声学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本为“声学模块”的用户新增了基于边界元方法建模的物理场接口,此接口还可以与基于有限元方法的其他接口在同一模型中相互耦合;此外,还引入了用于射线声学的脉冲响应,以及通过间断 Galerkin 公式进行压力声学建模的新物理场接口。请阅读以下内容,进一步了解“声学模块”的更新和其他新增功能。

声学中新增边界元接口

“声学模块”中现在新增了基于边界元方法 (BEM) 的压力声学,边界元 接口,在二维和三维中特别适合求解包含恒定材料属性值的亥姆霍兹方程的频域仿真。此外,通过添加背景压力场 用于散射问题建模,此接口还可以执行散射场仿真。

蘑菇形压电换能器阵列模型。

由 10 kHz 频率驱动的九个蘑菇形压电换能器线性阵列产生的空间灵敏度。所有九个蘑菇形压电换能器均使用压电材料和实体建模,外部声学使用 压力声学,边界元接口建模。不同的物理场通过内置的_ 声-结构边界_多物理场特征耦合在一起。

由 10 kHz 频率驱动的九个蘑菇形压电换能器线性阵列产生的空间灵敏度。所有九个蘑菇形压电换能器均使用压电材料和实体建模,外部声学使用 压力声学,边界元接口建模。不同的物理场通过内置的_ 声-结构边界_多物理场特征耦合在一起。
使用“声学模块”创建的蘑菇形声呐阵列和散射对象的模型。

蘑菇形声呐阵列与散射对象之间发生相互作用。此模型中,可作为硬声场边界的球体与声源相距约 30 个波长。左图显示声压级,右图显示阵列变形(每行施加固定相移)。

蘑菇形声呐阵列与散射对象之间发生相互作用。此模型中,可作为硬声场边界的球体与声源相距约 30 个波长。左图显示声压级,右图显示阵列变形(每行施加固定相移)。

不仅如此,在 COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本中,您还可以将边界元接口与基于有限元法 (FEM) 的物理场接口无缝耦合,例如通过声-结构边界 多物理场耦合与振动结构相互耦合,以及通过新的“声学 BEM-FEM 边界”多物理场耦合与 FEM 声学域相结合。采用这种混合方法,您可以根据建模需要,采取最适合的 FEM 或 BEM 方法。例如,振动结构的内部域可以用 FEM 建模,由此可使用更通用的材料属性,而外部域则用 BEM 建模,由于它更适合对较大的域或无限域建模。

使用 BEM 时,只需对与相关建模域相邻的表面进行网格剖分。这样做可以显著减少对大体积进行网格剖分的需求,因此,基于 BEM 的接口尤其适用于模拟包含复杂 CAD 几何的辐射和散射问题。

使用基于 BEM 的新接口发挥优势的典型案例:

  • 原本需要基于 FEM 对体积进行网格剖分的大型流体域
  • 替代基于 FEM 的辐射条件或基于 FEM 的完美匹配层 (PML)
  • 无限壁或无限软声场边界远离辐射对象(以波长来衡量)的模型
  • 对相距较远的辐射对象与散射对象之间的相互作用建模,二者之间的空间原本需要基于 FEM 对体积进行网格剖分

请注意,对于相同的自由度数,BEM 在计算方面的要求比 FEM 高。但是,为了获得相同的精度,BEM 需要的自由度数通常比 FEM 少得多。BEM 生成的系统矩阵是完全填充的矩阵或密集矩阵,需要使用与 FEM 不同的专用数值方法。求解中小型声学模型时,对于同一问题,使用基于 FEM 的压力声学,频域 接口的求解速度通常比使用 BEM 法更快。

以前基于 FEM 接口适用的所有专用后处理工具都可以直接用于基于 BEM 的接口,包括用于空间响应评估的方向性 图和远场 图。

COMSOL Multiphysics 5.3a 中新增的“压力声学,边界元”接口的演示。

压力声学,边界元 接口的用户界面,其中显示了“球形散射体:BEM 基准”模型的结果。

压力声学,边界元 接口的用户界面,其中显示了“球形散射体:BEM 基准”模型的结果。

使用混合 BEM-FEM 的声-结构相互作用

下图显示了适合使用 BEM-FEM 方法的扬声器系统示例。其中,扬声器箱和驱动器的弹性属性非常重要,并且在封闭空间内使用了多孔材料。可以使用压力声学,频域 接口或多孔弹性波 接口中的多孔介质声学 模型通过 FEM 对扬声器的内部建模。振动结构可以使用固体、壳或二者结合来建模,外部声学域可以使用 BEM 建模。

在 COMSOL Multiphysics 5.3a 版本中运行振动声学分析的演示。

包括内外声学、扬声器箱和驱动器在内的扬声器的完整振动声学分析。模型中使用六个多物理场耦合将声学(BEM 和 FEM)、结构壳及实体耦合在一起。

包括内外声学、扬声器箱和驱动器在内的扬声器的完整振动声学分析。模型中使用六个多物理场耦合将声学(BEM 和 FEM)、结构壳及实体耦合在一起。
使用混合 BEM-FEM 模拟的扬声器的演示。

扬声器箱发生变形(左侧),扬声器内部以及后壁和地板近场中的声压级(右侧)。

扬声器箱发生变形(左侧),扬声器内部以及后壁和地板近场中的声压级(右侧)。
扬声器声压级的可视化效果。 图中描述远离扬声器的较大域的声压级;使用均匀颜色对壁面及地板执行了可视化处理。 图中描述远离扬声器的较大域的声压级;使用均匀颜色对壁面及地板执行了可视化处理。

使用压力声学,边界元 接口示例的案例下载链接:
球形散射体:BEM 基准
声呐系统的蘑菇形换能器阵列
振动声学扬声器仿真:使用 BEM-FEM 相结合的多物理场仿真
贝塞尔面板

用于射线声学的脉冲响应图

您现在可以使用新的脉冲响应 图对射线声学仿真中的脉冲响应进行后处理,基于接收器收据重建脉冲响应,并将其可视化。新的接收器 数据集收集射线信息并充当虚拟麦克风,为脉冲响应 图提供数据。

接收器 数据集计算射线与大小有限的球体之间的虚拟交点。球体大小可以根据表达式(基于射线数、房间体积及源与接收器的距离)来确定,也可以手动输入。此数据集确定射线到达时间、记录的强度和频率,并供脉冲响应 图使用, 也可以导出以供外部工具使用。此版本新增了一个选项,可供输入接收器的用户定义的方向性。可以轻松地改变接收器的位置,不需要再次求解模型来更改脉冲响应的记录位置。

脉冲响应 图使用倍频程、1/3 倍频程或 1/6 倍频程频率分辨率来解析来自接收器的射线数据,应该对所有源和壁属性(例如,吸收和散射系数及源功率等)使用相同的分辨率。此绘图生成脉冲响应的默认采样频率为 44,100 Hz。

显示“小型音乐厅声学分析”教学案例的 COMSOL Multiphysics 5.3a 屏幕截图。

显示“小型音乐厅声学分析”案例的 COMSOL Multiphysics® GUI,其中显示了 脉冲响应 绘图的 “设置”窗口以及产生的脉冲响应。

显示“小型音乐厅声学分析”案例的 COMSOL Multiphysics® GUI,其中显示了 脉冲响应 绘图的 “设置”窗口以及产生的脉冲响应。


脉冲响应图示例的案例下载链接:
小型音乐厅声学分析

新增“压力声学,时域显式”物理场接口

基于间断 Galerkin (dG-FEM) 公式的新物理场接口压力声学,时域显式 采用时域显式方法,内存的消耗相当少。该接口可用于求解包含多个波长的大型瞬态线性声学仿真,非常适用于包含任意瞬态源和场的瞬态仿真。其中还包含一个用于散射问题建模的背景声场 选项,您可以使用吸收层来设置类似无反射的有效边界条件。通过将远场计算 特征和时域到频域 FFT 研究步骤相结合可以计算外部散射远场。该接口可在二维、二维轴对称和三维模式下使用,其重要应用领域包括室内声学中音频脉冲的瞬态传播,以及相对波长而言大型对象的散射现象建模。

压力声学,时域显式 接口通过假设绝热状态方程来求解线性欧拉方程,因变量是声压和声速扰动。接口中不包含由于本体损耗引起的衰减机制,边界上的损耗可以通过适用于阻抗类损耗的阻抗条件建模。


 

建立的入射平面波到潜艇的散射场,动画显示了频率为 700 Hz 时的仿真情况。同一仿真在 2000 Hz 时具有 7 千万自由度,求解需要 25 GB 的 RAM,这比相应的基于 FEM 的模型所需的内存少得多。

使用压力声学,时域显式 接口的示例的案例下载链接:
潜艇散射:时域仿真及 FFT

线性欧拉接口的稳定性改进

线性欧拉 接口中添加了新的数值稳定性方法,并对现有的方法作了改进。新的默认稳定性方案是 Galerkin 最小二乘 (GLS) 稳定性,可显著改进包含粗化网格的仿真的稳定性和收敛性。使用这一新的稳定性方法后,网格中的小变化不会对解产生较大的影响。如果需要,您可以不使用稳定性方法,也可以选择流线迎风 Petrov-Galerkin (SUPG) 稳定性流线扩散(旧方法) 方案。新的默认设置非常适用于基于线性欧拉 接口的大多数声学-流动相互作用问题的建模。


使线性欧拉方程稳定的另一种方法是使用所谓的梯度项抑制 (GTS) 稳定性,可将方程项(通常是反应项)从控制方程中轻松移除。此版本中相关接口的 GTS 稳定性也得到了改进,新增的选项可以更好地控制移除的项。用户现在可以根据类型来选择要移除的反应项;包括背景密度、压力或速度的梯度。此外,还有一个选项可用于移除方程中的所有对流项。


使用改进的 Galerkin 最小二乘 (GLS) 稳定性的示例的案例下载链接:
二维喷气引擎中的点源:声波通过二维剪切层的辐射和折射

时域中线性欧拉接口的吸收层

线性欧拉,瞬态 接口现在支持使用吸收层,可以更方便地在时域中定义开放边界。吸收层结合使用三种技术来设置无反射的有效边界条件、缩放、人工数值粘度以及简单的阻抗条件。此方法可确保出射波的最小数值反射。

 

这个线性欧拉方程基准模型分析了狭窄喷气引擎中声音的辐射和反射。如图所示,使用声波的瞬态传播和开尔文-亥姆霍兹不稳定性的增长作为吸收层进行时域仿真。

将吸收层与线性欧拉,瞬态 接口结合使用的示例的案例下载链接:
二维喷气引擎中的点源:声波通过二维剪切层的辐射和折射

二维轴对称模型中压力声学的平面波展开

新版本中有一个内置选项,可使用平面波展开方法求解二维轴对称模型中的平面波散射问题。该选项自动将背景压力场入射压力场 特征中应用的平面波展开为周向模态数形式的圆柱谐波,借此可以通过高效的计算方式求解涉及轴对称结构的大型散射问题。


使用平面波展开 选项的示例的案例下载链接:
二维轴对称对象的平面波散射:平面波展开方法

瞬态压力声学背景压力场和入射压力场的新选项

压力声学,瞬态压力声学,时域显式 接口现在具有内置选项平面波(单色),可将单色平面波定义为背景压力场或入射压力场。这个新选项简化了瞬态仿真的常用波形设置。如果需要其他类型的瞬态场,用户定义的选项支持根据解析式或插值数据定义任何场。这个新选项还内置有斜坡函数,可以平稳地增加第一个周期内波的大小,从而确保良好的数值性能。


使用平面波(单色) 选项的示例的案例库路径:
Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/probe_tube_microphone

更新线性纳维-斯托克斯和热粘性声学的材料输入

使用线性纳维-斯托克斯热粘性声学 物理场接口时,需要输入正确、有效的材料数据。模型本身包含正确的可压缩性能,具体取决于温度和压力波动。这意味着,即使在条件变为等温的非常狭窄的间隙中,也总是能够正确地对有效声速建模。定义(等压)热膨胀系数和等温压缩率时,这两种材料参数现在都可以通过声速和比热率形式(使用它们的热力学定义)来定义。这简化了参数尚未明确已知时模型的设置。


使用来自声速 选项的示例的案例库路径:
Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/Helmholtz_resonator_with_flow

方向性图中的线性频率轴选项

现在可以在方向性 绘图的着色和样式 栏下将频率刻度样式从“对数”改为“线性”。

COMSOL Multiphysics 5.3a 的方向性图中不同频率轴刻度的演示。

采用对数频率轴刻度(左图)和线性频率轴刻度(右图)的方向性图(数据来自“集总扬声器驱动器”教学案例)。

采用对数频率轴刻度(左图)和线性频率轴刻度(右图)的方向性图(数据来自“集总扬声器驱动器”教学案例)。

求解器和求解器建议的功能改进

涉及声学接口的多个多物理场应用中均改进了自动生成的求解器建议。例如,使用声-结构边界热粘性声-结构边界 多物理场耦合时,生成的求解器建议现在可以分析声学接口是否已与固体或壳/膜接口相耦合。这样可确保对大型模型使用求解器建议时能高效使用内存,并加快求解器的计算速度。所有瞬态声学接口中都可使用的瞬态求解器设置 栏现在比以往更直观。当多物理场模型中使用瞬态声学接口时,会在求解耦合问题时自动使用针对声学接口定义的瞬态求解器设置。例如,这样可确保对时域求解的振动声学问题使用优化的求解器配置。

默认情况下,通过重用计算数据,线性求解器的求解速度大体都会提升。例如,在大多数的声学问题中,可以在 MUMPS 和 PARDISO 求解器中使用新增的重用预排序 选项。请参见研究和求解器页面,了解更多信息。

COMSOL Multiphysics 5.3a 版本中建议的迭代求解器的演示。

“案例库”中“敞开式扬声器箱中的驱动器”模型中现在已启用并使用建议的迭代求解器。使用建议的求解器后求解时间及耗用内存已显著减少。

“案例库”中“敞开式扬声器箱中的驱动器”模型中现在已启用并使用建议的迭代求解器。使用建议的求解器后求解时间及耗用内存已显著减少。


使用新增的迭代求解器建议的示例的案例库路径:
Acoustics_Module/Vibrations_and_FSI/vibrating_micromirror
Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/vented_loudspeaker_enclosure

使用压电声学模型自动瞬态求解器设置的示例的案例库路径:
Acoustics_Module/Ultrasound/flow_meter_piezoelectric_transducers

重要的增强功能及 Bug 修复

  • 与 COMSOL Multiphysics® 5.3 版本相比,新版本采用 dG 方法求解时域显式仿真时速度提升 25–30%
  • 集群计算现在支持使用基于 dG 方法的接口求解时域显式仿真
  • 内壁内部速度 边界条件已添加到对流波动方程 接口
  • 对流波动方程 接口用于二维轴对称模型时,背景平均流输入中的面外分量已添加一个用户定义 选项

更新教学案例:贝塞尔面板

贝塞尔面板可用于布置多个扬声器,使其形成的声音的角分布类似于单个扬声器。此案例将五个贝塞尔面板以相同的模式结合起来,近似处理纯径向声场。扬声器由不同的信号驱动,其中部分信号的相位相反,因此产生近似均质的极坐标远场分布。更新后的案例现在使用 BEM-FEM 方法求解理想化扬声器面板产生的辐射。

“贝塞尔面板”教学案例中的绘图。

三维模式下描述的贝塞尔面板的空间方向性。

三维模式下描述的贝塞尔面板的空间方向性。

案例库路径:
Acoustics_Module/Tutorials/bessel_panel

更新教学案例:使用集总机械系统的集总式扬声器驱动器

这是一个动圈式扬声器模型,通过集总参数模拟来表示电子和机械扬声器分量的特性,其中使用 Thiele-Small 参数(小信号参数)作为集总模型的输入。在此模型中,移动质量、悬挂系统的柔性和机械损耗等机械扬声器分量通过集总机械系统 接口进行建模。

来自“集总式扬声器驱动器”教学案例的绘图。

压力场绘制为等值面(扬声器纸盆上方)及表面图(扬声器纸盆下方)。

压力场绘制为等值面(扬声器纸盆上方)及表面图(扬声器纸盆下方)。

案例库路径:
Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/lumped_loudspeaker_driver_mechanical

新增教学案例:振动声学扬声器仿真,使用 BEM-FEM 相结合的多物理场

此案例展示对包含驱动器、扬声器箱和支架的扬声器执行完整的振动声学分析。其中对扬声器施加额定驱动电压,得到扬声器箱和外部房间中的声压级,以及给定频率下扬声器箱和驱动器的变形。扬声器置于硬质地板上,与其背后的壁面相隔一段距离。此示例使用混合 BEM-FEM 方法,将固体力学,壳压力声学,频域 以及压力声学,边界元 物理场接口相耦合。模型使用六个内置的多物理场耦合将多个单物理场接口联系在一起。

“振动声学扬声器仿真:使用 BEM-FEM 相结合的多物理场”教学案例中的绘图。

使用完整的振动声学仿真模拟的扬声器中辐射声场的声压级。使用新增的压力声学,边界元 接口模拟的外部声学,该接口已与 FEM 相关接口相耦合。

使用完整的振动声学仿真模拟的扬声器中辐射声场的声压级。使用新增的压力声学,边界元 接口模拟的外部声学,该接口已与 FEM 相关接口相耦合。

使用压力声学,边界元 接口示例的案例下载链接:
振动声学扬声器仿真:使用 BEM-FEM 相结合的多物理场

新增教学案例:声呐系统的蘑菇形换能器阵列

此教学案例模拟排成 3x3 栅格的九个蘑菇形压电换能器线性阵列。换能器位于海平面下方的一个方盒中,对其施加电压,并且三行换能器上存在相位差。其中使用压力声学,边界元 接口模拟外部声学,与振动结构通过声-结构边界 多物理场耦合相互耦合。这就对整个系统设置了一个混合 BEM-FEM 的模型。

“声呐系统的蘑菇形换能器阵列”教学案例中的绘图。

频率为 10 kHz 时蘑菇形压电换能器阵列生成的压力场。

频率为 10 kHz 时蘑菇形压电换能器阵列生成的压力场。

使用压力声学,边界元 接口示例的案例下载链接:
声呐系统的蘑菇形换能器阵列

新增教学案例:小型音乐厅声学分析

此教学案例使用射线声学 物理场接口分析小型音乐厅的声学,并已更新为包含新的脉冲响应 图功能。模型设置包括全向声源、镜面散射和漫散射的壁边界条件、边界声压计算、接收器 数据集、脉冲响应 绘图以及能量衰减曲线。结果与简单的混响时间估计进行了比较。

“小型音乐厅声学分析”教学案例中的绘图。

在后处理时使用 接收器数据集和“脉冲响应”绘图的“小型音乐厅”的脉冲响应。

在后处理时使用 接收器数据集和“脉冲响应”绘图的“小型音乐厅”的脉冲响应。

案例下载链接:
小型音乐厅声学分析

新增教学案例:潜艇散射,时域仿真及 FFT

此案例分析潜艇船体发出的平面波散射,用于确定散射场和空间响应,其中使用“压力声学,时域显式”接口为时域中的这一大规模声学模型建模。然后使用 FFT 研究将结果变换为频域,并使用远场计算 特征分析散射场。

“潜艇散射:时域仿真及 FFT”教学案例中的绘图。

对 700 Hz 平面单色波背景场在 12 个周期内执行模拟后的散射压力场。潜艇总长 32 米。

对 700 Hz 平面单色波背景场在 12 个周期内执行模拟后的散射压力场。潜艇总长 32 米。

案例下载链接:
潜艇散射:时域仿真及 FFT

新增教学案例:带粘性和热阻尼的振动 MEMS 微镜,瞬态特性

微镜在特定的 MEMS 器件中用于控制光学元件。此示例是一个振动微镜的模型,周围是空气,阐明微镜在最初短时启动后所展现的阻尼振动,其中使用热粘性声学,瞬态 以及压力声学,瞬态 接口为时域中的流-固耦合建模。热粘性声学 接口的使用描述了微镜相对于周围空气产生的热粘性阻尼的全部细节。

“带粘性和热阻尼的振动微镜:瞬态特性”教学案例中的绘图。

以彩色显示的微镜在给定时间的位移和压力分布。图中显示了微镜位移的瞬态变化,表明热粘性损耗引起阻尼振动。

以彩色显示的微镜在给定时间的位移和压力分布。图中显示了微镜位移的瞬态变化,表明热粘性损耗引起阻尼振动。

案例下载链接:
带粘性和热阻尼的振动微镜:瞬态特性

新增教学案例:二维轴对称对象的平面波散射,平面波展开方法

有关圆柱形对象的平面波散射问题建议采用二维轴对称公式。与三维空间建模相比,这样做可以节省计算时间并减少内存使用率。此示例演示如何使用内置的平面波展开功能来求解此问题,其中还重点介绍了研究及后处理过程中所需的步骤。

“二维轴对称对象的平面波散射:平面波展开方法”教学案例中的声场图。

使用平面波分解计算得到的二维轴对称几何的散射压力场。

使用平面波分解计算得到的二维轴对称几何的散射压力场。

案例下载链接:
二维轴对称对象的平面波散射:平面波展开方法

新增教学案例:切向背景流中的声学衬垫

此模型演示如何计算声学衬垫在切向流中的声学属性。衬垫由八个带狭缝的谐振器组成,背景切向流中流体的马赫数为 0.3。此案例计算衬垫上方的声压级,并将计算结果与已发表的研究论文中的结果进行了比较。模型首先使用“CFD 模块”中的 SST 湍流模型计算流动,然后使用“声学模块”的线性纳维-斯托克斯,频域 接口计算声学。

请注意,需要“CFD 模块”才能运行此模型。

 

平面波在衬垫的前四个谐振器上方传播时的声速脉动。彩色绘图显示速度幅值,箭头显示速度矢量。在衬垫表面的孔附近,流动-声学相互作用产生涡流。

案例下载链接:
切向背景流中的声学衬垫

新增教学案例:科里奥利流量计

科里奥利流量计也称为质量流量计或惯性流量计,用于测量流经该流量计的流体的质量流率。此案例基于以下事实,即流体流经振荡管时的惯性导致振荡管的扭转与质量流率成正比。通常,此仪表还可用于测量密度及基于密度的体积流率。

此案例显示如何使用弯曲几何模拟通用科里奥利流量计。流体流过弹性结构(弯曲管道)时,与振动管道发生相互作用,管道上的两个观测点由于科里奥利效应变形时产生的相差可以用来计算质量流率。

此案例使用内置的多物理场耦合将线性纳维-斯托克斯,频域 接口与固体力学 接口相耦合,其中背景平均流通过湍流,SST 接口来建模。通过这种方式可以在频域中对流-固耦合 (FSI) 进行有效建模。

 

三种质量流率下科里奥利流量计管道的运动。流量计的启动频率为结构的固有频率。为了获得更好的可视化效果,此处放大了变形大小和相位。随着流率增大,上下游的相差也在增大。

案例下载链接:
科里奥利流量计:频域中的 FSI 仿真

新增教学案例:充满流体的弹性管的色散曲线

此案例计算了含弹性壁的充满流体的管道的散射曲线,并分别在纯弹性波导和声波导下与解析结果作了比较。结果显示二者非常一致,另外还深入探讨了中低频下充满流体的管道的动力学。

“充满流体的弹性管的色散曲线”教学案例中的绘图。

充满流体的管中存在四种不同的耦合振动声学传播模式。

充满流体的管中存在四种不同的耦合振动声学传播模式。

案例下载链接:
充满流体的弹性管的散射曲线