Comsol声学模块：分析声学和振动     咨询热线： 027-87376753

我们可以为声学现象相关的产品和设计进行建模，以此来帮助我们研究和预测音质和降噪性能等因素。“声学模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加产品，其中提供的强大工具用于为扬声器、移动设备、麦克风、消声器、传感器、声呐和流量计等应用的声学和振动进行建模。您可以使用内置的专用特征来可视化显示声学器件或元件的声场，并构建其虚拟原型。

不仅如此，您还可以将声学与结构力学、压电和流体流动等其他物理效应相耦合，进行更详细的研究。COMSOL® 软件提供多物理场耦合功能，让您在尽可能真实的环境中评估产品或设计的性能。

“声学模块”还为专用应用领域提供许多专门的公式和材料模型，例如用于微型换能器和移动设备的热粘性声学模型，以及用于多孔弹性波建模的 Biot 方程。这一多物理场环境通过加入多种专用的数值方法得到了进一步扩展，包括有限元法（FEM）、边界元法（BEM）、射线追踪以及间断 Galerkin 有限元法（dG-FEM）。

声学模块提供的工具可用于模拟：

吸声器

声学隐形

声辐射

声流

麦克风

移动设备

房间的模态特性

消声器

生物声学应用

体声波（BAW）

音乐厅声学

对流声学

燃烧不稳定性

科里奥利流量计

汽车车厢声学

扩音器

电声换能器

流量计

流体噪声

频域中的流-固耦合（FSI）

助听器

脉冲响应

喷气噪声

扬声器

MEMS 声学传感器

MEMS 麦克风

乐器

机械噪声和振动

降噪材料和隔音

无损检测（NDT）

油气勘探

压电换能器

抗性消声器和吸收消声器

室内声学和建筑声学

换能器

传感器和接收器

声呐设备

表面声波（SAW）

隔音

振动声学

低音扬声器和超低音扬声器

超声波

超声波流量计

超声波换能器

水声学

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多物理场耦合

声学模块包含：

声-结构相互作用

压电材料中的声-结构相互作用

声-多孔弹性波相互作用

多孔弹性-结构相互作用

声学 FEM 域和 BEM 域耦合

声-热粘性声学相互作用

热粘性声-结构相互作用

气动声学-结构相互作用

与其他模块结合时包含：

声-壳相互作用

热粘性声-壳相互作用

管道系统中的声传播

通过集总模型模拟的换能器电性能

换能器中磁体、线圈和软铁材料的电性能

气动声学中的背景平均流

多孔弹性波-壳相互作用

在 COMSOL中创建的室内声学模型，用于分析房间的模态特性。

用于分析汽车车厢声学的 COMSOL 模型。

用于设计和分析蘑菇形换能器的多物理场模型。

用于可视化显示变速箱的振动与噪声的模型。

压力声学

压力声学接口可用于为声音的散射、衍射、发射、辐射和传播等压力声学效应建模。您可以通过亥姆霍兹方程在频域建模，也可以通过经典的标量波动方程在时域建模。

接口中提供许多选项供您在声学模型中考虑各种边界。例如，您可以添加壁边界条件，也可以为多孔层添加阻抗条件。您可以通过多模扩展，使用端口来激励或吸收波导入口和出口的声波。该接口支持您在外部边界或内部边界施加各种源，例如指定加速度、速度、位移或压力。不仅如此，还可以使用辐射或 Floquet 周期性边界条件为开放边界或周期性边界建模。

除此之外，您还可以使用开放边界（包含近场和远场之间的所有场）计算模型中的外场并将其可视化。可以使用极坐标图或方向性图来生成辐射方向图或空间响应的可视化效果。

数值方法和研究

COMSOL® 软件提供了非常灵活、高效的求解器和方法来完成分析。声学问题跨越的频率范围十分广阔，计算复杂度与声学公式密切相关。因此，不可能仅仅依靠一种方法或数值技术来分析所有声学问题。

“声学模块”包含四种不同的计算方法：FEM、BEM、射线追踪和 dG-FEM，如下所述。不同的研究类型适用于不同的数值公式，以支持各种分析类型，包括但不限于：频域、特征频率和特征模态以及瞬态研究。专用的迭代法支持为涉及数百万个自由度的大型多物理场和多方法问题建模。

声学模块的内置公式基于以下方法：

FEM

最常用的通用方法，包含高阶单元离散化

频域和时域隐式公式

BEM

只需表面网格的控制方程积分公式

提供完整的多物理场功能，支持与结构（实体、壳和膜）和 FEM 声学域无缝耦合

dG-FEM

时域显式 dG 方法

这项技术可有效节省内存，适用于包含数百万个自由度的大型模型瞬态仿真

射线方法

用于高频声学建模，例如水声学和室内声学仿真

声学模块包含以下研究：

频域

计算一定频率范围内的声学响应和特性

瞬态

计算传播时间

模拟瞬态建立时间

分析宽带声信号

模拟非线性特性

特征频率

计算封闭空间和结构的模态和共振频率

提取 Q 因子和损耗因子

模式分析

计算和识别波导和导管中的传播和非传播模式

声损耗

您可以轻松地在模型中引入声损耗。如此一来，便可以通过多孔弹性波接口求解 Biot 理论，为多孔材料和纤维材料等进行建模。除此之外，您还可以使用压力声学中的多孔介质声学 材料模型通过等效流体方法为多孔域建模，其中包括 Delany-Bazley 模型、Miki 模型和 Johnson-Champoux-Allard 模型等。损耗和衰减也可以作为用户定义的表达式、解析模型或基于测量的数据包含在模型中。

您可以使用热粘性声学接口来建立包含热损耗和粘滞损耗的详细模型，这涉及与声粘性边界层和/或热边界层相关的所有效应。为阻尼效应建模时，只需使用内置的多物理场耦合便能与振动结构进行耦合。在具有恒定横截面的波导或结构中，您可以使用针对压力声学问题的狭窄区域声学材料模型，实现基于边界层损耗均匀化的简化方法。

当运动流体具有较高的流动梯度或温度梯度，或者包含湍流时，您可以使用线性纳维-斯托克斯接口为其中传播的声信号的衰减建立详细的模型，其中的背景流可以通过“CFD 模块”的功能进行计算。

电声功能

在为各种换能器建模时，您可以将“声学模块”的内置功能与 AC/DC 模块或 MEMS 模块中的功能结合使用，创建全耦合的多物理场有限元模型，包括为扬声器驱动器中的磁体和音圈，或电容式麦克风中的静电力进行详细建模。在电-力-声换能器系统中，您可以很方便地使用集总电路模型来简化电子和机械部件。这两种方法都使用双向全耦合方式进行求解。在移动设备、电容式麦克风和助听器接收器等微型换能器系统中，使用热粘性声学 接口以及与其他物理场（如振动结构）的多物理场耦合，可以详细分析由热粘性边界层损失引起的重要衰减。

其应用包括（但不限于）：

全耦合扬声器建模

扬声器驱动器

集总电路模型与有限元域耦合

使用“AC/DC 模块”优化磁性元件

麦克风

MEMS 麦克风

助听器

移动设备

开放域和辐射问题

在声学研究中，比较常见的是模拟声波在发生辐射时不产生任何反射这种开放性问题，包括模拟换能器的空间灵敏度或声呐应用中的散射问题。无反射边界建模可以通过不同的技术和特征来实现：阻抗条件和辐射条件可用于分析简单问题；对于复杂的辐射模式或高级物理场，使用“海绵层”会很有帮助。

为此，“声学模块”提供了以下几个公式：

完美匹配层（PML），适用于所有频域模型

用于时域的 PML 公式，压力声学，瞬态接口中提供

吸收层（AL），基于 dG-FEM 公式的所有接口和线性欧拉接口中提供

在建模时通过将多物理场功能与混合 FEM-BEM 方法结合使用，您可以使用 BEM 和压力声学，边界元接口有效地处理开放性问题。

基于方程建模：修改控制方程或设置用户定义的多物理场耦合

通过使用基于方程建模方法在软件中直接修改控制方程和边界条件，从而根据您自己的分析进一步定制模型，您可以实现完全控制仿真。例如，您可以为“声学模块”中未预定义的物理场建模，也可以设置新的多物理场耦合，包括修改材料模型，通过添加或修改本构关系为非线性效应建模；也可以采用非标准方式来耦合物理场。相关示例包括耦合声学和 CFD，以模拟声波产生的涡旋脱落声流效应或非线性效应。

使用基于方程建模方法的另一个好处在于，您无需进行基本编码，因此显著提高了建模对象的灵活性，并有效缩短了仿真设置时间。

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