声学模块更新

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本为“声学模块”的用户引入了新的压电波,时域显式 多物理场接口、用于压力声学的物理场控制网格功能,以及流致噪声。请阅读以下内容,进一步了解这些更新及其他新增功能。

“压电波,时域显式”多物理场接口

压电波,时域显式 多物理场接口中,您可以使用在时域内对压电介质中波传播现象进行建模的新功能,可以对正、逆压电效应进行建模,并可以使用应变-电荷或应力-电荷形式来表示压电耦合。新增的接口利用新增的压电效应,时域显式 多物理场耦合,将弹性波,时域显式 接口与静电 接口相耦合。

新增的接口基于间断伽辽金(dG 或 dG-FEM)法,并采用时域显式求解器。方程组的静电部分在每个时步通过经典有限元法 (FEM) 求解的代数方程组进行求解,这确保了一种计算效率非常高的混合算法,可以求解具有数百万个自由度 (DOF) 的大型模型。这种算法非常适合于集群架构上的分布式计算。您可以在更新的使用压电换能器的超声波流量计角钢梁无损检测教学案例中查看这一新接口的应用演示。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“压电材料”节点,并显示其对应的“设置”窗口,以及两个“图形”窗口。 压电波,时域显式多物理场接口在角钢梁无损检测 (NDT) 装置中的应用。

压力声学的物理场控制网格

物理场控制网格功能现在可用于压力声学,频域压力声学,瞬态 接口。生成的网格遵循有关解析波的最佳实践,确保有足够数量的网格单元。此外,完美匹配层 (PML) 采用结构化网格进行网格划分,周期性条件采用复制网格操作,单个边界层网格用于外场 计算。

对于频域,最大频率是自动从研究中选取的。对于时域,最大频率取自物理场设置,确保网格的空间分辨率和求解器时步的时间分辨率一致。对于所有其他声学接口和固体力学 接口,仅处理 PML 和周期性条件。所有适用新增的物理场控制网格划分的教学案例都已更新。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“网格”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示耳塞模型。 压力声学,频域中的物理场控制的网格划分自动生成的域网格、PML 中的结构化网格和边界层网格。

流致噪声简介

新版本介绍了一种用于流致噪声建模的混合计算气动声学 (CAA) 方法。这种方法基于湍流源与声学方程之间的单向耦合,假设从声场到流场不存在反向耦合,计算方法基于 Lighthill 声学类比(波动方程)的有限元离散化。方程的这种公式可以确保已在底层考虑了固体边界(可以是固定的或振动的)。有两个流致噪声选项可用:Lighthill 类比和较为简单的气动声学波动方程 (AWE) 类比。

新功能依赖于将使用“CFD 模块”求解的大涡模拟 (LES) 流体流动模型与压力声学,频域 中的气动声学流动源 域特征相耦合,这是通过使用气动声学流动源耦合 多物理场耦合和专门的瞬态映射 研究来实现。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“气动声学流动源耦合”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示串列气缸模型。 用户界面中包含多个接口和特征:压力声学,频域中的 气动声学流动源特征、气动声学流动源耦合多物理场、瞬态映射,FFT 研究步骤以及 频域 研究。该模型是一个并列圆柱障碍物流致噪声基准问题的仿真。

新增两个高频压力声学物理场接口

两个新增的物理场接口基于高频假设,并基于基尔霍夫-亥姆霍兹积分。第一个是压力声学,渐近散射 接口,专门用于散射建模,另一个是压力声学,基尔霍夫-亥姆霍兹 接口,主要用于辐射建模。

压力声学,渐近散射

压力声学,渐近散射 接口用于模拟高频散射。假设声场为局部平面,因此散射场可以通过解析方式来表示。通过定义面法向阻抗、反射系数或吸声系数,您可以将散射物体表面视为完全反射或具有吸声属性,后两者取决于入射角。该接口可以对球面波和平面波的散射进行建模,其中具有内置功能,可以采用简单的角度考量和更高级的半立方体方法来计算可见性因子。您可以在潜艇高频渐近散射教学案例中查看这一特征的应用演示。

压力声学,基尔霍夫-亥姆霍兹

压力声学,基尔霍夫-亥姆霍兹 接口用于对高频辐射进行建模。假设声场为局部平面,这种技术也经常被称为高频边界元法或简称为 HFB 法,通常用于计算高频振动结构的辐射声场,无需对周围流体进行建模。只要流体中的声波波长小于结构和结构模态,这种方法就有效。对于平坦的振动表面,该方法简化为计算瑞利积分。接口中提供用户定义的选项用于访问完整的基尔霍夫-亥姆霍兹积分公式,定义压力及其法向梯度。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“壁”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示潜艇模型。 压力声学,渐近散射接口用于对潜艇艇体发出的高频散射进行建模。艇体长 60 m,本例研究的频率为 2 kHz。求解和渲染只需几分钟的时间。

新增的压力声学域分解方法

现在您可以使用域分解 (Schwarz) 方法求解大规模压力声学(亥姆霍兹)问题,其中使用移位拉普拉斯 方法以及与非重叠 Schur 方法相同的用于内部重叠边界的吸收边界条件。这种方法的优点是多重网格可以用作域求解器,并且域分解方法不需要粗化栅格。

集总扬声器边界和内部集总扬声器边界

对于许多电声学应用,我们可以通过将集总 Thiele–Small 表示与有限元法相结合来有效地对扬声器进行建模。电机的电磁部件采用电路 接口建模,而声学部分采用压力声学,频域 接口求解。该方法假设扬声器振膜振动可以通过活塞运动来描述,并且对微型扬声器特别有意义。内部集总扬声器边界 包含空气对振膜两侧的影响。集总扬声器边界 可以选择包含通过阻抗的背面音量的柔度。您可以在扬声器驱动器集总模型戴在仿真人耳上的耳机教学案例中查看这些新增特征的应用演示。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“内部集总扬声器边界”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示耳机模型。 “戴在仿真人耳上的耳机”模型中采用 内部集总扬声器边界。扬声器表面与包含集总电声表示的 电路无缝耦合。

外场计算的扇区对称选项

外场计算 特征已扩展,新增了选项,用于处理包含扇区对称的模型。其中两个选项扩展了现有的对称平面 功能:扇区对称 选项和具有一个对称平面的扇区对称 选项。在对放置在无限挡板中的扬声器驱动器进行建模时,后者尤其重要。对于高级扇区对称模型,外场分析还可以通过方位角模数进行扩展。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“外场计算”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示无限障板模型。 60 度扬声器扇区上使用的 外场计算特征。新增选项 具有一个对称平面的扇区对称支持扇区对称的无限障板几何的组合仿真。

使用新的外场变量进行优化

在三维中,新的外场变量可用于基于梯度的优化问题,如形状优化或拓扑优化。优化目标现在可以定义为在外场中计算的变量,例如定义辐射方向图或离轴响应的值。该变量仅适用于外场计算 特征中的对称平面 选项。新变量通过将 _opt 附加到现有外场变量来定义:压力的运算符是 pext_opt(x,y,z),声压级的运算符是 Lp_pext_opt(x,y,z)。您可以在矩形扬声器喇叭的形状优化 - 三维教学案例中查看这一更新功能的应用演示。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“形状优化”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示矩形喇叭模型。 在该优化问题的 目标函数表达式中使用了声压级的预定义变量。

磁力学多物理场接口

新版本新增了两个物理场接口,用于分析耦合的磁效应和机械效应:磁力学磁力学,无电流。典型的应用场景是磁场引起固体变形,或者反过来,移动结构改变磁场,例如,这是变压器嗡嗡声的物理解释。新的接口依赖于新的磁机械力 多物理场耦合。对某些类型的声学换能器(如平衡电枢换能器)进行建模时,这种耦合特别有意义。这一新功能还需要“AC/DC 模块”,您可以在平衡电枢接收器微型扬声器教学案例中查看相关应用演示。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“磁机械力”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示接收器模型。 采用 磁机械力多物理场耦合的平衡电枢换能器多物理场模型。

完美匹配边界 (PMB) 辐射条件

新增的完美匹配边界 特征是以辐射条件的形式应用于开放边界的 PML,无需定义域,例如作为几何模型中的一个层。该条件通过 COMSOL Multiphysics® 的额外维度功能自动应用 PML 公式,这也简化了对辐射边界的要求,原因是,它原则上可以具有任何凸面形状。您可以使用不同的选项来控制衰减方向。新增的边界条件可用于所有相关空间维度的压力声学,频域 接口。您可以在以下教学案例中查看这一新特征的应用演示:

“线性欧拉,边界模式”物理场接口

线性欧拉,边界模式 接口用于计算和识别存在可以通过理想气体流很好地近似处理的稳态背景平均流的情况下,波导和导管中的传播和非传播模式。该接口对波导的边界、入口或横截面执行特征模态分析。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“线性欧拉模型”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示喷气发动机模型。 使用 线性欧拉,边界模式接口计算喷气发动机几何形状中的传播模式。

“线性纳维-斯托克斯,边界模式”物理场接口

线性纳维-斯托克斯,边界模式 接口用于计算和识别存在任何稳态等温或非等温背景平均流的情况下,波导和导管中的传播模式和非传播模式。该接口对波导的边界、入口或横截面执行特征模态分析,其中考虑所有热损耗和黏滞损耗效应以及与背景流的相互作用,并根据需要包含声边界层损耗。

线性欧拉和线性纳维-斯托克斯的面外和边界模式分析

线性欧拉线性纳维-斯托克斯 接口中,您现在可以分别在二维和二维轴对称中添加可选的面外波数和周向波数。在相同的空间维度中,您现在可以使用模式分析研究为这些类型的物理场接口建立 2.5D 仿真。

“弹性波,时域显式”中的计算位移后处理特征

新版本的弹性波,时域显式 物理场接口中新增了一个后处理特征,称为计算位移。利用此特征,您可以通过求解一组辅助常微分方程,以最佳方式计算点、沿边、边界或域中的位移。这些新特征作为子特征添加到材料模型中,例如弹性波,时域显式模型压电材料 模型。此特征不影响结果,但仅用于后处理,并生成场变量,用于对位移进行可视化和后处理。由于此特征会添加并求解额外的方程,因此使用它需要额外的计算资源。您可以在各向同性-各向异性试样:弹性波传播教学案例中查看这一新功能的应用演示。

“非线性压力声学,时域显式”中的最小和最大压力后处理特征

非线性压力声学,时域显式 接口中新增了一个后处理特征,称为计算最小和最大压力。此特征计算域或边界上随时间和空间变化的最大和最小压力。软件会自动创建两个变量:nate.p_min 和 nate.p_max,可用于后处理,例如,计算聚焦区的大小。您可以在高强度聚焦超声 (HIFU) 在组织体模中的传播教学案例中查看这一特征的应用演示。

用于振动声学仿真的“对,多物理场耦合”

“声学模块”中新增了两个多物理场耦合,用于耦合装配中的声学域和固体域。这是作为“对”条件实现的,支持在装配中两个域之间的界面处使用非共形网格。第一种类型的多物理场耦合,即对,声-结构边界,在装配中用于将压力声学,频域压力声学,瞬态 接口耦合到固体力学 接口。第二种类型的多物理场耦合,即对,热黏性声-结构边界,在装配中用于将热黏性声学,频域热黏性声学,瞬态 接口耦合到固体力学 接口。这种耦合使用罚函数公式在时域中进行更有效的计算。您可以在模拟同时作为信号发射器和接收器的压电器件教学案例中查看这些新增耦合的应用演示。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“对,声-结构边界”节点,并显示其对应的“设置”窗口,以及两个“图形”窗口。 压电教学案例中使用的新增的 对,声-结构边界。请注意压电-流体界面处的非共形网格。

热黏性声学的重要更新

对于热声学建模,新版本引入了多个新的和改进的特征。

  • 对于端口,新增的平面波 选项可用于处理滑移和绝热案例或者非波导模型。先前软件版本中提供的波导模式名称已更新为数值 (0,0) 模式循环 (0,0) 模式
  • 所有热黏性接口中使用的默认离散化已从拉格朗日单元更改为巧凑边点单元。这将在求解使用结构化网格的模型时带来重要的性能提升。
  • 改进了求解器设置,用于求解使用非线性热黏性声学贡献 的模型。这些设置对于高度非线性的问题尤为重要。如需在 COMSOL Multiphysics® 5.6 版本的模型中使用这些新设置,您需要将求解器重置为其默认设置。
  • 在曲面情况下,热黏性声学与结构力学之间的耦合通过使用“节点”约束类型得到了改进。
  • 边界层 网格特征中,新增了厚度明细 选项所有层。这样可以更容易地设置跨越整个热黏性声学边界层的网格。
  • 非线性热黏性声学贡献 特征中将密度近似 设置为二阶 的情况下,如果使用热力学系统 特征指定空气材料(潮湿或干燥),现在会自动计算材料属性。
  • 热黏性声学,频域 接口中,您现在可以为二维轴对称模型添加可选的周向波数,从而可以对复杂传播模式进行高级 2.5D 分析。

您可以在以下模型中查看这些特征的应用演示:

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“端口”节点,并显示其对应的“设置”窗口,以及两个“图形”窗口。 新增的 平面波端口选项用于热黏性声学分析,以计算穿孔板的转移阻抗。

射线声学新增功能

根据方向性释放

射线声学 接口中,新增的带方向性的源 节点现在可以用于根据用户定义的空间方向性函数释放具有初始强度或功率的射线分布。在射线声学仿真中定义扬声器源时,这一点尤其重要。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“带方向性的源”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示射线声学模型。 在室内声学仿真中,从 带方向性的源释放。

根据外场计算释放

您可以使用新增的根据外场计算释放 节点,根据先前研究中的外场计算 特征,发射具有强度和相位分布的射线。这有助于多尺度声学仿真,将基于网格的近场解与更远距离的射线追踪仿真相结合。您可以在超声波停车传感器教学案例中查看这一特征的应用演示。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“根据外场计算释放”节点,并显示其对应的“设置”窗口,以及两个“图形”窗口。 超声波停车传感器,其中显示计算出的辐射方向图。可视化窗口显示超声换能器在近场发射的外场以及随后的射线声学仿真。基于近场有限元分析的外场计算可用于将射线的强度和相位初始化。

从文件中加载射线坐标时的转变

使用根据数据文件释放 节点从文件中加载射线释位置时,您现在可以对初始坐标应用转变。您可以使用膨胀(缩放)、旋转和平移的任意组合。如果初始射线方向也是从文件中加载的,您可以选择对位置和方向应用相同的旋转。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“根据数据文件释放”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示扬声器模型。 根据数据文件释放特征的一个实例用于移动、旋转和缩放从扬声器释放的射线的分布。

新增的衰减模型

在软件 6.0 版本中,有四种不同的方法来定义衰减系数,控制射线在仿真域中传播时射线强度功率如何降低。您可以指定压力幅值衰减系数或强度幅值衰减系数,单位为奈培/米;也可以输入幅值衰减系数,单位为分贝/单位长度或分贝/波长。衰减系数的所有这些定义也可用于对几何形状之外的空区域中的衰减进行建模。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“介质属性”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示射线声学模型。 域中射线强度和功率衰减的设置。

非局部耦合的简化名称

射线声学 接口定义了计算模型中射线表达式的总和、平均值、最大值或最小值的耦合。在 6.0 版本中,这些耦合的名称已简化,以便于使用。

下表列出了新旧耦合名称。

耦合描述 旧名称 新名称
对射线求和 rac.racop1(expr) rac.sum(expr)
对所有射线求和 rac.racop_all1(expr) rac.sum_all(expr)
对射线求平均值 rac.racaveop1(expr) rac.ave(expr)
对所有射线求平均值 rac.racaveop_all1(expr) rac.ave_all(expr)
对射线求最大值 rac.racmaxop1(expr) rac.max(expr)
对所有射线求最大值 rac.racmaxop_all1(expr) rac.max_all(expr)
对射线求最小值 rac.racminop1(expr) rac.min(expr)
对所有射线求最小值 rac.racminop_all1(expr) rac.min_all(expr)
在射线的最大值下计算 rac.racmaxop1(expr, evalExpr) rac.max(expr, evalExpr)
在所有射线的最大值下计算 rac.racmaxop_all1(expr, evalExpr) rac.max_all(expr, evalExpr)
在射线的最小值下计算 rac.racminop1(expr, evalExpr) rac.min(expr, evalExpr)
在所有射线的最小值下计算 rac.racminop_all1(expr, evalExpr) rac.min_all(expr, evalExpr)

旧名称在 6.0 版本中仍然有效,因此无需更新任何现有模型。

带扭转的轴对称

固体力学 接口的二维轴对称中,现在可以包含周向变形,这可以通过在物理场接口的轴对称近似 栏中选中包含周向位移 复选框来启用。利用该选项,您可以更高效地对轴对称结构的扭转等现象进行建模。

新增的阻尼模型

新版本为机械材料模型添加了新的阻尼模型:

  • 波衰减 模型本质上是一个黏滞模型,但其参数由材料中弹性波衰减的测量数据给出。它可以在固体力学线弹性材料 中找到。
  • 最大损耗因子 模型主要用于材料的时域分析,对于这些材料,损耗因子表示在频域中给出了良好的描述。这种阻尼模型适用于支持黏滞阻尼的所有材料模型。
  • 压电材料 特征中,除了机械阻尼最大损耗因子 之外,还有一种新的介电损耗频域阻尼模型:复介电常数
  • 对于电荷守恒,压电,您现在可以添加两个新的色散模型:德拜多极德拜

声学问题后处理新增功能

对于后处理和可视化,新版本包含以下新增功能:

  • 射线声学 接口的脉冲响应 绘图特征中新增了离散傅里叶变换 (DFT)移动平均 选项。
  • 当在显示更多选项 中启用绘图信息栏 后,现在可以使用新增的信息 栏进行绘图。新增的栏显示绘图时间,这在射线声学 模型或使用新增的基于基尔霍夫-亥姆霍兹的高频接口模型中可能非常重要。
  • 倍频带 图中,绘制的物理量 现在可以选为连续功率谱密度,频带功率频带平均功率谱密度
  • 能量衰减 子特征中添加了一条警告消息,电平衰减现象偏离正常值时会显示此消息。
  • 新增了 Thermal Wave 颜色表,并将其用作热黏性声学线性纳维-斯托克斯 接口中温度变化图的新默认值。
  • 新增了 WaveWave Light 颜色表,并将它们用作表示声压的所有绘图的默认值。
  • 更快地生成大型表面图,这一点在地震波在地球内部的传播教学案例中非常明显。
  • 接收器 数据集的预览速度现在要快得多。
二维绘图,以 Thermal Wave 颜色表显示声温波动。 新增的 Thermal Wave 颜色表用于表示非线性热黏性声学仿真中的声温波动。

声学模块的其他重要增强功能和更新

  • 改进了基于 dG-FEM 的时域显式接口的阻尼公式。新公式更稳定、更精确、性能更高。
  • 改进了热黏性声学模型中集总圆近似的处理方法,这适用于狭窄区域声学和内部穿孔板。
  • 映射 研究结合背景流体流动耦合 多物理场特征执行的映射的稳定性得到了改进。对于具有导入几何的模型以及在弯曲边界上具有 CFD 边界层网格的模型,这一点尤其明显。
  • 可压缩势流 物理场接口现在适用于 PML 域,这简化了背景流的设置,以便在线性势流 接口中进行后续分析。

新的和更新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本的“声学模块”引入了多个新的和更新的教学案例。