声学模块

用于声学和振动分析

声学模块

轿车内的声场仿真,包括扬声器位置处的声源。

将声学和振动分析提升至一个新的层次

声学模块特别针对使用声学设备的人员而设计。应用领域包括扬声器、麦克风、助听器和声纳设备,仅举几例。噪声控制可以在消声器设计、声音屏障和建筑声学等方面得到应用。

加深对现有产品及新产品的了解

简洁的用户界面包含专业仿真工具,用于模拟声波在空气、水和其他流体中的传播。热声学模拟工具使用户可以高度精确地仿真手持设备中的微型扬声器和麦克风。此外,还可以对固体、压电材料和多孔弹性结构中的振动和弹性波进行模拟。用于声-固、声-壳和声-压电的多物理接口可以将声学仿真的预测能力提升至一个新的层次。

通过使用一维、二维和三维下的精确仿真,您可以优化现有的产品并更快速地设计新产品。仿真还可以帮助设计人员、研究人员和工程师深入了解难以通过实验处理的问题。在生产之前设计测试,企业可以节省时间和成本。

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  • 消声器系统中的声压级分布。 消声器系统中的声压级分布。
  • 扬声器(灵敏度 3000Hz)三维远场极坐标图。 扬声器(灵敏度 3000Hz)三维远场极坐标图。
  • Tonpilz(蘑菇形)压电式换能器是用于相对低频、高功率的发声换能器。该换能器由堆叠在宽大末端之间的压电陶瓷环组成,并通过中心螺栓施加预应力。尾质量块和头质量块会降低设备的谐振频率。 Tonpilz(蘑菇形)压电式换能器是用于相对低频、高功率的发声换能器。该换能器由堆叠在宽大末端之间的压电陶瓷环组成,并通过中心螺栓施加预应力。尾质量块和头质量块会降低设备的谐振频率。
  • 概念性微粒过滤系统中的多孔弹性波和声场。柴油微粒过滤器 (DPF) 旨在去除/滤除柴油车辆引擎所排放废气中的烟尘(柴油微粒)。虽然微粒过滤器的主要功能是废气过滤,但它也具有与消声器系统相关的声音阻尼特性。 概念性微粒过滤系统中的多孔弹性波和声场。柴油微粒过滤器 (DPF) 旨在去除/滤除柴油车辆引擎所排放废气中的烟尘(柴油微粒)。虽然微粒过滤器的主要功能是废气过滤,但它也具有与消声器系统相关的声音阻尼特性。
  • 这是 Brüel 和 Kjær 4134 电容麦克风的模型。其几何和材料参数均来源于实际麦克风。仿真得到的灵敏度量级与实际麦克风上测量的数据非常吻合。此外,还得到了薄膜形变、压力、速度和电场。此模型由 Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement, Nærum, Denmark 提供。 这是 Brüel 和 Kjær 4134 电容麦克风的模型。其几何和材料参数均来源于实际麦克风。仿真得到的灵敏度量级与实际麦克风上测量的数据非常吻合。此外,还得到了薄膜形变、压力、速度和电场。此模型由 Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement, Nærum, Denmark 提供。
  • 结果显示了汽车内部的声压等值面。LiveLink™ for Inventor® 使用户可以直接从 Inventor® 用户接口内使用 COMSOL 功能,包括声学模块的功能。 结果显示了汽车内部的声压等值面。LiveLink for Inventor® 使用户可以直接从 Inventor® 用户接口内使用 COMSOL 功能,包括声学模块的功能。

用于模拟一系列不同的声学现象

声学模块包含的一套物理接口(用于模拟仿真用户接口)可仿真流体和固体中的声音传播。在声学模块中,具体分为声压、声-固耦合、气动声学和热声学。

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使用声压的物理场接口进行声学仿真可以轻松地模拟经典声学问题,例如声音的散射、衍射、发射、辐射和传播。与这些问题有关的应用包括消声器设计、扬声器构型、吸音体和扩散体的隔音、定向声波模式评估(例如方向性)、噪声辐射问题等等。声-结构相互作用物理接口可以模拟的问题包括:结构弹性波和流体声学,以及它们的相互作用。例如,声-固耦合可用于消声器细节设计、超声波压电执行器、声纳技术,以及汽车工业中的机械噪声和振动分析。使用 COMSOL Multiphysics ,您可以分析和设计电声换能器,包括扬声器、传感器、麦克风和接收器。

气动声学的物理接口用于模拟外流场与声场之间的单向相互作用,即流体产生的噪声。应用范围包括从喷气发动机噪声分析到风传感器仿真。热声学物理接口可以精确地模拟存在微观现象的系统,对手机和助听器、MEMS 以及换能器设计都是相关的。

声学模块完全集成在 COMSOL 平台中,可以与其他模块耦合,用于广泛的多物理场仿真。例如,声-壳耦合和热声-壳耦合等物理场接口,它们在声学模块与结构力学模块耦合时使用。类似地,声学模块与管道流模块耦合时,可以使用管道声学物理场接口。这些物理场接口有着广泛的应用领域——从模拟简单的空气中的压力波,到检查多孔材料中弹性波和压力波之间的复杂相互作用。

考虑声音损耗的仿真

声学模块附带了应用范围广阔的案例库,包括隔声衬砌、扬声器、麦克风和消声器。其中的许多案例展示了仿真声音损失的方法。声学模块的损耗模型包括基于经验的纤维材料等效流体模型(在多孔弹性波接口中求解 Biot 方程),与理论成熟的热粘性损耗模型(热声学接口)。

连贯的建模流程

声学模块遵循的建模流程与 COMSOL其它任何模块完全相同。所有模拟步骤均从 COMSOL Desktop® 中执行,包括定义几何、选择材料、选择适合的物理接口、定义边界条件和初始值、自动创建有限元网格、求解和结果后处理等。通过一系列预设的耦合(例如对于声-壳耦合使用结构力学模块)或用户自定义耦合,使用任意可行的方式,将声学模块与任何其他 COMSOL 模块耦合。优化模块可以与声学模块一起使用,用于优化几何尺寸、声波传输等。

声学模块与 CAD、MATLAB® 和 Excel® 链接

对于重复性的模拟作业,LiveLink for MATLAB® 让您可以使用 MATLAB® 脚本或函数来运行 COMSOL 仿真程序。COMSOL Desktop® 中用到的所有操作都可以改为通过 MATLAB 命令行的方式来运行。您还可以在 MATLAB 环境中将 COMSOL 命令与现有 MATLAB 代码混合使用。对于从电子表格中运行的声学仿真程序,LiveLink for Excel® 提供了一种从 COMSOL Desktop® 与包含 COMSOL 中定义的参数的电子表格数据相互同步的建模方法。CAD 导入模块和高级 CAD LiveLink 模块使 CAD 模型的声学仿真工作更加简便。LiveLink 模块使参数化 CAD 模型可以保留在各自的环境中,从 COMSOL Multiphysics 内控制几何尺寸。将声学模型链接到 CAD 模块时,您可以对多个模型参数同时进行参数化扫描。

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灵活而强大的声学模拟

配合最先进的求解器,声学模块使用有限元方法求解高阶离散单元的声场方程。模块包括频域和时域模式的声学仿真模型。图形窗口会呈现一些预设的绘图:声场与位移场、声压级、应力与应变,或自定义的物理量以及派生值。

简单易用的声场分析物理场接口

声压

声压物理场接口通过标量声压场描述,求解声场。声压场表示相对于静态环境压强的声场变化(或过压)。当不存在流动时,环境压强即为静态绝对压强。物理接口可以在频域(亥姆霍兹方程)和瞬态形式(经典波动方程)中进行求解。声学边界模式这一特别物理接口用于研究波导和管道中的传播模式,其基础理论前提是:只有有限的一组波形或模态可以传播较长的距离。

物理场接口预定义了一系列边界条件,包括硬声场边界和阻抗、辐射、对称,以及用于模拟开放边界的周期性条件和用于设置源项的条件。这些接口还具有一些流体等效模型,用于模拟声波在复杂介质(例如多孔材料、纤维材料,以及粘性和导热流体)中的传播过程。此外,还可以使用完美匹配层(PML)吸收传出的声波来截断计算域,从而模拟无限远域。最后,可以使用远场功能来确定计算域之外的压强。专业的结果分析功能用于二维或三维远场极坐标可视化。

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声-固耦合

从流体-固体边界的一侧,声-固耦合接口计算作用于固体域的流体压力,从另一侧,计算作用于流体域的结构加速度。这些接口涵盖声-固、声-壳和声-压电耦合——均可用于三维、二维和二维轴对称模型的频域与时域计算。当涉及到在声学模块与结构力学模块耦合时,才能使用这些涉及结构薄壳的接口,而且还能够使用更多的高级结构力学模拟功能。声-压电耦合接口不仅可以高精确地仿真声-固耦合过程,而且支持压电材料中电场的求解和模拟。与 AC/DC 模块或 MEMS 模块耦合时,您还可以将压电仿真与 SPICE 电路耦合。这是一个相当出色的功能,例如,可以在使用集总模型来描述换能器的某些组件时,同时使用完整的有限元描述其余部分。这些都是全耦合模型。

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管道声学接口(需要管道流模块)用于建立柔性管道系统中声波传播的一维模型。方程使用广义模式编译,考虑了管壁和稳态背景流场的影响。弹性波接口为完全结构动力学模式,包含所有剪切波和压力波效应。多孔弹性波接口使用 Biot 理论,精确地模拟多孔材料中的声音传播,包括固体基体形变与饱和流体压力波之间的双向耦合。

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气动声学

背景流场与声场的单向作用(即流体引起的噪声)模拟:基于流体流动的势方程和声学方程,将流体力学和声学现象进行耦合。利用气动声学接口同时在频域和时域模拟静态背景流场与声场间的相互作用。可压缩势流接口对没有涡度(具有无旋的性质)的无粘性可压缩流体的流动进行模拟。流动气动声学接口模拟频域模式下的声学和势流的耦合问题,或将其作为瞬态系统进行模拟。边界模式气动声学接口用于研究背景流场中的边界模式声学问题。

声学模块中分析流动发声的基本工具是线性 Euler 物理场接口。它们用于计算存在背景平均流动时的声学变量,如声压、速度和密度。它们求解的线性Euler方程,包括能量方程,并假设背景流为理想气体(或极近似于理想气体),不考虑热和粘性损耗。线性Euler物理场接口适用于时域、频域和特征频率求解。气动声学的典型应用包括分析喷气式引擎的噪声传播,模拟有非等温流动存在时的消声器衰减,以及气体流量计的研究等,这些都是气体背景流动影响声波传播的情形。

对于简单的单向耦合,基于流体速度势的线性势流物理场接口也适用于频域和瞬态分析。可压缩势流接口用于模拟无粘无旋可压缩流体的背景平均流动。边界模式气动声学接口用于研究背景流场下的声学边界模式,常用于指定入口声源。

热声学

声学模块提供了用于热声学(也称为粘热声学或热粘声学)的最新模拟功能,这对于精确仿真小尺寸几何结构中的声场非常重要。在壁面附近粘度和热传导会变得非常重要,因为此处会产生粘热边界层,并导致显著的损耗。这需要在控制方程中显式地包含热传导效应和粘性损耗。热声学的物理接口用于求解一整组线性可压缩流方程,也即,将线性 Navier-Stokes 方程、连续方程和能量方程全部一起求解。因为热声学模拟需要详细的描述,所有物理场接口会同时求解声压、粒子速度矢量和声场温度变化。

在热声学物理场接口中,控制方程为时谐形式,并在频域中求解。机械和热边界条件均可供使用。热声学域与声压域的耦合也可以使用预定义边界条件简单地完成。软件提供了热声-固耦合接口,简便地求解耦合振动声学。例如,模拟小型电声换能器或 MEMS 器件中的阻尼。固体域和流体域之间存在预定义的边界条件。热声-壳耦合接口用于模拟小尺寸薄壳和声场之间的相互作用。它用于分析助听器中薄壳的阻尼振动,以预防反馈问题。

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