声学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.2a 版针对“声学模块”的用户引入了基于间断 Galerkin 方法的新接口来模拟超声波,新增了用于分析小型管道中的传播和非传播模式的新接口,以及用于扬声器分析的方向性绘图类型等。请查看以下详细信息来了解“声学模块”的所有更新。

用于大型瞬态声波仿真的间断 Galerkin 方法

更有效地实现大型声学问题的时域仿真

“声学模块”中新增了的使用显式求解器进行大型时域声学仿真的接口。它基于间断 Galerkin 方法(又称 DG-FEM 或简化 DG),并使用时间显式求解器,从而得到非常节约内存的方法。新增的接口名为对流波动方程,时间显式接口,可以在“模型向导”的选择物理场接口页中新增的超声波节点下找到。

声压脉冲的静态图像,其中吸收(海绵)层显示为网格域。 声压脉冲的静态图像,其中吸收(海绵)层显示为网格域。
声压脉冲的静态图像,其中吸收(海绵)层显示为网格域。

该接口用于求解瞬态线性声学问题,其中可包含或不包含尺度远大于波长的静态背景流动。应用领域包括超声流量计,超声波距离传感器,以及其他超声波传感器,其中传播时间是一个很重要的参数。不局限于超声波方面的应用,还可以研究室内或车内声学的声音脉冲的瞬态传播。

对流波动方程,时间显式接口还有关联的吸收层域特征,用于模拟消音环境,其功能类似于无反射边界条件。接口求解假设绝热状态方程的线性欧拉 (Euler) 方程;因变量为声压和声速扰动。背景流可以是任意具有很小或中等速度梯度的静态流动。在接口中不包含损耗机制。

下图显示了一个超声流量计(传播时间配置)的示例,模拟了一个 2M 赫兹的信号经过流道的传播,流场平均流速为 10 m/s。这个三维模型可以在“声学模块”的 App 库中找到(称为“通用传播时间法超声波流量计”),模型具有 1600 万个自由度 (DOF),计算时需要 10 GB 内存。

使用新的“间断 Galerkin 方法”和对流波动方程,时间显式接口的“App 库”示例的路径为:

Acoustics_Module/Ultrasound/ultrasound_flow_meter_generic

将新的对流波动方程,时间显式接口与“吸收层”域特征结合使用的“App 库”示例的路径为:

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_absorbing_layers

 
动画显示模型对称面中的连续正弦声压脉冲传播。
 
动画显示模型对称面中的一个高斯脉冲的传播,图中加上了变形效果。声波在主流道左侧和右侧的吸收层中被完全吸收。

新增对流波动方程,时间显式接口

新的对流波动方程,时间显式接口包含下列域和边界条件:

  • 对流波动方程模型:定义此模型的本构方程。
  • 硬声场壁:定义硬边界/壁。
  • 初始值:设定因变量的初始值。
  • 域源:添加模拟施加在流体中的外部力的域源项。
  • 压力:在外部边界定义压力源。
  • 对称:在模型中存在对称性时应用。
  • 法向速度:在外部边界上定义表征振动面的源,如换能器。
  • 声阻抗:用来模拟阻抗边界或简单辐射边界。
  • 一般通量/源:在 DG 框架中的外部边界上设定广义源。
  • 一般内部通量:在给定的 DG 框架设定一般内部通量条件。

新增吸收层域条件

吸收层(有时也称为海绵层)用于截断计算域。吸收层域特征相当于下面三种特征结合起来:

  1. 减缓波动传播的比例系统。
  2. 吸收层域中进行滤波,去掉高频分量。
  3. 外部一阶无反射条件(阻抗条件)。

当这些条件组合起来,不符合实际情况的反射波的幅值将减少多达 1000 倍。下图显示的是来自于新的二维单向流动中高斯脉冲的动画:对流波动方程和吸收层教学模型,其中向外传播的声波脉冲被吸收层所吸收。

使用新的“吸收层”域特征的“App 库”示例的路径为:

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_absorbing_layers

 
"二维均匀流中的高斯脉冲:对流波动方程和吸收层” 示例中二维均匀流中的高斯脉冲:对流波动方程和吸收层”教学模型的压力脉冲动画。左:包含吸收层的全计算域的动画。右:只显示物理域。

新增教程模型:通用传播时间法超声波流量计

流体常常用来传输物质或能量,因而,准确测量流体流速在很多情况下都很重要。在使用传播时间法或传递时间法测定流速的过程中,常常将一个超声波脉冲穿过管道的主流区,以无损方式测定其流速。当信号与主流方向以一定角度穿过管道时,如果其传播方向与主流方向一致,超声波信号的传播将快于在流体中的声速,当其传播方向与主流方向相反时,其传播速度将慢于流体声速,两个方向上穿越时间的差值随着流体流动速度线性增长。这种类型的流量计在工业上应用很广泛。

这个新增的教程模型演示了如何使用声学模块模拟一个通用的浸润型瞬态超声流量计。模型求解信号向流动下游传播的瞬态问题。首先使用“CFD 模块”计算流量计中的稳态背景流场。向上游运动的信号事先经过计算并作为数据导入,到达时间的差值用来估算流体流动速度。其中使用超声波节点下的对流波动方程,时间显式物理场接口,这是一个专门用于瞬态高频情况的接口,它基于间断 Galerkin 方法 (DG-FEM)。

“App 库”路径:

Acoustics_Module/Ultrasound/ultrasound_flow_meter_generic

备注:此模型需要“声学模块”和以下模块之一:“CFD模块”或“传热模块”。

在流量计对称平面上描绘的传输信号的压力分布,时间 t = 5 ms。 在流量计对称平面上描绘的传输信号的压力分布,时间 t = 5 ms。
脉冲接收器上的平均压力,其中一个脉冲向下游移动,一个向上游移动。时间差用于计算主通道中的平均流速。 脉冲接收器上的平均压力,其中一个脉冲向下游移动,一个向上游移动。时间差用于计算主通道中的平均流速。
左:传输信号的压力分布,显示在流量计的对称面上,时间 t = 5 ms。右:脉冲向下游和向上游运动的接收器上的平均压力,时间差值用来计算主流道中的平均流速。

新增教程模型:二维均匀流中的高斯脉冲 - 对流波动方程和吸收层

这个小型教程模拟了一个标准的测试和基准模型,分析线性欧拉 (Euler) 类型的体系中的无反射条件和海绵层。它涉及二维均匀流中的瞬态高斯脉冲。对流波动方程,时间显式接口求解了绝热状态的线性欧拉方程,并且在接口中使用吸收层特征来模拟无限大域。

在计算域中心的初始高斯分布产生一个声学脉冲,然后在高马赫数均匀流动中传播。这个问题存在解析解,用来验证数值结果,显示出良好的一致性。

模型还显示了如何设定和使用吸收层,这种吸收层可以将不符合实际情况的反射波减少到 1/1000 入射场幅值。

“App 库”路径:

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_absorbing_layers

对流高斯脉冲撞击吸收层时的声粒子速度。 对流高斯脉冲撞击吸收层时的声粒子速度。
在沿 x 轴的横截面中显示 COMSOL Multiphysics® 模型分析结果(蓝线)与解析解(绿点)的压力曲线比较图。右侧的尖峰表示吸收层中的脉冲,没有任何物理意义。 在沿 x 轴的横截面中显示 COMSOL Multiphysics® 模型分析结果(蓝线)与解析解(绿点)的压力曲线比较图。右侧的尖峰表示吸收层中的脉冲,没有任何物理意义。
左:对流的高斯脉冲作用到吸收层之后的声学粒子速度。右:COMSOL Multiphysics® 模型的结果(蓝线)与解析解(绿点)沿 x 轴截面的比较。右侧的尖峰代表脉冲在吸收层中,没有任何物理意义。

新增热粘性声学,边界模式物理场接口

在智能手机和其他小型电子设备等小几何尺寸中进行声学分析,由于存在近壁的边界层,来自于粘性损耗和热传导的效应相当重要。这些层的厚度称为粘性和热穿透深度。热粘性声学,边界模式接口计算和识别这些波导和管道中的传播和非传播模式。它用来在小几何尺寸的边界、入口、波导截面,或者管道中执行边界模式分析,其中包含热和粘性损耗,这些在近壁的声学边界层中非常重要。此接口求解压力、速度和温度,以及算出的模式的面外波数的声学变化。

0.5 mm x 2 mm 波导的分析示例。绘图显示前 3 阶模态在 100 Hz 下的压力。 0.5 mm x 2 mm 波导的分析示例。绘图显示前 3 阶模态在 100 Hz 下的压力。
0.5 mm x 2 mm 波导的分析示例。绘图显示前 3 阶模态在 100 Hz 下的面外声速。 0.5 mm x 2 mm 波导的分析示例。绘图显示前 3 阶模态在 100 Hz 下的面外声速。
0.5 mm x 2 mm 波导的分析示例。绘图显示前 3 阶模态在 100 Hz 下的声学温度变化。 0.5 mm x 2 mm 波导的分析示例。绘图显示前 3 阶模态在 100 Hz 下的声学温度变化。
0.5 mm x 2 mm 波导的分析示例,绘图显示前 3 阶模态在 100 Hz 下的压力(左)、面外声速(中),以及声学温度变化(右)。一阶(传播)模态显示为几何表面的图像,波数 kn = 2.58-1.31i 1/m,后两阶为消失模,波数分别为 2970.6-7134.7i 和 2904.8-7635.9i。其中的颜色标尺各不相同。

除了小管道系统,在诸如助听器和移动设备中,热粘性声学,边界模式接口可以用来识别传播波数和管道截面的特征阻抗。这些信息随后可以用于下一步分析,作为压力声学,频域接口的均匀狭窄区域声学特征的输入。

这个接口可以在三维和二维轴对称模型中的边界上使用。它求解由线性 Navier-Stokes 方程(线性连续性、动量和能量方程)定义的方程,在静态背景条件中寻找给定频率的面外波数。

热粘性声学中的背景声场(散射场公式)

热粘性声学接口现在有了一个散射场公式选项,可以让您在模型中添加背景声场。背景场可以由用户定义平面波公式。

对于用户定义,您可以定义压力、声速和温度变化的表达式。这些也可以从另一个定义背景场的声学模型的解中获取。平面波选项定义一个平面传播的波,包含物理一致的粘度和热衰减。

使用这个新特征,当您在建模热和粘性损耗很重要的传播问题,或者研究小对象(与声学边界层相比较小)散射时,可以创建简单源。作为一个高级 App 示例,这个特征可以结合热粘性声学,边界模式接口,在波导入口创建声源。

使用“热粘性声学”特征中的新“背景声场”的“App 库”示例的路径为:

Acoustics_Module/Tutorials/transfer_impedance_perforate

“穿孔板的转移阻抗”教程模型的结果,其中一侧的入射场使用新的“背景声场”特征施加。颜色图显示穿孔板中孔内的声速,线图显示 COMSOL Multiphysics® 计算的传递阻抗,并与半解析模型进行比较。 “穿孔板的转移阻抗”教程模型的结果,其中一侧的入射场使用新的“背景声场”特征施加。颜色图显示穿孔板中孔内的声速,线图显示 COMSOL Multiphysics® 计算的传递阻抗,并与半解析模型进行比较。
“穿孔板的转移阻抗”教程模型的结果,其中一侧的入射场使用新的“背景声场”特征施加。颜色图显示穿孔板中孔内的声速,线图显示 COMSOL Multiphysics® 计算的传递阻抗,并与半解析模型进行比较。

新增教程模型:穿孔板传递阻抗

穿孔板是分布着很多小穿孔或孔洞的平板,常用于消音器系统、吸音面板,以及很多其他地方作为衬垫,可以很精确地控制衰减。随着穿孔变得越来越小,粘性和热损耗变得越来越重要。衰减行为也会随频率变化,可以通过选择穿孔尺寸和板上的分布来进行控制。

尽管穿孔板已经进行了多年的理论研究,但是现在还只能在简单的几何中使用解析和半解析模型。当孔洞具有变化的截面、穿孔为锥形,或者孔洞的分布不均匀等情况时,有必要通过数值方法来进行分析。

在这个教学模型中,使用热粘性声学,频域接口详细地模拟了这些效应。虽然高音平或存在流动(流过或越过穿孔)时会发生非线性损耗,但是在这个教学模型中只研究了粘性和热传导的线性效应,确定了系统的传递阻抗、表面法向阻抗,以及衰减系数。

计算得到的传递阻抗与半解析模型进行了比较。在这个详细的模型中得到的传递阻抗可以作为压力声学,频域接口中存在的内部阻抗条件用于更大系统的仿真。

“App 库”路径:

Acoustics_Module/Tutorials/transfer_impedance_perforate

穿孔板传递阻抗的比较,分别为声学模块和半解析模型的结果。图上显示了传递阻抗的实部、虚部,以及绝对值。 穿孔板传递阻抗的比较,分别为声学模块和半解析模型的结果。图上显示了传递阻抗的实部、虚部,以及绝对值。
穿孔中的声学温度波动,其中热边界层清晰可见。 穿孔中的声学温度波动,其中热边界层清晰可见。
左:穿孔板传递阻抗的比较,分别为声学模块和半解析模型的结果。图上显示了传递阻抗的实部、虚部,以及绝对值。右:穿孔板中的声学温度波动,热边界层清晰可见。

热声学的新名称:热粘性声学

在 COMSOL Multiphysics® 5.2a 版中,所有的热声学接口重命名为了热粘性声学。这些接口专门用于具有小几何尺寸的热和粘性声学损耗问题的建模,即,在这些问题中,热和粘性声学边界层的损耗很重要。这样的例子包括麦克风、移动设备、助听器、微型换能器,还有很多。热声学是一个已有的声学分支中的项,处理声波冷却或加热。因此,热粘性声学能更好地描述建模的物理现象。

以下接口均有了新名称:

  • 热粘性声学,频域
  • 热粘性声学,边界模式(新接口)
  • 声-热粘性声学相互作用,频域
  • 热粘性声学-结构相互作用,频域

新增方向性绘图

新的方向性绘图类型可供声学工程师将扬声器的空间响应显示为频率和角度的函数,对于扬声器和其他电声换能器很重要。以这种方式表征空间响应在扬声器行业中很普遍,而且测试数据也经常是以这种形式显示。绘图包括很多格式化选项,以达到对模拟数据的最大程度的了解。一些重要的格式化为:

  • 归一化:入射声压级数据可以根据指定的极角、最大值(每个频率)进行归一化,或者不进行归一化。
  • 计算:计算圆可以在空间的任何位置定义,并且可以定义设定零度角方向的参考方向。
  • 着色和样式:将数据格式化为表面、线,以及标签。还可以方便地切换轴的布局和将频率放在 xy 轴上。
方向性绘图的示例,其中数据以 30 度角进行归一化,频率在 x 轴上,在绘图中添加了标签。

方向性绘图的示例,其中数据以 30 度角进行归一化,频率在 x 轴上,在绘图中添加了标签。

相同数据以 0 度角进行归一化,频率在 y 轴上。

相同数据以 0 度角进行归一化,频率在 y 轴上。

方向性绘图的示例,其中数据以 30 度角进行归一化,频率在x轴上,在绘图中添加了标签(左)。相同数据以 0 度角进行归一化,频率在 y 轴上(右)。

线性 Navier-Stokes 和 Euler 的背景声场(散射场公式)

线性 Navier-Stokes,频域线性 Euler,频域接口现在有了散射场公式选项,可以让您在模型中添加背景声场。既可以由用户定义的表达式输入压力、声速和温度变化。也可以来自于另一个声学模型的解,定义确定类型声波的解析表达式。

线性 Euler 接口中原本称为入射声场特征现在得到更新和改进,称为背景声场特征。

射线声学:计算射线功率和表面声压级 (SPL)

射线声学接口中新增和改进了用于计算射线功率功能,对于强度计算有四种可用的选项:

  1. 计算强度(原来称为使用主曲率
  2. 计算强度和功率
  3. 计算变折射率介质中的强度(原来称为使用主曲率张量
  4. 计算变折射率介质中的强度和功率

对于射线功率选项,您可以在条件中添加声压级计算,这个新特征计算表面声压级,包括表面属性的效应,例如吸收系数。您可以很方便地使用结果节点来绘制这些变量。

计算射线功率和表面声压级的“案例下载”示例的入口为:

小型音乐厅声学分析

用于“射线声学”的新射线功率计算选项;您可以在“设置”窗口中选择强度计算 选项。

用于“射线声学”的新射线功率计算选项;您可以在“设置”窗口中选择强度计算 选项。

来自“小型音乐厅声学分析”教学案例的屏幕截图,其中突出显示了声压级计算 节点。

来自“小型音乐厅声学分析”教学案例的屏幕截图,其中突出显示了声压级计算 节点。

“射线声学”的新射线功率计算选项:“设置”窗口显示选定强度计算的选项(左),以及来自于小型音乐厅声学教学模型的高亮的声压级计算节点(右)。

射线声学:无网格射线追踪

如果介质具有均匀属性(非变折射率介质),射线声学接口不再需要网格。在这种情况下,环境介质的材料属性可以在全局定义。唯一的要求是模型至少包含一个边界条件,例如壁,或材料非连续性。射线可以在无网格几何的很长距离传播,并且可以在几何模型之外释放和传播。这可以用于诸如大型音乐厅仿真。

锥形释放的新选项

以初始方向的锥形分布释放射线时,新增了一些选项。您可以在波矢空间以均匀密度释放射线,这样每个射线具有相同的立体角。或者,您可以分别指定极和角向的射线密度。内置的选项还可以只在边沿释放射线,包含或者不包含轴上的射线。

压力声学的背景压力场和入射场中的球面波和柱面波

压力声学,频域接口,背景压力场入射压力场特征(辐射条件的子节点)扩展为包含柱面波和球面波。这样更加容易设定复杂的入射和背景声场。由外部点源或小振动体产生的场可以通过单极类型源进行近似。

选择压力声学的“柱面波”或“球面波”压力场类型。 选择压力声学的“柱面波”或“球面波”压力场类型。
一个二维散射示例,从左上角沿顺时针方向为总声压场,总声压级,散射声压,以及柱面波背景声压。 一个二维散射示例,从左上角沿顺时针方向为总声压场,总声压级,散射声压,以及柱面波背景声压。

左:选择压力声学的柱面波球面波压力场类型。右:一个二维散射示例,从左上角沿顺时针方向为总声压场,总声压级,散射声压,以及柱面波背景声压。

用于扬声器的电声耦合

新增和改进的特征可以简化和扩展用于换能器的电磁耦合,例如线圈。这些特征在扬声器驱动器建模中非常重要。“线圈”域特征现在支持在三维和二维轴对称中引入速度(洛伦兹项)。在结构力学应用中,系统可以自动拾取洛伦兹力贡献并将其作为“体载荷”。案例下载和“App 库”中的“扬声器驱动器”模型对此进行了演示。

使用改进的“多匝线圈”域特征的“App 库”示例的路径为:

Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/loudspeaker_driver

“扬声器驱动单元”模型使用了新增的电声耦合。 “扬声器驱动单元”模型使用了新增的电声耦合。
“扬声器驱动单元”模型使用了新增的电声耦合。

更新教程模型:扬声器驱动单元

扬声器驱动单元模型得到更新,现在使用新的自动电磁耦合多物理场特征来实现运动线圈和磁场之间的耦合。速度(洛伦兹项)已经添加到线圈域,并且洛伦兹力贡献自动地选作结构的边界载荷特征。这个新功能不需要用户定义方程来模拟这种类型的多物理场耦合。

备注:此模型需要“声学模块”和“AC/DC 模块”。

“App 库”路径:

Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/loudspeaker_driver

频率扫描的对数和 ISO 首选频率选项

在研究中定义频率扫描时添加了两种新定义方法:
  1. 对数:输入起始和终止频率,以及每个数量级所需的频率数量。此特征可用于 COMSOL Multiphysics®,不需任何插件产品。

  2. ISO 首选频率:选择起始和终止频率,以及所需的间隔(倍频,1/3 倍频,1/6 倍频,1/12 倍频及 1/24 倍频)。

    1. 1/3 倍频首选频率的定义是基于 ISO 266 标准,这个标准选项基于 ISO 3 首选数字的频率(序列 R20、R40 和 R80)扩展为 1/6 倍频、1/12 倍频和 1/24 倍频间隔。注意,您必须在模型开发器工具栏中选择显示 > 高级研究选项来使用它。

完美匹配层 (PML) 更新

一些选项添加到了“完美匹配层”特征,使它可以定制层的属性:

  • 在求解器中的选项“启用/禁用 PML”对于源为算得场的散射问题很有用。
  • 如果 PML 具有非标准几何,可以使用用户定义的几何类型,还可以用于自动检测 PML 几何失败的情况。
  • 您可以选择用户定义坐标拉伸函数来定义 PML 的缩放,这允许您在 PML 中指定缩放,例如,在特定的物理场配置中非常有效地吸波。

其他增强功能和重要的 Bug 修复

  • 更新远场图,添加了新选项来指定零度角的参考方向。
  • 可压缩势流接口中添加计算温度选项。
  • 可压缩势流接口有了两个边界条件:内部壁(滑动速度)平均流速势。此外,现在有一个选项来自动地计算流动中的温度场。当设置“线性势流模型”的背景流时可以使用它。
  • 热粘性声学,频域接口中添加了两个新热边界条件:
    • 热通量条件用于当脉冲热源生成声波时。
    • 内部温度变化条件用于模拟类似薄板带有由脉冲电流产生的电阻发热引起的谐波温度变化的应用。
  • 由于线性 Euler 接口中的入射声场特征更名为背景声场,所有变量的后缀由 _i 改为 _b。
  • 线性 Navier-Stokes 和线性 Euler 接口的时间导数变量的名称从 p_t 改为 pt,u_t 改为 ut,rho_t 改为 rhot,T_t 改为 Tt。
  • 声扩散方程接口中添加了两个贡献点源。

更新教程模型:微流道截面的声流动

近来微流控系统的先进制造需要处理活性细胞和其他微颗粒,以及混合。所有这些可以通过声辐射力和片状流动的粘性拖曳来实现。

  1. 片状流动:由于 Navier-Stokes 方程中的非线性项,流动的谐扰动将产生净时间平均流,称为声流。
    1. 声流是一种二阶(非线性)声学效应,可以通过两种方式模拟:
      1. 直接求解非线性 Navier-Stokes 方程进行仿真;
      2. 或如此处所示,通过分离时间尺度方法。
  2. 辐射力:由于控制方程的非线性项,动量可以从声场传递给颗粒。
    1. 这导致在粒子上受到净力 - 声辐射力。

设备中粒子的轨迹由粘性拖曳力(来自于声流)和声辐射力之间的平衡所控制。此模型显示如何使用 COMSOL Multiphysics® 的“声学模块”来引入并对此进行建模。

“案例下载”链接:

Acoustic Streaming in a Microchannel Cross Section

微通道截面中的声流流动。 微通道截面中的声流流动。
 
左:微流道截面中的声流。右:在声流拖曳力和声辐射力影响下的粒子轨迹动画。

更新教程模型:带热和粘性损耗的多孔弹性波(Biot-Allard 模型)

在空气填充的多孔材料中的压力波和弹性波传播应用中,热和粘性损耗都很重要。典型应用见于房间声学的绝声材料或汽车车厢垫层材料,还可以用于汽车工业的消音器中的多孔材料。

在很多情况下,这些材料可以使用压力声学接口中实现的多孔声学模型(相当于流体模型)来模拟。多孔声学模型没有捕获所有效应,因此有时候有必要引入多孔基体中的弹性波。通常使用所谓的 Biot-Allard 理论来模拟多孔弹性波。

“声学模块”的多孔弹性波接口基于用于地球科学的经典的 Biot 理论。这个模型假设饱和流体为液体(水),并且只包含粘性损耗。材料输入与典型的声学绝声材料的材料还有差别。当前的模型显示多孔弹性波接口如何专门用来引入由 Biot-Allard 理论描述的热和粘性效应。

“案例下载”链接:

Poroelastic Waves with Thermal and Viscous Losses (Biot-Allard Model)

单多孔层的表面法向阻抗。曲线包含热和流体中的粘性损耗,以及多孔基体的机械变形。 单多孔层的表面法向阻抗。曲线包含热和流体中的粘性损耗,以及多孔基体的机械变形。
单多孔层的表面法向阻抗。曲线包含热和流体中的粘性损耗,以及多孔基体的机械变形。

更新教程模型:声子晶体

光子和声子晶体在各种科技应用中得到了越来越多科学家的关注,这些晶体由基体中内嵌的周期性分布的散射体构成。在特定条件下,可以形成声学带隙,这些谱带的波无法进行传播。

此教程模型首先分析了一个声子晶体,确定了它的带结构。然后模型分析通过有限尺寸晶体的传输损耗,并与带结构的结果进行比较。

“案例下载”链接:

Sonic Crystal

声子晶体结构中的周期性压力场。使用预置的 Floquet(也称 Bloch)周期性条件来模拟其周期性。 声子晶体结构中的周期性压力场。使用预置的 Floquet(也称 Bloch)周期性条件来模拟其周期性。
声子晶体结构中的周期性压力场。使用预置的 Floquet(也称 Bloch)周期性条件来模拟其周期性。

更新教程模型:声-结构相互作用和小提琴中的空气流动

过去的千年,小提琴中的音孔从圆形变成拉长形状。很多声音的低音符从小提琴的这种拉长的音孔中发出。小提琴的振动琴身提供了高频部分,同时使得其中的空气产生谐振。

“案例下载”入口中提供了两个教程模型,第一个使用声-结构相互作用来研究空气的模式谐振如何受到小提琴琴身振动的耦合影响。另一个使用势流近似来研究空气如何流过拉长的音孔。

这些模型在以下博客中有更加详细的描述:"Analyze Violin Tone and Volume with Multiphysics Modeling"。

“案例下载”链接:

Acoustic-Structure Interaction and Air Flow in Violins

耦合的小提琴和声学模型的一阶模式,300Hz 左右。 耦合的小提琴和声学模型的一阶模式,300Hz 左右。
空气流过小提琴的 f 孔,通过势流进行模拟。 空气流过小提琴的 f 孔,通过势流进行模拟。
左:耦合的小提琴和声学模型的一阶模式,300Hz 左右。右:空气流过小提琴的 f 孔,通过势流进行模拟。

更新教程模型:热粘性声学能量守恒

带有小尺寸结构的几何中声音传播受到近壁的粘性和热损耗的影响,这样的损耗需要在对这种结构模拟其声学行为时包含在内。

此教程模型研究一个带入口和出口,以及包含非常薄细颈的 Helmholtz 谐振腔的概念性测试模型中的能量守恒。细颈处的声学由热粘性声学接口建模,仔细地分析其热和粘性损耗。为了研究和验证能量守恒,模型比较了声学边界层中的总损耗能量和系统入口减去出口的功率。

热声学理论方面更加详细的讨论可以查阅博客“热粘性声学的理论基础:热损耗与粘性损耗”。

“案例下载”链接:

Energy Conservation with Thermoacoustics

更新教程模型:使用阻抗边界条件的子组件集总

本教程说明了推导“声学模块”中物理一致性简化模型的建模方法。其中包括将复杂的子组件转换为一个阻抗边界条件,否则在整个模型中需要使用声学模型。其效果是可以显著地加速计算。

示例包含一个简化的由一个主管道和一个 Helmholtz 谐振腔构成(子组件)的消音器类系统。谐振器中的声学使用热粘性声学建模,因为粘性和热损耗很重要。目标是将热粘性声学域集总成一个阻抗模型。

该教程模型给出了在复杂声学模型中一步一步如何推导阻抗边界条件的详细描述,以及如何在一个新的简化模型中调用这个阻抗。此外,模型还详细说明如何使用“优化模块”来将推导的阻抗拟合到 RCL 模型。文档中讨论了为什么第二种方法可以用来推导建模系统的更加深入的情况。

“案例下载”链接:

Sub-Component Lumping in Acoustics Using the Impedance Boundary Condition