声学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.5 版本为“声学模块”的用户引入了新的弹性波,时域显式 物理场接口,用于声-结构相互作用与时域显式公式的多物理场耦合,以及热黏性声学,频域 接口的端口 边界条件。请阅读以下内容,了解有关上述以及更多声学模块更新的更多信息。

新的“弹性波,时域显式”物理场接口

新的弹性波,时域显式 物理场接口基于间断伽辽金时域显式方法,可以对弹性波在固体中的传播实现高效多核计算,其中包含的的特征可以提供真实的材料数据,包括各向异性和阻尼。该接口适用于模拟超声波在换能器和传感器等固体中的传播,无损检测 (NDT) 应用,以及涉及许多波长上的瞬态传播(包括地震波在土壤和岩石中的传播)的任何大型声学系统。

您可以在以下模型中看到这一新接口的应用演示:

COMSOL Multiphysics 用户界面,其中打开了“弹性波,时域显式”接口的“设置”窗口,并显示地震波在 5 秒时的绘图。 使用“弹性波,时域显式”接口 土壤中的地震波传播模型,其中显示新的 弹性波,时域显式接口的用户界面。

“声-结构相互作用,时域显式”接口的多物理场

新版本为大型瞬态声-结构相互作用仿真提供了新的声-结构相互作用,时域显式 多物理场耦合,将压力声学,时域显式 和新的弹性波,时域显式 物理场接口耦合起来。为了充分利用时域显式公式,在耦合具有不同属性的域时,必须使用非共形网格,这是通过使用处理几何装配的新的声-结构边界对,时域显式 多物理场耦合来实现的。非共形网格的使用是对非连续单元属性的自然扩展和使用。您可以在浸入式超声检测装置模型中看到此功能的应用演示。

COMSOL Multiphysics 用户界面,其中显示“声-结构边界对,时域显式”多物理场耦合的“设置”窗口,“图形”窗口中显示一个模型。 使用“声-结构边界对,时域显式”多物理场耦合 在新的“浸入式超声检测装置”模型中,您可以看到新的 声-结构边界对,时域显式多物理场耦合特征的设置。

声学时域显式接口的材料不连续性、配对条件和耗散

现在,基于间断伽辽金时域显式方法的流体声学接口都可以选择包含耗散。在对超声造影和流量计等高频应用建模时,耗散起着重要作用。压力声学,时域显式对流波动方程,时域显式 接口新增了选项。

压力声学,时域显式 接口现在包含材料不连续性(内部)边界条件和连续性 对特征。这些改进功能用于处理具有相容网格的并集或使用不相容网格的装配的材料属性的突变。您可以在各向同性-各向异性试样:弹性波传播模型中看到材料不连续性 特征。

“材料不连续性”特征的“设置”窗口,其中“边界选择”部分为打开状态,右侧显示了模型的压力图。 使用材料不连续性特征 使用 材料不连续性特征来耦合各向同性和各向异性固体材料。

热黏性声学端口

热黏性声学,频域 接口新增一个端口 边界条件,用于激励和吸收微声学应用中进入或离开波导结构的声波。端口条件为波导入口/出口(包括粘滞边界层和热边界层)提供近乎完美的非反射辐射条件。在许多情况下,与阻抗条件或完美匹配层 (PML) 构型相比,使用新端口 条件提供了更好的易用性和准确性。处理小型声学子系统问题时,我们使用两个端口 条件并将二者相结合,自动计算与入口和出口有关的散射矩阵、传递矩阵和阻抗矩阵。这些都是子系统的简化集总表示,通常用于有效地分析子系统与整个系统的集成情况。您可以在耵聍挡板声学:传递矩阵计算模型中看到此特征。

图中显示“端口”特征的“设置”窗口,其中“端口属性”部分为打开状态,并显示端口类型列表。 使用“端口”特征进行热黏性声学建模 热黏性声学,频域物理场接口中使用新的 端口特征。端口类型有三个选项:用户定义数值圆形

压力声学中更新的端口特征

端口 条件现在可以在二维中用于压力声学,频域 接口,并具有用户定义 选项和狭缝 选项来定义振型。通常,当执行端口扫描并使用两个端口(一个在入口,一个在出口)时,系统会自动计算传递矩阵和阻抗矩阵,COMSOL Multiphysics® 5.5 版本会自动为两个或多个端口之间的传输生成新的传输损耗变量。现在,当对端口号执行内部扫描时,端口扫描功能也起作用。您可以在声信号分离器的形状优化模型中看到此特征的应用演示。

气动声学的背景流体流动耦合和映射研究

5.5 版中新增了背景流体流动耦合 多物理场耦合和专用的映射 研究特征,以自动地将 CFD 模型和对流声学模型进行耦合,简化其操作流程,其中包括纳维-斯托克斯、线性欧拉和对流波动方程物理场。多物理场耦合和映射确保将计算的 CFD 解从流体流动网格正确映射到声学网格,同时兼顾不同的离散化阶数。映射和插值对于避免在声学模型中引入数值噪声至关重要,在声学模型中,反应项必须得到正确处理。

您可以在以下模型中看到此功能的应用:

亥姆霍兹共振器模型的“背景流体流动耦合”设置,其中“要映射的变量”部分处于打开状态。 流动与声学耦合 使用“模型开发器”窗口中所示的 背景流体流动耦合多物理场耦合节点和 映射研究将流动和声学相耦合,如“流动对亥姆霍兹共振器的影响”教学案例中所示。

压力声学接口中的各向异性材料

压力声学中新的各向异性声学 特征支持定义具有有效各向异性密度和标量有效体积模量的流体。通过此特征,您可以为超材料设置均匀的材料属性,并定义具有各向异性结构的多孔和纤维材料的有效流体属性。有效密度可以定义为具有各向同性对角对称 结构。您可以在声学隐形模型中看到这一新特征。

用于电声换能器建模的洛伦兹耦合

洛伦兹耦合 特征支持磁场固体力学 接口之间的双向耦合。洛伦兹力是通过计算域体积中的电流密度 J 和磁通量 B 的叉积来确定的,然后将该力作为体积力施加在力学侧。同时,速度取自固体力学 接口,作为洛伦兹速度项应用于磁场 接口。该特征会自动处理帧和动网格效果。

该特征适用于不可磁化的传导域(通常是铜线圈),当与声-结构边界 多物理场耦合结合使用时,可以为电声换能器建模。它在二维、二维轴对称和三维中用于“瞬态”、“频域(扰动)”和“特征频率”分析。该功能需要“AC/DC 模块”以及“结构力学模块”、“声学模块”或“MEMS 模块”之一。您可以在扬声器驱动器 - 频域分析扬声器驱动器 - 瞬态分析模型中看到此功能的应用演示。

“洛伦兹耦合”特征的“设置”窗口为打开状态,右侧为绘制的扬声器驱动器模型。 使用洛伦兹耦合多物理场特征 在扬声器驱动器的音圈上使用 洛伦兹耦合多物理场特征进行机电耦合。

声-管道声学连接多物理场耦合

通过新的声-管道声学连接 多物理场耦合,您可以在频域和时域仿真中将压力声学接口耦合到管道声学接口。耦合定义在管道接口中的点与压力声学接口中的边界之间。您可以在探针管麦克风带弯头和接头的管道系统三维声学模型中看到此功能的应用演示。

COMSOL Multiphysics 用户界面,其中显示“声-管道声学连接”多物理场耦合的“设置”窗口,“图形”窗口中显示一个管道系统模型。 使用声-管道声学连接多物理场耦合 新的 声-管道声学连接多物理场耦合在带弯头和接头的管道系统三维声学教学案例中的应用。

多层壳的声-结构耦合

声学和结构之间的多物理场耦合已扩展,现在支持多层壳 物理场接口。通过此功能,您可以对涉及复合材料和其他多层结构的振动声学问题进行建模。请注意,您需要“复合材料模块”才能启用此功能。

多层壳 接口现在支持以下多物理场耦合:

  • 声-结构边界
  • 热黏性声-结构边界
  • 气动声学-结构边界
  • 多孔介质-结构边界

声泳力功能改进

声泳力 特征已重命名为声泳辐射力。此特征包含新的力表达式,由于其中考虑了声压场中颗粒周围形成的黏滞边界层和热边界层,因此更加精确。现在,您可以指定颗粒是固态还是液态。然后,您可以选择一个热力学损耗模型理想黏滞热黏性。该特征可以与压力声学和热黏性声学结合使用,对颗粒分选和其他声流体应用进行建模。您可以在声悬浮器微通道横截面上的声流模型中看到这个新特征。

射线声学新增功能

预览栅格释放位置

现在,当您使用从栅格释放 特征从点栅格释放颗粒时,可以在图形 窗口中预览颗粒的初始位置。在设置 窗口的初始坐标 栏中,单击预览初始坐标 按钮可以查看作为点栅格显示的颗粒初始坐标。单击预览初始范围 按钮可以查看初始坐标的空间范围(显示为边框)。通过这些按钮,您可以在运行研究之前检查颗粒的初始位置。

此外,当您右键单击研究 节点并单击获取初始值 时,可以预览所有释放类型的颗粒初始位置和速度。

COMSOL Multiphysics 模型 UI,其中的初始颗粒坐标显示为点栅格。 显示为点栅格的初始颗粒坐标 单击 预览初始坐标按钮后显示的 图形窗口。
COMSOL Multiphysics 模型 UI,其中初始颗粒坐标的空间范围显示为一个边框。 初始颗粒坐标的空间范围 单击 预览初始范围按钮后显示的 图形窗口。

新的释放类型:六边环型锥体

当您以锥体释放射线时,现在可以使用新的锥形分布 类型:六边环型。对于六边环型 锥体选项,射线从锥轴以均匀分布的角度释放,每个环比前一个环多六条射线。

光线呈圆锥形释放,用彩虹色箭头表示,从侧面看,箭头指向右侧。 六边环型锥体:侧视图 基于六边环型锥体释放,侧视图。
光线呈圆锥形释放,用彩虹色箭头表示,从正面看,箭头指向观察者。 六边环型锥体:前视图 基于六边环型锥体释放,前视图。

各向同性散射壁条件

现在,您可以选择各向同性散射 作为颗粒击中几何边界时的壁条件。与漫散射 条件类似,各向同性散射 条件使颗粒在面法向周围以随机采样的速度方向进行反射。不过,漫散射 条件使用基于余弦定律的概率分布,而各向同性散射 条件遵循的概率分布在半球的任何微分立体角上都给出相等的通量。

图中将漫散射壁条件与各向同性散射壁条件进行比较。 散射壁条件比较 漫散射(左)与各向同性散射(右)壁条件的比较图。每侧显示的分布都包含 1000 个颗粒。


重命名的射线释放特征

COMSOL Multiphysics® 5.5 版本已重命名射线释放特征。入口 现在称为从边界释放轴上的入口(在二维轴对称模型中)现在称为从对称轴释放

COMSOL Multiphysics 5.5 版本用户界面,显示了“从边界释放”和“从对称轴释放”射线释放特征。 显示更新的射线释放特征名称 二维轴对称几何中 几何光学接口中的边界特征选择。

声学中迭代求解建议的改进

对于包含声学模块接口和多物理场耦合的模型,已改进自动生成的求解器建议。此外,必要时 Vanka 预条件器可以正确处理拉格朗日乘子变量。新版本为以下耦合和耦合组合设置了常见迭代求解器建议:

  • 声学 BEM-FEM 边界
  • 声-结构边界
  • 热黏性声-结构边界
  • 声-热黏性声学边界
  • 气动声学-结构边界
  • 压电耦合
  • 实体-壳连接

其他默认和求解器建议改进包括可压缩势流 接口的迭代求解器建议。在对流声学仿真中耦合可压缩势流线性势流 时,可以使用新的稳态-频域稳态-瞬态 求解器配置。已为通过声-结构边界 多物理场耦合将压力声学 耦合到固体力学 的模型添加了第二个迭代求解器建议。最后,为线性欧拉 接口添加了更好的默认求解器。您可以在敞开式扬声器箱中的驱动器模型中看到这些改进。

在 COMSOL Multiphysics 中建模的扬声器驱动器,图中显示“建议的迭代求解器”的“设置”窗口,其中“常规”部分为打开状态。 在模型中使用“建议的迭代求解器” 在“敞开式扬声器箱”教学案例的“扬声器驱动器”中使用 建议的迭代求解器

用于大型声学问题的新求解器

对于用压力声学,频域 接口建模的频域仿真,新版本引入了两种专门的迭代求解器方法,用于模拟高频下的有限元法模型。首先,域分解方法现在支持对域边界使用吸收边界条件,这对于将域分解用于频域声学的集群计算非常重要。其次,复移位拉普拉斯算子 (SL) 方法可用于常规的多重网格预处理器和域分解方法。当不使用集群时,多重网格替代方法是求解大型问题的最佳选择。

使用这一新功能,您可以求解比以前更大型的声学模型。例如,一个汽车驾驶室内部声学模型现在可以求解高达 7 kHz 的频率,使用 105 GB 的 RAM 可以求解 8350 万个自由度,而在较早版本的软件中,它只能收敛至约 3 kHz。由于频域声学大约与频率的立方成比例,因此这相当于数量级更大的仿真。您可以在汽车驾驶室声学 - 频域分析模型中看到此功能的应用演示。

汽车驾驶室内部的模型,以红、白、蓝三种颜色的表格显示声学响应。 汽车驾驶室内部声学 使用新的复移位拉普拉斯算子求解器,在 7 kHz 频率下求解汽车驾驶室内部的声学响应。

重组模型向导树和案例库

随着新的弹性波,时域显式 接口的引入,模型向导 树中的物理场接口位置已更新,其中包含两个新分支:弹性波管道声学。为了更好地了解现有和许多新的教学案例,“案例库”类别也已更新为新类别:

  • 弹性波
  • 教学案例,压力声学
  • 教学案例,管道声学
  • 教学案例,热黏性声学

声学模块的重要改进

  • 外场计算 特征中
    • 可以通过输入偏移值来指定无限对称和反对称平面的位置
  • 后处理新增功能
    • 倍频带 图可以选择使用 1/6 倍频程
    • 参考方向可以在二维模型的一维辐射方向图 绘图中设置
    • 方向性 绘图带有真实的对数轴,已移至一维绘图组
  • 对于排除边排除点 选项
    • 已为以下接口中的所有约束类型边界条件(狄利克雷条件)添加:
      • 热黏性声学 接口
      • 线性纳维-斯托克斯 接口
      • 线性欧拉 接口
    • 处理过度约束的问题,并简化边界条件的某些组合
    • 选择查看高级物理场 选项后可用
  • 用于比声阻抗的的单位 "rayl"
    • 在 SI 单位中可用:[rayl]
    • 在 cgs 单位中可用:[rayls_cgs]
  • 表面应力变量存在于以下接口的外部和内部边界:
    • 热黏性声学 接口
    • 线性纳维-斯托克斯 接口
  • 阻抗边界条件有一个新的吸收系数 选项
    • 可简化某些测量表面阻抗数据的输入
      • 在较高频率范围内有用
    • 适用于所有压力声学接口
  • 压力声学接口中的特征比阻抗 条件
    • 适用于以给定角度向边界传播的波
    • 对已求解的问题的先验知识可以显着改善简单的非反射条件

扩展了对 Jiles–Atherton 磁滞的支持

非线性磁致伸缩材料 已经扩展为包含磁滞 Jiles–Atherton 模型,适用于研究电力变压器和旋转电机等应用中的滞后损耗效应。模型参数与磁性材料的微观物理效应有关,也可以根据实验数据进行估算。

此外,磁滞 Jiles–Atherton 材料模型已扩展为支持参数化稳态研究(除先前可用的“瞬态”分析外)。铁磁磁滞现象与中低频率无关,可以使用参数化稳态研究进行分析,例如在研究磁化和消磁时。该功能需要“AC/DC 模块”以及“结构力学模块”、“声学模块”或“MEMS 模块”之一。

“磁致伸缩材料 1”的“设置”窗口和旁边的磁滞磁致伸缩模型的点图。 磁滞建模 磁滞磁致伸缩模型的设置,以及通过仿真生成的磁滞回线。

载荷可视化

现在,所有结构力学物理场接口都支持将施加的机械载荷作为默认绘图。由于载荷图与解相关,因此,使用新的解更新数据集时,箭头方向和颜色都会更新。即使是抽象载荷(如作用在刚性连接件和刚性域上的力和力矩),也会在它们的真正应用点上绘制出来。新版本为此功能引入了一个新的箭头类型,用于绘制作用力矩。超过 100 个模型使用这个新功能进行了更新。

三个管模型,其中使用红色箭头将各种机械载荷进行可视化。 管上载荷可视化 在管模型上绘制的三组载荷。

新的教学案例

5.5 版本新增并更新了多个教学案例。