对于许多工程领域，研究声的反射与吸收非常重要。仿真是进行此类分析的宝贵工具，它能够清楚地解释声波是如何与周围物体的表面发生相互作用的。今天，我们将以水-海床界面的声反射为例，了解“App 开发器”如何使该领域受益于仿真的强大功能。
表面的声反射：许多工程学科的关注焦点
清晨开车上班时，你可能会和许多人一样，习惯收听当地广播电台播放的最新讯息。与此同时，公交乘客正在留心聆听下一班火车或公共汽车的到达时间。两种交通方式虽不同，但听到的声音却拥有一个共同特征：影响声音的不止是声音系统设计，还有声波与周围物体表面之间的相互作用。
声波可以像光波一样，在结构表面上进行反射。波被反射的程度以及反射波的吸收量和衰减量取决于与之接触的不同表面的材料、结构和形状。声反射是许多工程学科（即隔音、室内声学和声呐应用）的重点分析对象。了解反射过程，有助于正确判断如何根据周围环境进一步优化声学技术。
声呐技术性能受四周的表面声反射的影响。图片由 Jean-Michel Roche 提供。获得 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 分享。
声呐技术属于水下声学的众多应用之一。声呐技术利用声音传播来检测水下物体，并加强船只之间的通信交流。为了更好地理解反射现象，从而推进与优化应用技术，您应该对测量或扫描的水体底部的声学特性进行分析。COMSOL Multiphysics 是实现目标的可靠工具。
研究水-海床界面上的声反射
“案例库”提供了一个可计算声波在水-海床界面的反射系数的二维模型。在模型中，均匀平面波来自流体域（水），我们通过求解亥姆霍兹方程的经典压力声学来模拟均匀平面波。波在水-海床界面处被反射和透射。为了模拟海床域，我们采用 Biot 理论来求解多孔基体的压力和位移场。
如下图所示，Floquet 周期条件（也称 Bloch 条件）被施加到声学域与多孔域。域的设定大小取决于水中的波长——也就是说，频率。与此同时，利用完美匹配层（perfectly matched layer，简称 PML）截断流体的计算域和多孔域。
水-海床系统的简图。
准备好模型后，我们就可以根据不同的入射角和频率组合情况来绘制反射和吸收系数。例如，下方第一张图显示了不同频率下，反射系数与入射角之间的函数关系。第二个图显示了对于不同入射角，反射系数与频率之间的函数关系。
绘图显示了反射系数与入射角（左）和驱动频率（右）的函数关系。
现在想象一下，如果你可以将模型的底层物理场封装到一个易于使用的计算工具中，让那些对仿真世界知之甚少的人也能够自如地操作。正如我们接下来所演示的，“App 开发器”实现了这种可能性。
仿真 App 提供了一种直观的声反射分析方法
“水-海床界面声反射分析仪”以上文中的模型为基础，将复杂的底层隐藏在简洁直观的界面之下（如下图所示）。示例旨在激发您亲自动手构建 App，定制属于自己的 App 设计，并灵活添加对特定分析至关重要的因素。
水-海床界面声反射分析仪的用户界面（UI）。
如您所见，App 提供了一系列输入参数，方便用户轻松地修改水和海床的材料属性。对于流体域（水），这些属性包括流体中的声速、流体密度和流体粘度。针对多孔材料（海床），用户可以修改孔隙率、孔隙大小和渗透率等性质。在功能区中选定 Reset to Default Values（重置为默认值）按钮，即可轻松地将输入参数重设为原始设置，并重新执行仿真研究。
如果您需要模拟入射频率和入射角，可以在Simulation 栏轻松进行选择。Manual angle sweep 选项支持手动设置入射压力波的入射角，而 Complete angle sweep 选项支持模拟从垂直入射（0°）到略射（90°）范围内的给定角度。App 用户还可以选择仿真的 Driving frequencies（驱动频率）。
App 界面的右侧为 Results 栏。该区域有五个不同的选项卡，显示了一系列仿真图：
- Water-Sediment Interaction（水-海床相互作用）：对于指定的驱动频率和入射角，多孔基体中的反射压力、入射压力、总压力或位移
- R vs theta0：反射系数的绝对值与入射角的函数关系
- R vs f0：反射系数的绝对值与驱动频率的函数关系
- Absorption vs theta0：吸收系数的绝对值与入射角的函数关系
- Random Incidence（随机入射）：每个选定频率对应的随机入射吸收系数（基础模型的扩展特征）
“App 开发器”工具将复杂物理场与用户友好的配置结合在一起，让您享受两全其美的优势。我们希望通过本文演示，且在“案例库”提供的其他案例的指导下，您有兴趣去创建自己的 App ，体验它们给设计工作流程带来的全面优化。
寻找更多灵感和资源，设计自己的声学分析 App
- 下载声反射“水-海床界面声反射分析仪”演示 App
- 我们的“案例库”包含许多与声学相关的演示 App。查看部分示例：
- 观看此视频，快速了解如何将 COMSOL Multiphysics 模型转换为仿真 App
评论 (0)