声学模块:分析声学和振动

产品和设计的声学特性建模软件

我们可以为声学现象相关的产品和设计进行建模,以此来帮助我们研究和预测音质和降噪性能等因素。“声学模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加产品,其中提供的强大工具用于为扬声器、移动设备、麦克风、消声器、传感器、声呐和流量计等应用的声学和振动进行建模。您可以使用内置的专用特征来可视化显示声学器件或元件的声场,并构建其虚拟原型。

不仅如此,您还可以将声学与结构力学、压电和流体流动等其他物理效应相耦合,进行更详细的研究。COMSOL® 软件提供多物理场耦合功能,让您在尽可能真实的环境中评估产品或设计的性能。

“声学模块”还为专用应用领域提供许多专门的公式和材料模型,例如用于微型换能器和移动设备的热粘性声学模型,以及用于多孔弹性波建模的 Biot 方程。这一多物理场环境通过加入多种专用的数值方法得到了进一步扩展,包括有限元法(FEM)、边界元法(BEM)、射线追踪以及间断 Galerkin 有限元法(dG-FEM)。

声学模块支持的建模对象

当您加入“声学模块”来进一步扩展 COMSOL Multiphysics® 平台时,除了使用 COMSOL® 软件的核心功能外,还可以访问用于专业声学与振动分析的各种特征。

声学模块提供的工具可用于模拟:

  • 吸声器
  • 声学隐形
  • 声辐射
  • 声流
  • 麦克风
  • 移动设备
  • 房间的模态特性
  • 消声器
  • 生物声学应用
  • 体声波(BAW)
  • 音乐厅声学
  • 对流声学
  • 燃烧不稳定性
  • 科里奥利流量计
  • 汽车车厢声学
  • 扩音器
  • 电声换能器
  • 流量计
  • 流体噪声
  • 频域中的流-固耦合(FSI)
  • 助听器
  • 脉冲响应
  • 喷气噪声
  • 扬声器
  • MEMS 声学传感器
  • MEMS 麦克风
  • 乐器
  • 机械噪声和振动
  • 降噪材料和隔音
  • 无损检测(NDT)
  • 油气勘探
  • 压电换能器
  • 抗性消声器和吸收消声器
  • 室内声学和建筑声学
  • 换能器
  • 传感器和接收器
  • 声呐设备
  • 表面声波(SAW)
  • 隔音
  • 振动声学
  • 低音扬声器和超低音扬声器
  • 超声波
  • 超声波流量计
  • 超声波换能器
  • 水声学
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多物理场耦合

声学模块包含:

  • 声-结构相互作用
  • 压电材料中的声-结构相互作用
  • 声-多孔弹性波相互作用
  • 多孔弹性-结构相互作用
  • 声学 FEM 域和 BEM 域耦合
  • 声-热粘性声学相互作用
  • 热粘性声-结构相互作用
  • 气动声学-结构相互作用

与其他模块结合时包含:

  • 声-壳相互作用
  • 热粘性声-壳相互作用
  • 管道系统中的声传播
  • 通过集总模型模拟的换能器电性能
  • 换能器中磁体、线圈和软铁材料的电性能
  • 气动声学中的背景平均流
  • 多孔弹性波-壳相互作用
在 COMSOL Multiphysics® 中创建的室内声学模型,用于分析房间的模态特性。 模型中通过使用特征频率分析来研究房间的模态特性,其中包含复阻抗条件用于为吸收表面建模。
用于分析汽车车厢声学的 COMSOL 模型。 汽车车厢内的声压级分布由仪表板上的小扬声器生成。这个压力声学模型包含衬里、地毯、塑料表面和座椅的复值表面阻抗。
用于设计和分析蘑菇形换能器的多物理场模型。 声呐应用中的蘑菇形换能器阵列的设计和分析。模型将压电材料结构与通过边界元建模的水声学相互耦合,可以轻松地计算出空间灵敏度,并进行可视化显示。

压力声学接口可用于为声音的散射、衍射、发射、辐射和传播等压力声学效应建模。您可以通过亥姆霍兹方程在频域建模,也可以通过经典的标量波动方程在时域建模。

接口中提供许多选项供您在声学模型中模拟各种边界。例如,可以添加壁边界条件,也可以为多孔层添加阻抗条件。您可以在外部边界或内部边界施加各种源,例如指定加速度、速度、位移或压力。不仅如此,还可以使用辐射或“Floquet 周期”边界条件为开放边界或周期性边界建模。

压力声学物理场接口可用于模拟声音在多孔材料等复杂介质中的传播特性。多个多孔介质声学流体模型(如 Delany-Bazley 或 Johnson-Champoux-Allard(JCA)模型)可以指定多孔材料或纤维材料中的损耗。狭窄区域声学模型采用均质方式模拟热粘性损耗,这些损耗与具有恒定横截面的小波导中的硬边界相关。

除此之外,您还可以使用开放边界(包含近场与远场之间的所有场)计算和可视化模型中的外部场。可以使用极坐标图或方向性图来显示空间灵敏度或空间响应的可视化效果。

压力声学接口:

  • 压力声学,频域
    • 求解亥姆霍兹方程描述的问题,并包含许多工程关系可用于边界条件和流体模型
    • 使用特征频率分析来确定声学模式和波形
  • 压力声学,瞬态
    • 使用任意瞬态输入信号研究声波的瞬态传播
  • 声学边界模式
    • 识别和研究波导和导管中的传播和非传播模式
  • 压力声学,边界元
    • 使用边界元法高效求解辐射和散射问题
    • 与基于 FEM 的物理场(如弹性结构和压电材料)无缝耦合
  • 压力声学,时域显式
    • 使用 dG 方法为室内声学中声音的瞬态传播建模,或通过高效计算为大型散射问题建模

应用领域:

  • 消声器
  • 扬声器
  • 机器噪声辐射
  • 汽车车厢声学
  • 室内声学的模态特性
  • 吸声器和扩音器
  • 散射问题
 

“声学模块”可用于模拟产品或设计中声学与结构力学之间的相互作用。预定义的接口可供您研究振动声学,并能自动地耦合流体域和结构域。固体力学 接口使用完整的结构动力学公式,可以分析固体中的剪切波和压力波效应,还可用于分析弹性波。专用的多孔弹性波 接口通过求解 Biot 方程,为多孔材料中的弹性波和压力波的耦合传播进行建模。

借助软件的多物理场耦合功能,您可以轻松地耦合多孔域、固体域、压电材料和流体域,从而为真实设备的特性建模。当结构与声学完全耦合时,您可以对结构施加预应力,并分析其谐波特性。

应用领域:

  • 消声器与结构振动相互作用
  • 扬声器组件
    • 音箱
    • 驱动器
  • 机械设备
  • 振动声学
  • 耳机
  • 建筑材料中的隔音和声传播
  • 压电换能器
    • 超声波换能器
    • 直线天线阵
    • 声呐换能器
    • 声呐阵列
  • 使用多孔弹性波(Biot)为多孔材料详细建模
  • 反馈问题
敞开式扬声器箱的声-结构相互作用模型。 通过对敞开式扬声器驱动单元执行频域分析,确定轴向灵敏度和空间灵敏度。这是一个将结构壳与声学相互耦合,并使用预定义的多物理场耦合特征建立的模型。
用于分析蘑菇形换能器频率响应的 COMSOL 模型。 通过研究蘑菇形换能器的频率响应,确定结构/声学响应:变形、应力、辐射压力、声压级、远场束方向图、发射电压响应曲线,以及声束的定向指数。
COMSOL® 软件的几何声学功能可用于评估声波的波长小于典型几何特征的高频系统。这些功能适用于对汽车车厢、房间以及音乐厅等建筑物进行声学分析,以及模拟水声学传播和大气声学。

几何声学接口:

  • 射线声学
    • 计算声学射线的轨迹、相位和强度,并使用专用的接收器数据集和后处理工具计算脉冲响应和能量衰减曲线
    • 射线可以在变折射率介质中传播,这是水声学应用的必要条件
  • 声学扩散方程
    • 确定耦合房间内的声压级分布以及不同位置的混响时间
    • 使用扩散方程求解声能密度,以简化方式进行声学建模

应用领域:

  • 室内声学
  • 音乐厅声学
  • 水声学
  • 汽车车厢声学
  • 室外声传播
  • 大气声学
使用 COMSOL Multiphysics® 基本模块和“声学模块”模拟音乐厅中的射线声学的示例。

使用射线声学接口进行的小型音乐厅声学仿真。边界条件包括频率相关的吸收和散射属性,其中使用专用的后处理功能重现了脉冲响应。

使用 COMSOL 软件研究室内声学的示例。

声学扩散方程接口用于求解在两层住宅中给定声源的条件下,稳态声压级(声能密度)的分布。特征值求解器可以确定房间的混响时间,瞬态研究则用于确定能量衰减曲线。

“声学模块”中的解耦两步法可用于高效地求解计算气动声学(CAA)问题。首先,使用 CFD 模块中的工具或用户定义的流场分布来确定背景平均流;然后求解声学传播问题。有时,我们也称之为对流声学或流致噪声仿真。

存在稳态等温或非等温背景平均流时,您可以使用预定义的接口来计算压力、密度、速度和温度引起的声学变化。

模块中包含求解以下方程的稳定有限元公式:

  • 线性纳维-斯托克斯
  • 线性欧拉
  • 线性势流

这些内置公式可用于分析流体噪声,以及流动引起的声波的对流、阻尼、反射和衍射。模块中预先定义了与弹性结构耦合的特征,您还可以使用相关功能在频域中执行流-固耦合分析。

应用领域:

  • 喷气发动机噪声
  • 包含背景流的消声器
  • 流量计
  • 科里奥利流量计
  • 流体流动时衬垫和穿孔板的分析
  • 燃烧不稳定性
 
用于分析亥姆霍兹共振器的气动声学模型。

使用线性纳维-斯托克斯,频域接口建模的亥姆霍兹共振器的声学分析,以及系统中的平均流动效应,模型捕捉到了对流效应以及湍流引起的衰减。

使用 COMSOL Multiphysics 软件创建的航空发动机导管模型。 为轴对称航空发动机导管的声场(由边界上的噪声源产生)建立的模型。分别计算了管壁为硬壁和加衬两种情况下,导管中存在与不存在可压缩无旋背景流时的仿真结果。

为了准确地分析小尺寸几何中的声传播,需要考虑粘度和热传导相关的损耗;尤其是粘滞边界层和热边界层的损耗。这些效应自动地包含在由热粘性声学接口求解的方程中,并进行全方程求解。

这些接口非常适用于麦克风、移动设备、助听器和 MEMS 器件等微型电声换能器的振动声学建模。您可以使用结构域和热粘性声学域之间的内置多物理场耦合,建立详细的换能器模型。

这个接口还可以分析其他效应,包括在极低频率下从绝热到等温的完全过渡特性。此外,热粘性声学中还提供一个专用接口,用于计算和识别狭窄波导和导管中的传播和非传播模式。

应用领域:

  • 移动设备
  • 微型换能器
  • MEMS
  • 助听器
  • 麦克风
  • 穿孔和穿孔板
显示热粘性声学建模示例的 COMSOL Multiphysics GUI 屏幕截图。 使用标准测量设置得到的 Knowles ED23146 平衡电枢接收器(微型扬声器)的响应。加入声损耗后,模型结果与 Knowles 设计方案的吻合度得到明显提升。

超声波 接口用于计算声波在距离远大于波长情况下的瞬态传播。频率超出人类听觉范围的声扰动被称为超声波,其波长很短。

对流波动方程,时域显式 接口用于求解稳态背景流中包含许多波长的大型瞬态线性声学问题,适用于对任意瞬态源和物理场进行瞬态仿真。

这个接口基于 dG 方法,并使用时域显式求解器,因此非常节省内存。

应用领域:

  • 超声波流量计
  • 含渡越时间的超声波传感器
  • 流体流动时声信号的瞬态传播
 

声学模块的特征和功能

请阅读以下部分,了解“声学模块”的关键特征和功能。

直观的建模工作流程

COMSOL® 软件提供了一套始终一致且简单易用的工作流程,无论您是单独使用 COMSOL Multiphysics® 基本模块和“声学模块”,还是与产品套件中的其他产品结合使用,都可以遵循这套工作流程。建模步骤非常简单,主要包括:

  • 定义几何
  • 选择材料
  • 选择合适的物理场接口
  • 定义边界和初始条件
  • 自动创建有限元网格
  • 求解物理场
  • 为结果生成可视化效果

与其他软件平台的接口功能

当您希望在模型中使用电子表格数据或导入复杂的 CAD 几何时,我们提供的接口产品可以满足您的需求。您可以通过 LiveLink™ 产品将 COMSOL Multiphysics® 软件与许多第三方工具进行连接,例如 MATLAB® 软件、Microsoft® Excel® 电子表格软件、Inventor® 软件,等等。

数值方法和研究

COMSOL® 软件提供了非常灵活、高效的求解器和方法来完成分析。声学问题跨越的频率范围十分广阔,计算复杂度与声学公式密切相关。因此,不可能仅仅依靠一种方法或数值技术来分析所有声学问题。

“声学模块”包含四种不同的计算方法:FEM、BEM、射线追踪和 dG-FEM,如下所述。不同的研究类型适用于不同的数值公式,以支持各种分析类型,包括但不限于:频域、特征频率和特征模态以及瞬态研究。专用的迭代法支持为涉及数百万个自由度的大型多物理场和多方法问题建模。

声学模块的内置公式基于以下方法:

  • FEM
    • 最常用的通用方法,包含高阶单元离散化
    • 频域和时域隐式公式
  • BEM
    • 只需表面网格的控制方程积分公式
    • 提供完整的多物理场功能,支持与结构(实体、壳和膜)和 FEM 声学域无缝耦合
  • dG-FEM
    • 时域显式 dG 方法
    • 这项技术可有效节省内存,适用于包含数百万个自由度的大型模型瞬态仿真
  • 射线方法
    • 用于高频声学建模,例如水声学和室内声学仿真

声学模块包含以下研究:

  • 频域
    • 计算一定频率范围内的声学响应和特性
  • 瞬态
    • 计算传播时间
    • 模拟瞬态建立时间
    • 分析宽带声信号
    • 模拟非线性特性
  • 特征频率
    • 计算封闭空间和结构的模态和共振频率
    • 提取 Q 因子和损耗因子
  • 模式分析
    • 计算和识别波导和导管中的传播和非传播模式

声损耗

您可以轻松地在模型中引入声损耗。如此一来,便可以通过多孔弹性波接口求解 Biot 理论,为多孔材料和纤维材料等进行建模。除此之外,您还可以使用压力声学中的多孔介质声学 材料模型通过等效流体方法为多孔域建模,其中包括 Delany-Bazley 模型、Miki 模型和 Johnson-Champoux-Allard 模型等。损耗和衰减也可以作为用户定义的表达式、解析模型或基于测量的数据包含在模型中。

您可以使用热粘性声学接口来建立包含热损耗和粘滞损耗的详细模型,这涉及与声粘性边界层和/或热边界层相关的所有效应。为阻尼效应建模时,只需使用内置的多物理场耦合便能与振动结构进行耦合。在具有恒定横截面的波导或结构中,您可以使用针对压力声学问题的狭窄区域声学材料模型,实现基于边界层损耗均匀化的简化方法。

当运动流体具有较高的流动梯度或温度梯度,或者包含湍流时,您可以使用线性纳维-斯托克斯接口为其中传播的声信号的衰减建立详细的模型,其中的背景流可以通过“CFD 模块”的功能进行计算。

 

电声功能

在为各种换能器建模时,“声学模块”的内置功能可以同 AC/DC 模块MEMS 模块中的功能相结合,用于创建全耦合的多物理场有限元模型,包括为扬声器驱动器中的磁体和音圈,或电容式麦克风中的静电力进行详细建模。在电-力-声换能器系统中,您可以很方便地使用集总电路模型来简化电子和机械部件。这两种方法都使用双向全耦合方式进行求解。

其应用包括(但不限于):

  • 全耦合扬声器建模
  • 扬声器驱动器
  • 集总电路模型与有限元域耦合
  • 使用“AC/DC 模块”优化磁性元件
  • 麦克风
  • MEMS 麦克风

开放域和辐射问题

在声学研究中,比较常见的是模拟声波在发生辐射时不产生任何反射这种开放性问题,包括模拟换能器的空间灵敏度或声呐应用中的散射问题。无反射边界建模可以通过不同的技术和特征来实现:阻抗条件和辐射条件可用于分析简单问题;对于复杂的辐射模式或高级物理场,使用“海绵层”会很有帮助。

为此,“声学模块”提供了以下几个公式:

  • 完美匹配层(PML),适用于所有频域模型
  • 用于时域的 PML 公式,压力声学,瞬态接口中提供
  • 吸收层(AL),基于 dG-FEM 公式的所有接口和线性欧拉接口中提供

在建模时通过将多物理场功能与混合 FEM-BEM 方法结合使用,您可以使用 BEM 和压力声学,边界元接口有效地处理开放性问题。

 

基于方程建模:修改控制方程或设置用户定义的多物理场耦合

通过使用基于方程建模方法在软件中直接修改控制方程和边界条件,从而根据您自己的分析进一步定制模型,您可以实现完全控制仿真。例如,您可以为“声学模块”中未预定义的物理场建模,也可以设置新的多物理场耦合,包括修改材料模型,通过添加或修改本构关系为非线性效应建模;也可以采用非标准方式来耦合物理场。相关示例包括耦合声学和 CFD,以模拟声波产生的涡旋脱落声流效应或非线性效应。

使用基于方程建模方法的另一个好处在于,您无需进行基本编码,因此显著提高了建模对象的灵活性,并有效缩短了仿真设置时间。

仿真 App:简化建模工作流程

试想一下,如果您不需要再为团队中的其他成员反复运行仿真测试,是不是就能把更多的时间和精力投入到新的项目中?借助 COMSOL Multiphysics® 内置的“App 开发器”,您可以构建仿真 App,在其中限制模型的输入并控制模型输出,使您的同事能够自行运行分析,从而进一步简化仿真工作流程。

您可以在 App 中轻松地更改声阻抗等设计参数,并根据需要执行多次测试,无需重新运行整个仿真。您可以借助 App 提高自己的测试运行效率,也可以将 App 分发给团队其他成员供大家运行各自的测试,从而将节省的时间和资源投入到其他项目中。

仿真 App 的构建过程非常简单:

  • 将复杂的声学模型转换为简单的用户界面(App)
  • 为 App 用户选择输入和输出,实现按需定制 App
  • 使用 COMSOL Server™ 产品对 App 进行分类,使团队其他成员可以访问这些 App
  • 最终实现您的团队成员在无需任何帮助的情况下,便能够自行运行设计分析

通过构建和使用仿真 App,您可以在整个团队、组织、课堂或客户群中扩展仿真功能。

使用 COMSOL Multiphysics 基本模块和“声学模块”构建的仿真 App 示例。 通过 COMSOL Multiphysics 中的“App 开发器”和附加的“声学模块”创建的仿真 App,用于分析声反射。

下一步:
申请软件演示

每个公司、每个仿真需求都是独特的。 为帮助您充分评估 COMSOL Multiphysics® 软件是否能满足您的需求,请联系我们。 通过与我们的销售代表进行交流,您将能得到个性化的建议和完整的案例文档,帮助您在产品评估过程中获取实用信息,并针对您的需求选择最佳的许可证。

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