声学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本为“声学模块”引入了许多新功能,显著改进了声学现象的时域仿真功能,并提高了对大型声学模型的求解能力。除此之外,还新增了一组物理场特征和选项,以及新的后处理工具。

声学模块新增功能概述

总体而言,时域仿真方面的改进包括以下几个方面:

  • 压力声学的时域仿真中新增了完美匹配层 (PML)
  • 新增了时域中的热粘性声学,瞬态 接口
  • 在物理场级别控制瞬态求解器设置,提升了仿真的稳健性
  • 间断 Galerkin (dG) 方法的提速

处理大型模型时可受益于以下新特征:

  • 迭代求解器中即时可用的建议的求解器选项
  • 使用巧凑边点单元的选项

新的物理场特征和选项包括:

  • 基于 Galerkin 最小二乘 (GLS) 法的线性 Navier-Stokes 分析新增和提升了稳定性技术
  • 对线性 Navier-Stokes 应用和热粘性声学应用,改进了 特征中滑移 边界条件的公式;在使用迭代求解器时,这个改进非常有效
  • 对流波动方程 接口中的二维轴对称公式
  • Biot-Allard 模型,用于在多孔弹性波仿真中包含热损耗和粘滞损耗
  • 新增了内部多孔板 条件
  • 改进了二维轴对称几何中的射线声学公式
  • 远场图的波束宽度计算

压力声学,瞬态 接口中新增了完美匹配层

完美匹配层常用于默认的可能会产生不希望的伪数值反射的一阶非反射边界条件的情况,通过使用完美匹配层,您可以用模仿波移动至无限域的外部层来截断计算域。

在 COMSOL Multiphysics® 5.3 版本中,压力声学,瞬态 物理场接口现在对基于有限元法的瞬态声学仿真包含了时域完美匹配层功能。这一功能在前几版本中仅适用于压力声学,频域 接口和对流波动方程,时域显式 接口。用户可以从定义 节点添加完美匹配层,然后可以对笛卡尔坐标系、柱坐标系及球坐标系中的三维、二维轴对称、二维和一维几何模型选择多项式或有理数缩放选项。

 
 
建模域中由完美匹配层包围的瞬态高斯脉冲的动画。这两个动画显示波已完全吸收,不需要的伪反射波未泄漏回建模域。
 
一个可振动活塞发出的声音传播到三维空间的动画。图中显示了压力的瞬态发展等值面轮廓及其在完美匹配层中的吸收。


有关在瞬态压力声学仿真中使用完美匹配层的示例,请访问以下“案例库”路径:
Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_perfectly_matched_layers

新增热粘性声学,瞬态 接口

热粘性声学 节点已扩展为包含一个用于瞬态线性热粘性声学仿真的接口,其中包含由高斯脉冲等任意时变信号表示的源项。热粘性声学,瞬态 接口适用于模拟热损耗和粘滞损耗非常重要的系统中的瞬态波传播,这类系统通常用于类似移动设备、小型扬声器、麦克风或穿孔板的孔这样小尺寸的应用中。

此接口可以通过热粘性声-结构边界 多物理场接口与固体力学 等结构力学应用和接口相耦合。

 
含输入和输出信号的 COMSOL 绘图。 含输入和输出信号的 COMSOL 绘图。 含输入和输出信号的 COMSOL 绘图。
高斯包络的谐波信号在中间呈狭窄收缩的狭长管道中传播的动画。脉冲从管道的一端传播到另一端,由于热损耗和粘滞损耗信号发生衰减。这两个动画显示通过管道的粒子速度(左图)和声学温度变化(中图),在中间的收缩段附近,速度和温度变化最大。图(右图)中显示瞬态输入压力信号(蓝色曲线)和衰减的输出压力信号(绿色曲线)。


更新的多孔弹性波 接口中新增了 Biot-Allard 模型

在有关压力波和弹性波在充满空气的多孔介质材料中传播这样的应用中,热损耗和粘滞损耗都非常重要。这类应用的典型示例包括室内声学的绝缘材料、车厢的衬里材料、耳机和扬声器中使用的泡沫,以及消声器中的多孔材料。

为了更好地模拟这几类应用,多孔弹性波 接口中添加了 Biot-Allard 模型 选项。此模型是对之前版本中就可使用的 Biot 模型 选项的一个补充,“Biot 模型”选项仅考虑粘滞损耗,适用于饱和流体为液体的岩石和土壤中声学多孔弹性波的传播。

时至今日,压力声学,频域 接口再结合适当的流体模型,例如多孔介质声学模型等,已是模拟多种声学应用的优选方法。然而,这些模型没有完全捕捉到真实世界中的所有效应,比如对于需要将多孔基体与振动结构相耦合的情况,有时还需要包含弹性波的效应。在新版本中,就可以使用多孔弹性波 接口中新增的 Biot-Allard 模型 选项来模拟这样的情况。模型中的材料输入可以参考音频和噪声控制设备中使用和检测到的参数。


有关在多孔弹性波仿真中使用 Biot-Allard 模型 选项的示例,请访问以下“案例下载”链接:

多层多孔介质材料:含热损耗和粘滞损耗的多孔弹性波(Biot-Allard 模型)

更新声-结构相互作用多物理场耦合

多孔弹性波 接口中添加 Biot-Allard 模型 选项后,耦合多孔弹性域、结构和声学的多物理场接口得到了更新和改进。这几个多物理场接口均支持压力声学与多孔弹性波的耦合,以及多孔弹性波与结构的耦合(有时是所有这三者的耦合)。用户可以添加一个新的接口,使用功能区的添加物理场 按钮来打开“添加物理场”窗口,然后可以从声学声-结构相互作用分支中选择以下更新的多孔弹性波 接口:

  • 多孔弹性波,这是单物理场接口
  • 声-多孔弹性波相互作用,这是一个添加了以下物理场和耦合的多物理场接口:
    • 压力声学,频域
    • 多孔弹性波
    • 多物理场
      • 声-多孔介质边界
  • 声波-固体波-多孔弹性波相互作用,这是一个添加了以下物理场和耦合的多物理场接口:
    • 压力声学,频域
    • 固体力学
    • 多孔弹性波
    • 多物理场
      • 声-结构边界
      • 多孔介质-结构边界
      • 声-多孔介质边界
  • 固体力学(弹性波),将固体力学 接口添加到该分支的接口,这是从声学位置添加此接口的有效便捷的快捷方式

对流波动方程,时域显式 接口的二维轴对称公式

在新版本中,对流波动方程,时域显式 接口可进行二维轴对称仿真,可模拟声波的长距离传播,接口中自带包含面外分量 选项,可用于考虑背景流的面外分量及其与声信号的交互。此接口还可用于模拟轴对称的超声波换能器或高频扬声器等器件。

 
振动活塞的二维轴对称模型中的声速波动,在衍射障碍物的正前方形成了一个频率为 5000 Hz 的波。

预定义的迭代求解器推荐设置

新版本中,除了在选中物理场接口时默认设置、用于首次求解模型的直接求解器外,“声学模块”还提供了一些迭代求解器的推荐设置。对于某些物理场接口,软件给出两种求解器推荐设置(如屏幕截图所示),通常其中一个速度较快,而另一个则更稳定,但速度较慢。当直接求解器的运行达到内存限制而解仍无法收敛时,可以启用建议的求解器。这一新功能简化了求解大型模型时的工作流程,且当直接求解器很明显不是可使用的最优求解器时,用户可以直接使用此功能,而无须手动设置和调整迭代求解器。

从物理场节点控制瞬态求解器

“声学模块”中的所有瞬态接口现在在各个物理场接口节点中都具有瞬态求解器设置 栏,基于其中提供的输入可对默认求解器的自动控制进行设置,由此提高了瞬态求解器的配置,使仿真更稳健。

默认设置(及建议的设置)是使用时间步进 下拉菜单中的手动 选项,然后在相应的编辑框中输入要求解的最大频率。在大多数声学问题中,所有声源的频率部分均已知,或可以通过绘制声源信号的傅立叶变换计算得到。在线性声学应用中,大多数解的频率部分将与声源相同,因此只要在新的编辑框中输入要求解的频率即可。对于非线性问题,可以根据生成的要求解的谐波数来作决策。这时,要求解的最大频率 编辑框应设为谐波数乘以声源信号频率。

间断 Galerkin 方法的提速

新版本中实现了多项改进,使间断 Galerkin (dG) 法得到提速并减少了此方法的内存占用。速度提升的主要原因是在计算内部时间步时使用了新的网格度量标准,即 dG 中的时域显式法。另外,使用了新的网格质量优化过程,也是速度得到提升的另一个原因。这个过程在三维中生成四面体网格(见图)时利用了新的避免过小的单元 网格选项。


模型运行时采用了多核系统,这是减少内存占用的主要原因。这里,dG 方法中使用了稀疏装配,必需的内存与可用的 CPU 内核数几乎无关。此外,初始化期间所需的内存已大大减少。

例如,请参阅“通用渡越时间超声波流量计”教学模型。在采用 4 核英特尔® 酷睿™ i7 处理器(频率为 3.60 GHz)且内存为 32 GB 的台式计算机上进行测试运行时,在 COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本中求解声学问题需要 7 小时零 5 分钟,需要 6.0 GB 内存。在 5.3 版本中,求解同一个研究现在需要 5 小时零 1 分钟,需要 5.8 GB 内存。这表明速度提升了约 30%,内存的占用稍微减少了一些。与本例中的采用 4 核处理器仅减少 0.2 GB 内存相比,当处理器中的内核更多时,如在 16 核的处理器中运行时内存可以减少近 1 GB。作为参考,此模型包含 750 万个自由度 (DOF)。

有关使用改进的 dG 方法的示例,请访问以下“案例库”路径:
Acoustics_Module/Ultrasound/ultrasound_flow_meter_generic

提高了线性 Navier-Stokes 物理场接口的稳定性

线性 Navier-Stokes 接口中新增和改进了稳定性方法。新增的默认稳定性方案是 Galerkin 最小二乘 (GLS) 稳定性,此方案极大地提高了含粗化网格解的稳定性和收敛性。如果您需要的话,还可以关闭稳定性,选择流线迎风 Petrov-Galerkin (SUPG) 稳定性 方案,或选择流线扩散(旧方法)方案。这个新增的默认设置非常适合模拟使用线性 Navier-Stokes 接口的大部分流体-声相互作用问题。在线性 Navier-Stokes 接口中实现这一新的稳定性方案后,现在可以更改压力、速度和温度参数的默认离散化,并将自由度改成线性单元。在许多情况中,这样做可以减小模型大小。


有关使用改进的 Galerkin 最小二乘 (GLS) 稳定性 的示例,请访问以下“案例库”路径:
Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

重构了滑移条件

热粘性声学 接口和线性 Navier-Stokes 接口中的滑移 边界条件已重构为使用间断 Galerkin (dG) 公式,也称为罚类似 公式。dG 公式是新增的默认公式,替换了 COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本中使用的基于拉格朗日乘子的公式(如需要,您仍可以选择使用此公式)。这两个公式都用于防止弯曲表面上引起结果错误的所谓锁定现象,新公式特别适用于使用迭代求解器进行的求解,而旧公式不适用于这类求解。

在边界层非常重要的情况中,默认的壁上无滑移条件是粘滞边界层存在的前提,等温条件是热边界层存在的前提。在这些声学边界层内存在大多数热粘性耗散,在许多应用中都需要考虑这些耗散。

滑移条件在无粘滞边界层的创建位置上强加了无渗透条件。在边界层中粘滞损耗不重要的位置使用此滑移条件,可以避免对边界层进行网格剖分,因而产生的网格单元和自由度会更少。在线性 Navier-Stokes 模型中滑移 条件特别有用,这时相关特性描述为主流动与平均背景流动的耦合,而并不是描述为边界层中的细节。

声学中的巧凑边点单元

“声学模块”中的各个物理场接口现在支持在离散化 栏中选择两类形函数:拉格朗日和巧凑边点。当前的默认设置是在所有接口中使用拉格朗日单元,不过固体力学 接口中的默认设置是使用巧凑边点单元。选择拉格朗日单元还是巧凑边点单元会影响要求解的自由度数量,以及包含变形网格的模型的稳定性。

在使用结构化网格时,切换为巧凑边点形函数往往更有利,因为这样产生的自由度要少得多。而且在大多数情况中,得到的精度与使用拉格朗日形函数进行建模的精度几乎一样高。不过,拉格朗日单元对网格的过度变形不敏感,因此在这类情况中首选拉格朗日单元。使用巧凑边点单元仅对以下单元形状有利,因为不考虑形函数的选择,采用其他单元形状得到的自由度数都相同:

  • 在二维中:离散阶次大于一的四边形单元
  • 在三维中:离散阶次大于一的六面体单元、棱柱体单元和金字塔单元
可从使用巧凑边点单元受益的含网格的声学模型。 结构化的扫掠网格示例,从默认的拉格朗日单元切换为巧凑边点单元有许多优点。这会带来许多不同,因为扫掠网格由棱柱体单元构成。在热粘性声学仿真中,使用拉格朗日单元会产生 59,955 个自由度。将速度和温度的离散化切换为使用二次巧凑边点单元,自由度的数量减少到 39,955 个(在热粘性声学中,压力仍采用线性离散,不会受到此切换的影响)。 结构化的扫掠网格示例,从默认的拉格朗日单元切换为巧凑边点单元有许多优点。这会带来许多不同,因为扫掠网格由棱柱体单元构成。在热粘性声学仿真中,使用拉格朗日单元会产生 59,955 个自由度。将速度和温度的离散化切换为使用二次巧凑边点单元,自由度的数量减少到 39,955 个(在热粘性声学中,压力仍采用线性离散,不会受到此切换的影响)。

远场图和方向性图的预览计算平面功能

现在您可以在远场图和方向性图中使用预览计算平面 特征,在进行远场计算的位置绘制圆(已缩放),并绘制计算平面法矢和参考方向矢量(在极坐标图中表示 0 度的方向)。当输入或修改计算设置后在正确位置处执行计算时,此特征对于可视化处理及验证都起到了极大的帮助作用。

显示远场图中“预览计算平面”特征的示例。 远场图的预览计算平面和平面的法向和参考方向及其相应的设置。源自“敞开式扬声器箱中的驱动单元”模型。 远场图的预览计算平面和平面的法向和参考方向及其相应的设置。源自“敞开式扬声器箱中的驱动单元”模型。

有关显示预览计算平面的示例,请访问以下“案例库”路径:
Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/vented_loudspeaker_enclosure

一维远场图的波束宽度计算

现在可以自动计算空间辐射图的波束宽度和零点到零点波束宽度,当使用一维远场 图在极坐标图 组中绘制空间响应时,可以使用计算波束宽度 功能。

固体力学和耦合的声-结构物理场中的模态分析

模态分析已添加到固体力学 接口中用于研究波在二维结构面外方向的行进,以及轴对称模型中的周向模态。在耦合的声-结构问题中模态分析尤其重要,它完全适用于耦合问题。这类分析可用于分析波导、管道系统和消声器等应用中的传播模态。

显示耦合了声学-结构物理场模型的 COMSOL 软件图形用户界面的屏幕截图。 含薄弹性壁的消声室中耦合了声学和结构的传播模态。 含薄弹性壁的消声室中耦合了声学和结构的传播模态。

有关使用模态分析的示例,请访问以下“案例库”路径:
Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

更新的内部多孔板 边界条件

压力声学,频域 接口中可用的内部多孔板 边界条件已更新且进行了改进,现在包含完整的粘滞损耗和热损耗模型、使用 Fok 函数的孔-孔相互作用、添加非线性损耗效应的选项以及薄板和厚板均适用的公式。此边界条件通常用于模拟消声器或隔音装配中的多孔板。

使用 COMSOL Multiphysics 5.3 版本中更新的“内部多孔板”边界条件的消声器模型。

多孔板消声器中的声压分布。灰色边界使用 内部多孔板条件,对模型中计算的传输损耗与测量值进行了比较。

多孔板消声器中的声压分布。灰色边界使用 内部多孔板条件,对模型中计算的传输损耗与测量值进行了比较。


有关使用内部多孔板 边界条件的示例,请访问以下“案例库”路径:
Acoustics_Module/Automotive/perforated_muffler

压力声学的热源

压力声学 接口中新增了一个热源 条件,您可以使用此特征表示将生成声波的振荡热源或脉冲热源,它们通常表示燃烧应用中在燃烧室中生成声波的的火焰,或光声应用中的脉冲激光束等等。

二维轴对称几何中改进的射线声学

在计算二维轴对称模型中的射线强度时,与传播射线相关的波前现在视为球面波或椭球面波,而不是柱面波,因为柱面波仅对实际二维模型作了适当的简化。换句话说,使用柱面波时计算所有射线有关方位方向的主曲率半径。这一改进使二维轴对称模型中射线强度的计算更具有实际意义。在水下声仿真中具有典型应用,如相关图中所示。

此外,这一改进中还包含了从边、点或在沿对称轴的指定坐标处释放射线的专门特征。在使用这其中任一个专门的释放时,内置的选项可用于释放各向异性半球中的射线,由此每条射线都几乎包含三维中相同的立体角。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中射线声学模型的表面图。 含变折射率介质(声速与深度相关)和域衰减的二维轴对称几何中的水下射线追踪模型。轴对称模型常用作全三维水下声应用的近似模型。 含变折射率介质(声速与深度相关)和域衰减的二维轴对称几何中的水下射线追踪模型。轴对称模型常用作全三维水下声应用的近似模型。

有关在二维轴对称中使用射线声学的示例,请访问以下“案例下载”链接:
二维轴对称几何中的水下射线追踪教程

声学射线追踪中新增的反射系数模型

特征现在内置了几个用于计算镜面反射中反射系数的模型,包括流体-流体界面 模型、流体-固体界面 模型以及分层流体半空间 模型。这几个新模型是设置水下射线追踪应用中边界条件的理想选择,它们是通过指定阻抗 模型对常用于室内声学中模拟吸收面板的吸收器的补充,其中还包含了由边界条件所模拟的传播流体中的衰减以及域中的衰减,用于计算反射中的正确相移。所有边界条件都可扩展为包含使用瑞利粗糙度 模型的表面粗糙度 选项。

射线终止 特征

新增的射线终止 特征可用于湮没射线,而不是射线在边界处的停止。如果射线的强度或功率小于指定的阈值,或者射线在远离模型几何处已呈杂散状,则可以终止射线。对于因吸收介质的作用而衰减的射线,由于与弯曲表面或吸收表面相互作用而强度变得极低的射线,或已与几何脱离的杂散射线,使用此特征可避免对这类射线过度使用计算资源。

功能增强和重要的错误修复

  • 在新的子菜单中已对几个压力声学边界条件进行了排序,以获得更佳的总体概览
  • 方向性 图和远场 图的远场 SPL 计算得到了提速
  • 背景声场 特征现在还可用于瞬态的线性欧拉 接口和线性 Navier-Stokes 接口中
  • 内部法向位移内部法向速度 边界条件已添加到压力声学 接口中,使内部边界条件列表变得完整
  • 二维轴对称模型中已包含了热粘性声学 接口、线性 Navier-Stokes 接口以及线性欧拉 接口中对称轴处更新的条件
  • 热粘性声学 接口中更新了公式,现在可有效用于具有空间相关的材料属性的介质
  • 气动声学-结构边界 多物理场耦合现在将线性 Navier-Stokes 接口与结构(固体、壳和膜)在时域进行耦合

新教程:涉及流动的亥姆霍兹共振器,流动与声学相互作用

亥姆霍兹共振器因其可以使特定的窄频带衰减而用于排气系统,其中流体的流动会改变共振器的声学属性和子系统的传输损耗。在此教学模型中,亥姆霍兹共振器位于主管道的侧分支, 研究主管道中引入流动时的传输损耗。

平均流动计算时采用马赫数为 Ma = 0.05 和 Ma = 0.1 的 SST 湍流模型,然后使用线性 Navier-Stokes,频域 (LNS) 接口求解声学问题,该模型耦合了平均流速、压力和湍流粘度。所得结果与期刊论文中的测量结果进行了比较,大小及共振位置表明结果与测量数据完全一致(参见一维图)。需严格模拟衰减效应与流动效应之间的平衡,从而得到正确的共振位置。

注:此模型需要“声学模块”和“CFD 模块”。

涉及流体和声学相互作用的亥姆霍兹共振器。 位于主管道侧分支的亥姆霍兹共振器中的声压级分布(前)、表面流线(中)和背景流速幅值(后)。 位于主管道侧分支的亥姆霍兹共振器中的声压级分布(前)、表面流线(中)和背景流速幅值(后)。


“案例库”路径:
Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

新教程:带压电换能器的超声波流量计,FEM 与 DG 的耦合

当超声波信号以某一倾斜角射入流经管道的流体中时,使用超声波流量计可确定此流体的速度。在没有流动的情况下,向上游方向和向下游方向发送信号,发射器到接收器之间的传送时间相同。存在流体流动时,下游行波移动的速度比上游行波快,因此可用于确定流体的流动。在许多情况下,压电换能器用于发送和接收超声波。

本教学模型演示如何在简化的无流动情况下使用压电换能器模拟超声波流量计。有限元法 (FEM) 用于对压电换能器建模,而超声波传播的建模则基于间断 Galerkin (DG) 方法。整个模型分为两个子模型。FEM 到 DG 的单向耦合用于从发射器发送超声波,DG 到 FEM 的单向耦合用于模拟接收器。

耦合了 FEM 和 dG 的流量计的“声学模块”教学模型。 使用含匹配层的压电换能器在流量计中生成的声信号。 使用含匹配层的压电换能器在流量计中生成的声信号。

“案例库”路径:
Acoustics_Module/Ultrasound/flow_meter_piezoelectric_transducers

新教程:完美匹配层上的高斯脉冲吸收:压力声学,瞬态

本教程是一个完美匹配层 (PML) 作为时域中的吸收边界条件的标准测试和基准模型,还涉及无流动情况下瞬态高斯脉冲的传播。压力声学,瞬态 接口与完美匹配层的结合使用,缩小了计算域,并抑制了人工边界的反射。声脉冲由计算域中心的初始高斯分布生成。此问题的解析解用于验证该解,且表明两个解非常一致。

 
高斯压力脉冲的传播与在完美匹配层中的吸收。

“案例库”路径:
Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_perfectly_matched_layers

新教程:复合轮系的噪声辐射

预测动态系统中的噪声辐射可以使设计人员在设计过程的早期就洞察到移动机构的特性。例如,考虑一个齿轮啮合刚度发生变化引起振动的变速箱,振动通过轴和关节传递到变速箱的外壳上,外壳的振动进一步将能量传递到周围的流体中,产生声波辐射。

此教学模型模拟了轮系外壳上的噪声辐射。首先,在时域执行多体动力学分析,计算驱动轴达到指定速度时外壳的振动。然后,在选定的频率处执行声学分析,使用外壳的法向加速度作为噪声源计算近场、远场和外部场中的声压级。

注:此模型还需要“多体动力学模块”和“结构力学模块”。

 
移动轮系周围箱体上的法向加速度。在此模型中还计算了辐射声压。

“案例库”路径:
Acoustics_Module/Vibrations_and_FSI/gear_train_noise

新教程:带弹性壁的消声器特征模态

此教学模型是“消声器特征模态”模型的扩展,对带薄弹性壁的消声器腔室中的传播模式进行二维分析。此声-结构多物理场教程使用新增的模态分析 特征研究波在面外方向的行进。结果包括消声器中的绝对压力和声压级、弹性壁的位移和应力以及一维色散关系图。

“带弹性壁的消声器特征模态”教学模型屏幕截图。 带弹性壁的消声器中显示的绝对压力(波形图)和变形(彩虹图)。 带弹性壁的消声器中显示的绝对压力(波形图)和变形(彩虹图)。

“案例库”路径:
Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

新教程:磁路拓扑优化

此教学模型介绍扬声器驱动单元中磁路的拓扑优化示例。使用拓扑优化后,您可以确定非线性铁轭的形状,确保其性能最优的同时尽量减小重量,缩小了最初的设计范围。

注:此模型需要“AC/DC 模块”和“优化模块”。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中新增的“磁路拓扑优化”教学模型中的表面图。 绘制的优化二维轴对称磁路几何中的磁通密度。该几何与“声学模块”中“扬声器驱动单元”教学模型中的电机非常类似。 绘制的优化二维轴对称磁路几何中的磁通密度。该几何与“声学模块”中“扬声器驱动单元”教学模型中的电机非常类似。
“磁路的拓扑优化”教学模型中的磁通密度图。 绘制的优化磁路几何中的磁通密度,使用二维轴对称模型求解,旋转 225 度后形成三维空间。 绘制的优化磁路几何中的磁通密度,使用二维轴对称模型求解,旋转 225 度后形成三维空间。

“案例库”路径:
AC/DC_Module/Other_Industrial_Applications/magnetic_circuit_topology_optimization

新教程:非线性狭缝谐振器,耦合声学和 CFD

在许多应用中,声波都要与含小穿孔或狭缝的表面发生交互作用,在消声器系统、隔音结构、喷气发动机中抑制噪声的内衬或格栅和网格中会存在这种情况。在声压级为中到高时,穿孔板或狭缝的狭窄区域中局部粒子速度会非常快,导致不适用声学的线性假设。一般而言,涡旋脱落发生在该区域附近,由此产生非线性损耗,在音频应用中,此损耗会引起声音信号的非线性失真。非线性效应有时通过半经验参数包含在穿孔板的解析转移阻抗模型中。

在此教程中,狭窄的缝隙位于谐振器前方,因此可以直接模拟损耗。此模型中耦合了压力声学和瞬态仿真中的层流 接口,模拟了有关涡旋脱落的复杂非线性损耗。入射声场的幅值对应 155 dB SPL。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中耦合了声学和 CFD 的教学模型。 狭缝中由入射高幅值声波引起的涡旋脱落。 狭缝中由入射高幅值声波引起的涡旋脱落。

“案例下载”链接:
非线性狭缝谐振器:耦合声学和 CFD

新教程:多层多孔介质材料,含热损耗和粘滞损耗的多孔弹性波(Biot-Allard 模型)

在许多应用中,压力波和弹性波在充满空气的多孔介质材料中传播,这时热损耗和粘滞损耗非常重要。这类应用通常包括房间的绝缘材料、车厢的衬里材料或耳机和扬声器中使用的泡沫。另一个示例是汽车工业使用的消声器中的多孔介质材料。

在许多情况中,这些材料都可以使用压力声学 接口中实现的多孔介质声学 模型(类似流体模型,仅求解压力)来模拟。在“声学模块”的简化模型中,多孔弹性波 接口基于地球科学中使用的经典 Biot 理论,其中假设饱和流体是液体(水),模型仅包含粘滞损耗。材料输入也与通常提供的声学绝缘材料有所不同。

不过,多孔介质声学 模型没有捕捉所有效应,而有时还必须包含多孔基体中的弹性波。Biot-Allard 理论就涵盖了这方面,可模拟多孔弹性波。此模型基于该理论,用户现在可以在多孔弹性波 接口中选择此模型。

显示多层多孔介质材料的 COMSOL 教学模型。 多层多孔结构内的多孔基体变形。 多层多孔结构内的多孔基体变形。

“案例下载”链接:
多层多孔介质材料:含热损耗和粘滞损耗的多孔弹性波(Biot-Allard 模型)

新教程:含三维弯头和接头的管道系统声学

这一新教程显示如何通过管道声学压力声学 的耦合来模拟声波在大型管道系统中的传播。此教程设置在时域和频域。一维管道声学用于模拟长直管段中的传播。管道接头和管道弯头的三维模型与一维管道模型相耦合,可以非常详尽地模拟这些零件。这类模型可用于在检测泄漏或变形等情形时模拟和预测管道系统中的响应,在石油天然气行业或供水管道系统中这类模型非常重要。

“案例下载”链接:
含三维弯头和接头的管道系统声学

新教程:二维房间中声学模态的拓扑优化

此教学模型在声学中引入了拓扑优化的使用。优化的目标是确定给定设计域中的材料分布(固体或气体),实现二维房间目标区域中平均声压级的最小化。优化是在单频中进行的。

来自“二维房间中声学模态的拓扑优化”教学模型的屏幕截图。 优化的材料分布(灰色标尺)及优化后的声压级分布(彩色标尺)。 优化的材料分布(灰色标尺)及优化后的声压级分布(彩色标尺)。

“案例下载”链接:
二维房间中声学模态的拓扑优化

新教程:吸声涂层

吸声涂层用于降低声呐检测的可见性,适用于潜水艇等情形。此教学模型计算了钢板上吸声涂层的反射、吸收和传递属性。相关设置,请参考 Physical Review B 2015 年 91 卷第 2 期上由 V. Leroy、A. Strybulevych、M. Lanoy、F. Lemoult、A. Tourin 和 J. H. Page 编写的 "Superabsorption of acoustic waves with bubble metascreens"。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中新增的“吸声涂层”教学模型屏幕截图。 含涂层钢板中的局部变形。 含涂层钢板中的局部变形。

“案例下载”链接:
吸声涂层

新教程:使用声学扩散方程的耦合房间声学

这一验证模型使用“声学模块”的声学扩散方程 接口分析了两个耦合房间的声学。此模型的结果与根据参考文献中测量值验证的解析结果一致。

使用“声学模块”中“声学扩散方程”接口的示例模型。 两个声耦合房间中的能量密度和局部能量流。 两个声耦合房间中的能量密度和局部能量流。

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使用声学扩散方程的耦合房间声学

通过材料数据描述弹性层

现在,您可以使用杨氏模量和泊松比等材料数据,并结合给定的层厚来指定弹簧基础或弹性薄层的弹性属性,从而在模拟具有已知材料属性的粘结层等类似仿真中,简化建模过程。当使用材料数据和厚度作为输入时,还可以得到弹性层中的应变结果。

几何非线性分析中非弹性应变的新框架

对于几何非线性情况,实现了分解成弹性变形和非弹性变形这样一个新的框架,且处理更严格。COMSOL® 软件以前的版本使用附加分解方法,对于大应变塑性分析等几种例外情况,则使用乘性分解方法。

乘性分解现在仍适用于以下各种分析:

  • 热膨胀
  • 浸润膨胀
  • 预应变
  • 外部应变
  • 粘塑性
  • 蠕变

对于涉及几何非线性的研究,变形梯度中的乘性分解现在是分析所有非弹性情况的默认选项,其主要优势在于可以在同一种材料中处理多种大型非弹性应变情况。不仅如此,这种方法还使线性化更一致,因为现在可以精确预测由纯热膨胀引起的特征频率偏移。如果要切换回 COMSOL Multiphysics® 软件以前版本中的方法,则可以在各材料模型的“设置”窗口中选中新的附加应变分解 复选框。


这一功能增强还包括线弹性材料 节点和非线性弹性材料 节点下的外部应变 属性中扩充了几个新选项。这几个选项允许以多种形式提供非弹性应变,还可以将其他物理场接口中的非弹性应变传递到此属性中。此外,具有类似性质的外部应变 属性已添加到“超弹性材料”中。



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