声学模块

用于声学和振动分析的软件

声学模块

轿车内的声场仿真,包括扬声器位置处的声源。

将声学和振动分析提升至一个新的层次

声学模块特别针对将使用声学设备进行声波的生产、测量和使用的人员而设计。应用领域包括扬声器、麦克风、助听器和声纳设备,仅举几例。噪声控制可以在消声器设计、声音屏障、建筑物和室内等领域得到应用。

深入理解新增及现有的产品和设计

简洁的用户界面包含专业仿真工具,用于模拟声压波在空气、水和其他流体中的传播。专业化的热声学模拟工具使用户可以高度精确地模拟微型扬声器和麦克风类的手持设备。此外,您还可以对固体、压电材料和多孔弹性结构中的振动和弹性波进行模拟。用于声-固、声-壳和声-压电的多物理接口可以将声学仿真的预测能力提升至一个新的层次。用户可以选择几个线性方程中的任一个来模拟声学现象,室内和室外声学问题可以通过射线追踪或声扩散方法进行模拟。

通过一维、二维、二维轴对称或三维下的真实仿真,您可以更快地优化现有产品及设计新产品。仿真还可以帮助设计人员、研究人员和工程师深入了解那些难以通过实验处理的问题。能在生产之前测试设计,将为企业节省大量的时间和成本。


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  • 消声器系统中的声压级分布。 消声器系统中的声压级分布。
  • 音乐厅仿真中使用射线声学来确定舞台周围及座位区域的声压。 音乐厅仿真中使用射线声学来确定舞台周围及座位区域的声压。
  • Tonpilz(蘑菇形)压电式换能器用于低频高功率的声音发射。该换能器由堆叠在宽大末端间的压电陶瓷环组成,并通过中心螺栓施加预应力。尾质量块和头质量块会降低设备的谐振频率。 Tonpilz(蘑菇形)压电式换能器用于低频高功率的声音发射。该换能器由堆叠在宽大末端间的压电陶瓷环组成,并通过中心螺栓施加预应力。尾质量块和头质量块会降低设备的谐振频率。
  • 概念性微粒过滤系统中的多孔弹性波和声场。柴油微粒过滤器 (DPF) 旨在去除/滤除柴油车辆引擎所排放废气中的烟尘(柴油微粒)。虽然微粒过滤器的主要功能是废气过滤,但它也具有与消声器系统相关的声音阻尼特性。 概念性微粒过滤系统中的多孔弹性波和声场。柴油微粒过滤器 (DPF) 旨在去除/滤除柴油车辆引擎所排放废气中的烟尘(柴油微粒)。虽然微粒过滤器的主要功能是废气过滤,但它也具有与消声器系统相关的声音阻尼特性。
  • 这是 Brüel 和 Kjær 4134 电容麦克风的模型。其几何和材料参数均来源于实际麦克风。仿真得到的灵敏度量级与实际麦克风上测量的数据非常吻合。此外,还得到了薄膜变形、压力、速度和电场等信息。此模型由丹麦 Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement 公司(位于奈鲁姆) 提供。

    这是 Brüel 和 Kjær 4134 电容麦克风的模型。其几何和材料参数均来源于实际麦克风。仿真得到的灵敏度量级与实际麦克风上测量的数据非常吻合。此外,还得到了薄膜变形、压力、速度和电场等信息。此模型由丹麦 Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement 公司(位于奈鲁姆) 提供。

  • 结果显示了汽车内部的声压等值面。LiveLink™ for Inventor® 使用户可以直接从 Inventor® 用户界面调用 COMSOL 功能,包括声学模块的功能。 结果显示了汽车内部的声压等值面。LiveLink™ for Inventor® 使用户可以直接从 Inventor® 用户界面调用 COMSOL 功能,包括声学模块的功能。

用于模拟一系列不同的声学现象

声学模块中所包含的一组物理场接口,即相关模拟与仿真工具的用户接口,使您可以模拟流体和固体中的声音传播。声学模块具体分为声压、声-结构耦合、气动声学、热声学和几何声学。

使用声压物理场接口进行声学仿真,可以轻松地模拟经典声学问题,例如声音的散射、衍射、发射、辐射和传播。与这些问题有关的应用包括消声器设计、扬声器构型、吸音体和扩散体的隔音、定向声波模式评估(例如方向性)、噪声辐射问题等等。声-结构耦合物理接口可以模拟的问题包括:结构弹性波和流体声学间的相互作用。例如,声-结构耦合可用于消声器细节设计、超声波压电执行器、声纳技术,以及机械噪声和振动分析。使用 COMSOL Multiphysics,您可以分析和设计电声换能器,包括扬声器、传感器、麦克风和接收器。

气动声学物理接口用于模拟外部流与声场之间的单向耦合,即流体噪声。应用范围包括从喷气发动机噪声分析到风传感器仿真。几何声学物理场接口包含射线追踪和声学扩散方程接口。两个接口均可用于模拟室内和建筑物中的声场。例如,射线追踪还可用于海洋声学和大气声学。从上述接口中选择一个合适的物理场接口,您将可以精确模拟热声学应用,这类应用中涉及较小的几何尺寸,并需考虑其中的热属性,例如手机、助听器、MEMS 应用,以及换能器设计。

多物理场耦合

声学模块完全集成于 COMSOL Multiphysics® 环境中,可与其他模块相耦合以用于一系列广泛的多物理场仿真。 例如,当您耦合声学模块与结构力学模块时,将可使用声-壳耦合和热声-壳耦合等多物理场接口。 同样,当耦合声学模块与管道流模块时,就可以使用管道声学物理场接口。

在 COMSOL Multiphysics 中,多物理场耦合和预定义的多物理场接口以多物理场接口的方式构建。 例如,描述流体域中声压的物理场与描述环绕实体中结构力学的物理场相耦合时,就可以通过分别在 COMSOL Multiphysics 中增加声学接口和固体力学接口,然后在多物理场节点下的边界处利用相关耦合关系对二者进行耦合。 该功能使我们能够对两个耦合的物理场进行解耦和或单向耦合,以及完全控制声学和固体力学接口的所有功能。

在可用的多个多物理场耦合中,包括声-结构边界、气动声学-结构边界、热声-结构边界多物理场接口。 这些接口都将流体域耦合至一个含固体、外部或内部壳,或膜的结构中。 此外,还可以使用声-热声边界、声-多孔介质边界,以及多孔介质-结构边界多物理场接口,其中压电效应多物理场接口耦合了固体力学接口和静电接口,以模拟压电材料。 缺省情况下,所有多物理场模型都是完全耦合的,可通过管理多物理场节点来实现单向耦合和取消耦合。

一致的工作流程

声学模块的建模流程与 COMSOL® 产品库中的其它任何附加模块完全相同。所有模拟步骤均可通过 COMSOL Desktop® 访问,包括定义几何、选择材料、选择适合的物理接口、定义边界和初始条件、自动创建有限元网格、求解和结果可视化等。通过一系列预设的多物理场耦合,例如在声-壳耦合中使用结构力学模块,或用户自定义耦合,您可以按照任何您能想到的方式将声学模块与任何其他 COMSOL Multiphysics® 附件产品相耦合。声学模块还可耦合优化模块,用于优化几何尺寸、声波传输等。

连接声学模块与 CAD、MATLAB® 和 Excel®

对于重复性的模拟作业,LiveLink™ for MATLAB® 使您可以使用 MATLAB® 脚本或函数来运行 COMSOL® 仿真。COMSOL Desktop® 中的所有可用操作均可改为通过 MATLAB® 命令行来访问。您还可以在 MATLAB® 环境中将 COMSOL® 命令与现有 MATLAB® 代码混合使用。如要从电子表格中运行声学仿真,LiveLink™ for Excel® 提供了另一种通过同步电子表格数据和 COMSOL® 环境中定义的参数来在 COMSOL Desktop® 中运行仿真的方法。CAD 导入模块和高级 CAD LiveLink™ 产品使 CAD 模型的声学仿真变得更加简单。LiveLink™ 模块使我们能够在将参数化 CAD 模型完整保留在其原生环境的同时,仍能够在 COMSOL Multiphysics® 内控制几何尺寸。将声学模型链接到 CAD 产品,支持您同时对多个模型参数进行参数化扫描。

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灵活而稳健的声学模拟

配合最先进的求解器,声学模块可使用有限元方法求解高阶离散单元的声场方程。模块包括用于频域和时域仿真的不同公式。您的结果将在图形窗口中通过预设绘图显示,其中包括声场与位移场、声压级、应力与应变,或自定义物理量的表达式,以及导出的表格量。

包含声学损耗的仿真

声学模块附带了应用范围广泛的案例库,包括隔声衬垫、扬声器、麦克风和消声器。其中的许多案例都展示了如何模拟声音损耗。声学模块的损耗模型包括基于经验的纤维材料等效流体模型(在多孔弹性波接口中求解 Biot 方程),以及理论成熟的热粘性损耗模型(热声学接口)。

简单易用的声场分析物理场接口

声压

声压接口通过标量声压场描述和求解声场,后者代表了声场(或过压)相对静态环境压强的变化。物理接口支持频域(亥姆霍兹方程)和瞬态形式(经典波动方程)的求解。声学边界模式这一特别的物理场接口用于研究波导和管道中的传播模式,其基础理论前提是:只有有限的一组波形或模态可以传播较长的距离。

物理场接口预定义了一系列边界条件,包括硬声场边界和阻抗条件、辐射、对称,以及用于模拟开放边界的周期性条件和用于设置源项的条件。这些接口还包括了一些等效流体模型,用于模拟声音在更复杂介质中的传播行为。几个多孔声学流体模型描述了声音在多孔或纤维材料中的损耗。狭窄区域声学模型中增加了与狭窄区域中硬边界相关的热粘性损耗。衰减可以通过用户定义关系增加,或可用于计算粘性或热传导流体。此外,还可以使用完美匹配层(PML)吸收传出的声波来截断计算域,从而模拟无限远域。计算开始后,您还能够使用远场特征来确定计算域之外任意距离处的压强和相位信息。专业的结果和分析功能可用于二维或三维远场极坐标的可视化。

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声-结构耦合

预定义的声学模块多物理场接口,将自动设置相关的物理场和多物理场耦合,进而实现流体和结构域的耦合。声-结构边界接口将在流-固边界的一侧计算作用于固体域的流体压力,在另一侧计算作用于流体域的结构加速度。这些多物理场耦合与声-固、声-壳和声-压电耦合等的应用相关,并可用于三维、二维和二维轴对称几何模型的频域与时域计算。当耦合声学模块与结构力学模块时,将能够使用涉及结构薄壳的耦合,您还将能够使用更多的高级结构力学模拟功能。对于声学家而言,弹性波是一个重要的应用领域。您还可以在声学模块中使用固体力学接口,从而得到一个完全结构-动力学公式,包含剪切波和压力波在固体中的所有效应。声-压电耦合多物理场接口不仅可以高度精确地模拟声-结构耦合,还支持求解和模拟压电材料中的电场。与 AC/DC 模块 MEMS 模块耦合时,您还将可以耦合压电仿真与 SPICE 电路。这是一个相当出色的功能,例如,可以在使用集总模型描述换能器的某些电气行为的同时,使用完整的有限元来描述其他物理场。

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管道声学接口(需要管道流模块)用于柔性管道系统中声波传播的一维模拟。方程使用广义模式编译,考虑了在可能的稳态背景流场下管壁的影响。弹性波接口为完全结构-动力学公式,包含所有剪切波和压力波效应。多孔弹性波接口使用 Biot 理论来精确模拟多孔材料中的声音传播,包括通过专用的支持多孔域和流体域之间轻松耦合的多物理场边界条件,来实现固体基体变形与饱和流体压力波之间的双向耦合。

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几何声学

几何声学分支中包括射线声学以及声学扩散方程物理场接口。 两个接口中的物理场均在高频范围内可用,其中的声波长小于典型的几何特征。所在频率高于室内的施罗德频率。 两个接口均适用于模拟室内以及像音乐厅类建筑中的声场。 声学扩散方程仅限室内应用,而射线声学接口则可用于诸如海洋声学和大气声学等应用。 不同吸收模型中包含了边界处的声学属性。

射线声学接口用于计算声射线的轨迹、相场与强度。 射线声学在高频范围内可用,其中的声波长小于典型的几何特征。 该接口可用于模拟室内、音乐厅、学校、办公楼,以及许多室外环境中的声场。 射线传播所经过的介质属性可在域内连续变化(渐变介质),或者在边界处不连续。 外部边界可被指定为多种壁条件,包括镜面和漫反射组合。 阻抗和吸收可基于入射光线的频率、强度和方向。 也可以在不连续的材料中模拟传播和反射。 介质还可能被赋予一个背景声速。

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声学扩散方程 (ADE) 接口求解了声能量密度的扩散方程。 它适用于扩散声场中的高频声学研究。 扩散属性取决于房间几何、壁吸收属性,房间装修(根据平均截面和衰减使用平均体积吸收系数),以及体衰减(仅适用于存在于大体积中的粘性和热)。 本接口适合对建筑物及其他大型结构内声压级分布进行快速评估。

声学扩散方程接口用于确定不同位置处的混响。 这可以通过执行瞬态分析或特征值分析,并观察能量衰减曲线来完成。 可以通过使用模块中提供的某个频段来实现对所有声源、吸收参数、和传播损耗的输入。 通过这些输入类型和所研究波段的参数化扫描,用户可以轻松绘制出模型结果并进行分析,以表现在这些波段的结果。

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气动声学

理想情况下,计算气动声学(CAA)仿真包含求解时域中的全压缩 Navier-Stokes 方程。声压波随即将形成流体解的一个子集。由于所需的必要计算精度、计算时间和内存资源,该方法通常不适用于实际生活应用。如需求解实际工程类问题,可以选择解耦和两步法:首先求解背景平均流体流动,然后计算流动中的声学扰动。该重要的单相耦合也称为流体噪音/噪声现象。

声学模块中用于分析流体噪声的主要工具是线性 Euler 和线性 Navier-Stokes 物理场接口,而线性势流接口则提供了一个更加简单的方法。线性 Euler 接口用于计算给定背景平均流的声场相对压力、速度和密度的变化。它们将求解包括能量方程的线性 Euler 方程,并假设背景流为理想气体(或极近似于理想气体),且不存在热和粘性损耗。线性 Euler 物理场接口适用于时域、频域和特征频率分析。包含线性 Euler 方程的气动声学应用包括分析喷气式引擎的噪声传播,模拟存在非等温流动时的消声器衰减特性,以及气体流量计的研究等,这些都是气体背景流动会影响到声波在流体中的传播的情形。线性 Navier-Stokes 接口用于计算存在任何稳态等温或非等温背景平均流时声场中压力、速度和温度的变化。该接口用于可由线性 Navier-Stokes 方程所描述的气动声学仿真。方程中包含粘性损耗和传热,以及由于粘性耗散所生成的热。声场和背景流之间的耦合并不包含任何预定义的流致噪声。线性 Navier-Stokes,频域接口与结构力学相耦合时,使用气动声学-结构边界多物理场耦合,可对存在流动的结构进行详细的振动分析。

对于简单的单向耦合,频域和瞬态线性势流接口,将使用基于流体速度势的公式。此外,可压缩势流接口用于模拟无粘、无涡度(由于其无旋本质)、可压缩流体的背景平均流。最后,线性势流,边界模式接口可用于研究背景流场下的声学问题边界模式,常用于指定入口声源。

热声学

声学模块提供了最先进的热声学(也称粘热声学或热粘声学)模拟功能,这对于精确模拟小尺寸几何中的声场至关重要。靠近壁面处的粘度和热传导会变得非常重要,因为此处会产生粘热边界层,并带来显著的损耗。这使得我们需要在控制方程中显式地包含热传导效应和粘性损耗。热声学物理场接口用于求解一整组的线性可压缩流方程,即全部求解线性 Navier-Stokes 方程、连续方程和能量方程。模拟热声学需要详细的描述信息,因此所有物理场接口会同时求解声压、粒子速度矢量和声场温度变化。

在热声学接口中,控制方程为时谐形式,并在频域中求解。机械和热边界条件均可供使用。热声学域与声压域的耦合也可以使用预定义多物理场边界条件简单完成。软件提供了热声-结构边界多物理场耦合,便于求解耦合振动声学。例如,您可以模拟小型电声换能器或 MEMS 器件中的阻尼;还可以分析小尺寸薄壳和声场之间的相互作用,例如,助听器薄壳的阻尼振动,以预防发生反馈问题。

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