声学与振动 博客文章
使用 COMSOL Multiphysics® 模拟多孔介质的声学特性
今天的特邀博主 Kirill Horoshenkov（FREng）是来自英国谢菲尔德大学（the University of Sheffield）的声学教授，他讨论了如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件和声学模块模拟多孔介质的声学特性。 对于多孔介质的声学特性，我们感兴趣的方面是它对入射声波具有极强的吸收和修改能力，其中入射声波与填充材料孔隙的流体会发生相互作用。黏性摩擦、惯性和热耗散效应是产生刚性结构多孔介质声学特性的主要原因。这些效应受材料的孔隙率和其他孔隙结构参数影响。对于大多数实际工程问题而言，尽管我们并不直接关注多孔材料的声学特性，但研究声学特性、孔隙率和结构形态之间的关系却非常有意义。 在与能量存储相关的应用中，测量影响多孔隔板的电解质吸收及导电能力的陶瓷隔板的孔隙率和曲折率非常重要；在与过滤操作相关的应用中，定期测量与上述相似的特性可以确定在有流体流动的情况下膜的渗透性；在制药应用中，通常需要测量平均粒度和压实度，粒度分布以及颗粒混合物吸收的水分量。在化学和化学工程应用中，重要的是要了解材料的内部孔隙表面积，用于通过输送催化剂控制化学反应并将有毒物质转化为化学惰性键。在噪声控制应用中，我们关注的是评估多孔层吸收声音的能力。 6 参数 Johnson–Champoux–Allard–Lafarge 模型 COMSOL Multiphysics 软件包含一系列可以预测多孔介质声学特性的模型。在以往的应用中，声学模块的 多孔介质声学功能（图1）中所包含的 Johnson-Champoux-Allard-Lafarge（JCAL）模型一直用于此目的，其结果被广泛参考（截至 2020 年 11 月 15 日，已有超过 2000 个 Scopus 文摘和引文数据库引用）。 JCAL 模型最初于 1991 年被提出（参考文献1）。它需要 6 个非声学参数来预测材料孔隙中流体复杂的、随频率变化的动态密度： (1) \rho(\omega)=\frac{\rhof \alpha\infty}{\epsilonp} \left[ 1+\frac{\sigma \epsilonp}{i \alpha\infty \rhof \omega} \left( 1+\frac{4i \alpha ^{2}\infty \mu \rhof \omega}{\sigma^2 \Lambda^2 \epsilon^{2}{p}}\right)^{1/2} \right] 以及动态可压缩性 (2) C(\omega) = \frac{\epsilonp}{\gamma P0} \left[\gamma – \frac{\gamma-1}{1-\frac{i \sigma’ \epsilonp}{\rhof \alpha\infty N\textrm{Pr} \omega} \left(1+\frac{4i \alpha^{2}{\infty}\mu \rhof N\textrm{Pr}\omega}{(\sigma’ \Lambda’ \epsilon_p)^2}\right)^{1/2}} \right] 图1 多孔介质声学接口的设置窗口的屏幕截图，显示了 JCAL 模型的 […]
借助仿真实现声呐系统的快速原型设计
借助多物理场仿真技术，诺斯罗普·格鲁曼公司（Northrop Grumman Corporation，NGC）快速完成了声呐系统的创新设计和实现。Lauren Lagua 是 NGC 水下系统部门声呐集成团队成员之一，她在 2020 年北美 COMSOL 用户年会的主题演讲中，讨论了如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件在声呐系统开发中进行快速原型设计。文中摘录了她的一些演讲内容，并附加了完整的视频演讲，欢迎浏览。 视频演讲：NGC 如何使用 COMSOL Multiphysics® 进行快速原型设计 NGC 的快速原型设计流程 在 NGC 公司，工程师遵循着快速原型设计的流程，该流程包括四个部分，其中前三个部分经常重复多次： 原型设计 原型制造 测试与设计验证 最终设计的制造 Lauren Lagua表示，在该流程的每一个环节都使用了多物理场仿真技术。 原型设计 在为声呐系统设计换能器（Tonpilz 型压电换能器案例模型）时，工程师会通过测试不同的参数设置，来了解如何最好地实现项目的总体目标。他们可能会尝试测试材料（例如新的压电材料）、几何形状和频率等参数。Lauren 团队使用 COMSOL Multiphysics 的 压力声学、固体力学、静电 和电路 接口，确定了不同的参数变化如何影响其设计。 在测试新材料时，团队经常缺少供应商提供有关材料属性的所有必要信息。因此，他们使用 COMSOL Multiphysics 评估已有信息测试材料属性，并将评估结果与 COMSOL 模型进行比较来估计材料性质。 主题演讲的屏幕截图，显示了换能器设计中使用的材料。 原型制造 NGC 团队在建立好模型并运行之后，会在整个原型制造过程中执行一系列测试，并将其与模拟结果进行比较。有时结果会不匹配，例如模型中可能缺少物理场。有时，Lagua能够在原型中发现制造问题。例如，当将压电材料黏合到背衬基板时，可能会出现气泡或黏合不良等问题。 Lagua 对导致问题的原因进行了假设，并在 COMSOL Multiphysics 中模拟了其假设。通过将模型结果与原始原型的假设进行比较，Lagua 能够快速对制造问题进行故障排除并纠正。 测试和验证 准备好原型后，NGC 团队将对其电气和声学特性进行系统级测试。 电气测试包括阻抗测试和电容测量。 在声学方面，NGC 公司使用了最先进的声学测试设备。该设备是私营企业最大的测试池，直径为 15 米，可容纳约 1500 立方米水，并用红木衬砌，以建造一个理想的宽带声学测试环境（模仿开放水域环境）。声学测试池用于测量声呐换能器中的发射电压响应，远场电压灵敏度和辐射方向图。该设备的测试结果将被反馈回模型中，并进行验证模型，或者在必要时进行调整。 声学测试池。图片由 Northrop Grumman Corporation 提供。 一旦设计通过了快速原型设计流程的前三个阶段，就可以一次又一次地快速迭代它们，直到准备好制造出最终设计版本为止。 微型无人水下飞行器的声呐 在 Lagua 的主题演讲中，她以 NGC 公司的一个项目为例说明了如何借助仿真快速实现声呐系统的原型制造。该项目成功使用 COMSOL […]
混凝土墙的声传输损耗仿真
隔音是建筑物质量的一个重要评判标准。公寓和住宅区的居民经常会抱怨由于墙壁太薄而能听到邻居的活动；居住在高速公路或机场附近的居民不希望听到汽车或飞机日常飞行的噪音。
分析油箱振动的最佳方法是什么？
在某些情况下，传统的建模方法和简化会导致模型无法准确地表示一个结构。比如与流体接触的结构，该结构的动态响应由于流体的存在而显著改变，例如燃料箱。本文我们将比较用于分析燃料箱的传统建模方法和多物理场建模方法，并比较哪种建模方法可以提供更准确的结果…
人体头部扫描几何的头相关传递函数计算
头相关传递函数(head related transfer function，HRTF)是设计音频设备时的一个重要因素。声学工程师常使用通用的HRTF测量结果，但每个人都有自己的 HRTF —— 它就像指纹一样独特。为了进行更个性化的分析，可以用麦克风测量个人的 HRTF，但这个过程既耗时又繁复。
模拟人耳道内的声学特征 优化助听器和耳机设计
你有没有注意到当你戴着耳机或耳塞式耳机说话时，你自己的声音听起来有什么不同？这种现象被称为封闭效应，它会影响助听器的性能和舒适度，进而影响听障人士对助听器的接受程度。
弹性波，时域显式接口简介
从无损测试到地震波在土壤和岩石中的传播，有许多应用领域涉及弹性波在固体中的传播以及结构中的振动。
使用传递矩阵计算分析耵聍挡板声学
助听器可用于应对不同类型的听力损失，同时为了保证其功能的有效性，必须进行积极的维护。声学工程师和设计人员将耵聍挡板集成到助听器中，以保护其微型扬声器（在助听器中通常称为接收器）。