материалах
• Pressure Acoustics, Time Explicit (Скалярная акустика, явный решатель для временной области
• Использует разрывный метод Галеркина для расчета нестационарного распространения звука в помещениях и для эффективного моделирования (в плане использования вычислительных ресурсов) больших задач о рассеянии.

Области применения:

• Глушители и звукопоглощающие устройства
• Громкоговорители
• Излучение шума от оборудования
• Акустика салонов автомобилей
• Формы колебаний помещений и строительных конструкций
• Шумопоглотители и диффузоры
• Задачи о рассеянии

Взаимодействие акустических волн во флюиде и колебаний в твердотельных конструкциях (ASI)

С помощью модуля Акустика можно моделировать взаимодействие акустики и механики конструкций в том или ином устройстве или конструкции. Готовые интерфейсы позволяют исследовать виброакустические эффекты и автоматически связывать области жидкости или газа (флюида) и твердотельной конструкции. Интерфейс Solid Mechanics (Механика твердых тел) использует полные формулировки для описания динамики твердых тел, для моделирования распространения поперечных и продольных волн в твердых телах, а также упругих вибраций. Отдельный интерфейс Poroelastic Waves (Пороупругие волны) моделирует связанное распространение упругих и продольных волн в пористых материалах на основе уравнений Био.

Мультифизические взаимосвязи позволяют легко сочетать в единой модели пористые области, твердотельные области, пьезоэлектрические материалы и области, заполненные флюидом для расчёта и проектирования реальных устройств. Гармонические и резонансные свойства твердотельных конструкций можно рассчитывать с учетом преднапряжений и двусторонней связи с акустикой во флюиде.

Области применения:

• Влияние механических вибраций на работу глушителей
• Компоненты громкоговорителей
  • Корпуса для динамиков
  • Динамики и другие излучатели
• Механическое оборудование
• Виброакустика
• Наушники
• Звукоизоляция и звукопередача в строительных материалах

• Пьезоэлектрические преобразователи
  • Ультразвуковые преобразователи
  • Линейные рещетки излучателей
  • Гидроакустические преобразователи (Сонары)
  • Массивы сонаров
• Детальное моделирование пористых материалов и пороупругих волн (теория Био)
• Задачи обратной связи

Геометрическая акустика

С помощью принципов геометрической акустики, реализованных в программном пакете COMSOL^®, можно исследовать высокочастотные системы, в которых длина волны звука значительно меньше их характерных геометрических размеров. Этот функционал полезен для акустического анализа салонов автомобилей, помещений и зданий, например, концертных залов, а также для моделирования распространения звука под водой и в атмосфере.

Области применения:

• Акустика помещений
• Акустика концертных залов
• Подводная гидроакустика
• Акустика салонов автомобилей
• Распространение звука в открытых пространствах
• Атмосферная акустика

Аэроакустика

Вы можете эффективно решать задачи вычислительной аэроакустики (CAA) с помощью двухэтапного подхода, реализованного в модуле Акустика. На первом этапе рассчитывается фоновый осредненный поток с помощью инструментов модуля Вычислительная гидродинамика или профиль потока задается пользователем вручную; на втором этапе решается задача распространения звука. Такой подход также называют конвекционной акустикой или моделированием шума в потоке.

Готовые интерфейсы позволяют рассчитать акустические вариации давления, плотности, скорости и температуры при наличии стационарного изотермического или неизотермического фонового осредненного потока.

Имеются следующие стабилизированные конечно-элементные формулировки:

• Linearized Navier-Stokes (Линеаризированные уравнения Навье — Стокса)
• Linearized Euler (Линеаризированные уравнения Эйлера)
• Linearized potential flow (Линеаризированный потенциальный поток)

Данные формулировки естественным образом учитывают распространение звука в потоке, конвекцию, затухание, отражение и дифракцию акустических волн в потоке. Также возможно провести FSI анализ взаимодействия текучей среды и конструкции в частотной области с помощью преднастроенных взаимосвязей с интерфейсами для расчета твердотельных упругих конструкций.

Области применения:

• Шум реактивных двигателей
• Глушители, в т.ч. с фоновым потоком
• Расходомеры
• Кориолисовы расходомеры
• Анализ антивибрационных экранов, звукопоглощающих и перфорированных конструкций в присутствии потока
• Неустойчивость горения

Термовязкостная акустика 

Ультразвук

Интерфейсы группы Ultrasound (Ультразвук) позволяют рассчитать нестационарное распространение звуковых волн на большие по сравнению с длиной волны расстояния. Акустические волны с частотой, не слышной человеческому уху, называются ультразвуком. Длина ультразвуковых волн сравнительно мала.

Интерфейс Convected Wave Equation, Time Explicit (Конвекционное волновое уравнение, явный решатель) позволяет проводить численные исследования больших линейных акустических задач во временной области с учетом широкого спектра колебаний и стационарного фонового потока. Интерфейсы идеально подходят для нестационарных моделей с произвольными источниками и полями, зависящими от времени.

Формулировка и расчетная схема интерфейса основана на разрывном методе Галеркина и использует явный решатель (time-explicit solver), требующий небольшого количества памяти.

Области применения:

• Ультразвуковые расходомеры
• Ультразвуковые времяпролетные датчики
• Нестационарное распространение звуковых сигналов в присутствии потока флюида

Основные функции и возможности, доступные в модуле Акустика.

Ниже систематизирован и описан ключевой функционал и преимущества модуля Акустика.

Интуитивный процесс моделирования

Используете ли вы только модуль Акустика либо сочетание различных продуктов семейства COMSOL, процесс моделирования в программном пакете COMSOL^® всегда универсален, логичен и прост. Типичный процесс моделирования состоит из нескольких шагов:

• Построение геометрии
• Выбор материалов
• Выбор подходящего физического интерфейса
• Задание граничных и начальных условий
• Создание конечноэлементной сетки, в т.ч. автоматическое
• Расчет физической модели
• Визуализация результатов

Интеграция с другими программными платформами

Если вы хотите использовать в модели табличные данные или включить в модель сложную геометрию из сторонней CAD-системы, то для вас найдется подходящий модуль интеграции. С помощью продуктов LiveLink™ вы можете интегрировать программный пакет COMSOL Multiphysics^® со многими сторонними инструментами, например, программным пакетом MATLAB^®, электронными таблицами Microsoft^® Excel^®, пакетом Inventor^® и многими другими.

Используемые численные методы и доступные типы исследований

Программный пакет COMSOL^® использует для расчетов гибкие и эффективные решатели и методы. Частоты, характерные для задач акустики, покрывают несколько декад. Вычислительная сложность расчетов может сильно зависеть от формулировки акустической задачи. Таким образом, ни один конкретный способ или численный метод не подходит к абсолютно всем задачам из данной обласи.

Модуль Акустика содержит четыре различных численных метода: метод конечных элементов (FEM), метод граничных элементов (BEM), метод трассировки лучей (Ray tracing) и разрывный метод конечных элементов Галеркина (dG-FEM). Различные типы исследований дополняют набор численных методов и позволяют выполнять все нужные виды анализа. В частности, в модуль включены исследования в частотной области (frequency domain), исследования на собственные частоты и моды (eigenfrequency и eigenmodes), а также нестационарные исследования во временной области (time domain). Специализированные итерационные методы позволяют решать мультифизические модели с миллионами степеней свободы, сочетая различные подходы в рамках одной задачи.

Модуль Акустика включает формулировки, основанные на следующих методах:

• Метод конечных элементов (МКЭ - FEM)
• Самый распространенный и универсальный метод, в котором доступна дискретизация на основе элементов высокого порядка
• Формулировки для расчетов в частотной области и временной области (на основе неявных решателей)
• Метод граничных элементов (МГЭ - BEM)
• Интегральная формулировка исходных уравнений требует задания сетки только на поверхностях и границах
• Доступна двусторонняя связка с расчетами на основе МКЭ (FEM) для акустических областей и конструкций (твердые тела, оболочки и мембраны)
• Разрывный метод конечных элементов Галеркина (dG-FEM)
• Разрывный метод Галеркина на основе явных решателей
• Нетребовательный к памяти метод для нестационарного расчета больших моделей с миллионами степеней свободы
• Лучевые методы (Ray Tracing)
• Предназначены для решения акустических задач на высоких частотах, например, задачи распространения звука под водой или в помещении

В модуле Акустика доступны следующие типы исследований:

• Исследование в частотной области
• Рассчитывает акустический отклик и акустические характеристики в заданном диапазоне частот
• Нестационарное исследование во временной области
• Времяпролетные расчеты
• Распространение/нарастание/расплывание конечных акустических импульсов в пространстве
• Анализ широкополосных акустических сигналов
• Моделирование нелинейных явлений
• Исследование на собственные частоты
• Расчет мод и резонансных частот закрытых пространств и конструкций
• Расчет добротности и коэффициента потерь
• Модальный анализ
• Расчет и обнаружение распространяющихся и затухающих мод в волноводах и каналах

Акустические потери

В модели можно легко учесть акустические потери. Это позволяет моделировать, например, пористые и волокнистые материалы, используя теорию Био с помощью интерфейса Poroelastic Waves (Пороупругие волны). Кроме этого, пористые области в интерфейс для скалярной акустики можно моделировать с помощью эквивалентных материальных моделей типа Poroacoustics (Пороакустика). В числе последних модели Делани — Базли (Delany-Bazley), Мики (Miki) и Джонсона — Шампу — Аллара (Johnson-Champoux-Allard). Также в модели можно учесть затухание с использованием классических аналитических формул или пользовательских выражений, в т.ч. на основе эмпирических данных.

Подробные модели, учитывающие тепловые и вязкостные потери, можно создать с помощью интерфейса Thermoviscous Acoustics (Термовязкостная акустика). Формулировки, используемые в интерфейсе, позволяют учитывать все явления, связанные с акустическими вязкостными и тепловыми пограничными слоями и сконцентрированными в них. При этом доступны встроенные мультифизические связи с вибрирующими конструкциями. В моделях волноводов и других структур с постоянным поперечным сечением можно использовать упрощенный подход на основе усреднения потерь в пограничном слое, реализованный в материальной модели Narrow Region Acoustics (Акустика в узких областях) для скалярной акустики.

Затухание акустических сигналов, распространяющихся в потоке текучей среды с высокими градиентами скорости, температуры или с сильной турбулентностью, можно детально моделировать в интерфейсах группы Linearized Navier-Stokes (Линеаризированные уравнения Навье — Стокса). Фоновый поток можно рассчитать с помощью модуля Вычислительная гидродинамика (CFD).

Электроакустика

При моделировании различных преобразователей вы можете комбинировать функциональные возможности модуля Акустика и модуля AC/DC или модуля MEMS для создания мультифизических конечноэлементных моделей с двусторонней всязимосвязью между акустическими и электродинамическими эффектами. Так, можно детально моделировать магниты и звуковые катушки громкоговорителей или электростатические силы в ёмкостных микрофонах. При моделировании сложных электромеханоакустических преобразователей можно использовать упрощения на основе эквивалентных сосредоточенных цепей на основе схемотехнических или механических элементов. Оба подхода основаны на полной двусторонней взаимосвязи.

Примеры некоторых прикладных задач:

• Мультифизические модели громкоговорителя с учетом мехнических и электродинамических эффектов
• Динамики
• Комбинация распределенных моделей излучателей и эквивалентных сосредоточенных моделей типа Тиля-Смолла
• Оптимизация магнитных компонентов при помощи модуля AC/DC
• Микрофоны
• МЭМС-преобразователи

Задачи на излучение и открытые области

В акустике часто встречаются задачи, в которых акустические волны должны распространяться в свободном (открытом) пространстве без отражения на внешних границах расчетной области. Например, этого требует моделирование пространственной чувствительности преобразователей или расчеты рассеяния в сонарных приложениях. Неотражающие границы в модели можно задать с помощью нескольких различных методов и приемов, доступных в нашем пакете. Для простых задач возможно ограничиться импедансными граничными условиями или условиями излучения на границе (типа Зоммерфельда). Для сложных случаев излучения или сложных мультифизических задач может быть выгодно использовать вспомогательные дополнительные слои со специальными настройками.

Для последних в модуле Акустика доступно несколько формулировок:

• Идеально согласованные слои (PML - perfectly matched layers), данная методика реализована для всех моделей и доступных в пакете интерфейсов в частотной области
• Идеально согласованные слои (PML - perfectly matched layers) для временной области, доступные в интерфейсе Pressure Acoustics, Transient (Скалярная акустика, временная область)
• Так называемые поглощающие слои (Absorbing layers), доступные в интерфейсах на основе разрывного метода конечных элементов Галеркина (dG_FEM) и в интерфейсе *Linearized Euler, Transient* (Линеаризированные уравнения Эйлера, временная область)

Используя мультифизические возможности и гибридный FEM-BEM подход (комбинация метода конечных и граничных элементов), можно эффективно решать задачи с открытыми областями методом граничных элементов с помощью интерфейса Pressure Acoustics, Boundary Element (Скалярная акустика, Метод граничных элементов).

Моделирование на основе пользовательских уравнений: изменяйте исходные уравнения или задавайте пользовательские мультифизические связи

Для полного контроля над моделированием вы можете использовать моделирование на основе пользовательских уравнений (equation-based modeling) для модификации исходных уравнений и граничных условий непосредственно внутри программного обеспечения, подстраивая модели под нужды ваших исследований. Например, возможно моделировать физические явления, не заданные заранее в модуле Акустика в качестве готовых интерфейсов, или создавать новые мультифизические связи. Вы можете изменять материальные модели с учетом нелинейных эффектов, добавляя или изменяя материальные уравнения. Также вы можете связывать физические явления нестандартными методами. Например, можно связать акустику и вычислительную гидродинамику для моделирования акустических течений или нелинейных эффектов образования вихрей под действием звуковых волн.

Кроме этого, реализованные в пакете инструменты для моделирования на основе пользовательских уравнений избавляют от необходимости программировать и создавать собственный расчетные коды с нуля, предоставляя значительно более гибкие возможности и уменьшая время, затрачиваемое на создание моделей и проведение исследований.

Приложения для моделирования: упрощение рабочего процесса и взаимодействия с коллегами и клиентами

Подумайте, сколько времени и сил вы могли бы вложить в новые проекты, если бы вам не приходилось запускать одни и те же модели и проводить однотипные расчеты для других ваших коллег, менее знакомых с численным моделированием в целом и пакетом в частности. С помощью Среды разработки приложений, встроенной в программный пакет COMSOL Multiphysics^®, вы можете создавать приложения для моделирования на основе моделей COMSOL, которые упрощают процесс моделирования, ограничивая изменение входных данных и контролируя выходные данные, выводя только нужные для конечного пользователя результаты. С ними ваши коллеги смогут проводить типовые расчеты самостоятельно.

Интерфейс приложений для моделирования (Simulation Apps) позволяет легко изменять исходные параметры или расчётные данные, например, акустический импеданс, и следить за влиянием изменений, не проводя повторно процесс сборки и настройки всей модели. С помощью приложений вы можете ускорить процесс проведения своих собственных исследований. Кроме того, можно предоставить доступ к приложениям своим коллегам, чтобы они самостоятельно выполняли свои расчеты, освобождая ваше время и силы для других задач.

Рабочий процесс создания и использования приложений для моделирования очень прост:

• Создайте для вашей сложной акустической модели простой пользовательский графический интерфейс (приложение)
• Настройте приложение для ваших нужд, выбирая нужные входные и выходные данные, которые будут доступны пользователям
• Используйте продукт COMSOL Server™ для удаленного хранения и систематизации приложений и предоставления к ним доступа вашим коллегам и/или заказчикам
• Ваши коллеги и/или заказчики смогут проводить заданные в приложении типовые расчеты и проекты без вашей помощи

Используя функционал приложений для моделирования вы сможете предоставить доступ к численным расчетам и проектированию вашим коллегам внутри отдела и ли лаборатории, всей организации целиком, студентам и аспирантам, клиентам и