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COMSOL Multiphysics 在声学领域的应用案例集

COMSOL Multiphysics 在声学领域的应用案例集
COMSOL Multiphysics 在声学领域的应用案例集

算例:

1.声学器件

2D轴对称喇叭单元电磁-声-固耦合分析

这是一个动态电磁式圆锥形扬声器模型,通常用于中低频段声音重放,电磁场模块的小信号分析计算静电力和静态的音圈阻抗,声固耦合应用模式分析喇叭振膜的振动以及声波的辐射,最外层采用完美匹配层边界条件(PML)模拟无限大空间,输出结果包括随频率变化的灵敏度曲线和阻抗特性曲线等。

模型来源: Acoustics_Module/Industrial_Models/loudspeaker_driver。

压电声学传感器

压电传感器能把电信号转换成声压辐射,反过来,也能把声场压力转换成电信号。这种换能器采用压电材料和声场应用模式,在声场-结构交界面处考虑到了结构变形对声场的加速度影响以及声场对结构的反向压力的作用。该模型广泛应用于阵列式麦克风,超声传感器、超声探伤、无损检测、声纳、成像等。利用COMSOL Multiphysics的拉伸耦合变量,仅需2D 的计算即可得到3D的结果数据。

模型来源: Acoustics_Module/Tutorial_Models/piezoacoustic_transducer

声表面波(SAW)气体传感器特征模态分析

该案例研究了SAW气体传感器的共振频率,声表面波(SAW)是能够沿着材料表面传播的波,它的振幅随材料深度按指数规律迅速衰减。SAW器件在很多电子元件中都有广泛的应用,例如滤波器,振荡器和传感器等。SAW由一个相互交叉的换能器构成(IDT),换能器刻蚀在压电LiNbO3 (铌酸锂) 基底上,并覆盖一层薄的聚异丁烯 (PIB)膜,当暴露在空气中时,PIB 膜选择性的吸收CH2Cl2 (二氯甲烷, DCM) ,PIB 膜的质量随之增加,从而导致特征频率向低频扩展。

模型来源:Acoustics_Module/Industrial_Models/SAW_gas_sensor。

光声传感器特征模态

光声器件广泛用于检测气体化合物的浓度,它是基于器件的光共振吸收现象,气体分子的非弹性碰撞将激发能量转换为热能,样品的调制照射会引起周期性的压力变化,该压力变化可以被光声传声器检测到,其信号检测灵敏度依赖于光声器件的几何形状,利用声学器件的共振特性可以改善其灵敏度。COMSOL Multiphysics的多物理场耦合分析方法为光声传感器的设计优化提供了强有力的保证。

模型来源:Eigenmodes of photoacoustic T-cells,COMSOL 2005年会

2.音响系统

音箱系统声学特性分析

音箱系统的一个最重要的设计参数是其灵敏度,该案例中驱动器加载的交流电压是4V.为了计算出音箱系统在消声室内的声压分布情况,该案例使用完美匹配层(PML)边界条件,模型使用的是声学模块的时谐声压应用模式,及一个描述连接运动圆锥振膜和驱动电压的全局方程。利用COMSOL Multiphysics计算当喇叭放入箱体后的灵敏度曲线变化情况。结果表明,增加扬声器箱明显导致其灵敏度曲线向低频扩展,可以通过布置喇叭和倒相孔位置以及修正其尺寸,改善音箱系统灵敏度特性。

模型来源:Acoustics_Module/Industrial_Models/vented_loudspeaker_enclosure。

超低音音箱声场分析

这个模型计算出口朝下的圆柱形超低音音箱,喇叭的振膜和喇叭内外的空气之间耦合所产生系统机械阻抗对喇叭性能有很大的影响,为了模拟振膜隔断内外声场,喇叭的内部和外部作为两个不同部分的装配体来建模,采用远场后处理功能可以清楚的描述声场强度分布。

模型来源:Acoustics_Module/Tutorial_Models/cylindrical_subwoofer。

阵列扬声器系统声场特征

阵列式扬声器由Philips公司提出,称之为贝塞尔面板,它由多个等距离放置成行的喇叭单元组成,该模型研究了按照贝塞尔面板排列的25个单元的近声场和远声场分布,每个喇叭单元的驱动信号不同,幅度和相位可以根据需要来调整,从而可以调整阵列扬声器的声场分布和指向性。

模型来源:Acoustics_Module/Tutorial_Models/bessel_panel。

十二面体无指向性扬声器系统振动特性

在计算厅堂脉冲响应和混响时间的时候,无指向性声源是必不可少的,该模型采用壳单元应用模式,可以很方便地构造出满足实际需要的声源形式。图中描述的是所有的振动面板都是以同相位向外振动的。

模型来源:Low frequency analysis of small rooms by means of a finite element model,COMSOL 2006年会

3.噪声控制

消声器吸声性能分析

该案例计算了内燃机吸收式消声器的压力波传播声场分布,消声器由一个24公升的共振腔和两个排气管构成,共振腔包含15 mm厚的吸音玻璃棉作为衬里,吸音棉采用Delany-Bazley流阻模型来描述,该模型的目的演示如何分析声波传输的感应损耗和阻抗损耗,分析结果表明,内壁采用吸声材料可改善高频传输损耗。

模型来源:Acoustics_Module/Industrial_Models/absorptive_muffler。

微穿孔板消声器传输损耗计算

该模型由瑞典斯德哥尔摩皇家科学院马库斯瓦伦堡噪声震动实验室的Sabry Allam博士和Mats ?bom教授提出,其设计基于标准消声器模型,利用到两种消声机理:腔体的扩张式消声,以及声波通过纤维性材料的粘滞损耗或微穿孔板内的流动(阻抗)损耗生热而消声,计算结果表明,其仿真结果同试验测量结果相一致。

模型来源:Acoustics_Module/Industrial_Models/perforated_muffler

4.建筑声学

汽车内部声场

点声源在汽车内部激发声波,通过对测试台位置处声压的测量,可以对声源位置进行调整,以达到最佳声场辐射均匀度。

模型来源:Acoustics_Module/Industrial_Models/car_interior。

房间声场特征模式

当设计一个家庭影院或者音乐厅时,房间声场共振特征是不能忽视的,要得到清晰而均匀的声音,房间特征频率必须均匀分布。对于预先设计好的厅堂形状,我们就需要考虑如何布置音箱系统才能获得最好的声音效果。分析结果表明,空房间的所有模式在角落中都有局部最大值,因此音箱放在角落中就会激发所有的特征频率。

模型来源:COMSOL_Multiphysics/Acoustics/eigenmodes_of_room。

5.气动声学

航空发动机内部噪声辐射

这个模型计算了不同条件下来自涡轮发动机的时谐声场,模型中采用了空气声学和可压缩势流应用模式,结果表明在发动机输送管内引入“衬里”能有效抑制噪声。利用COMSOL Multiphysics强大的拉伸耦合变量,仅需2D的计算量即可得到3D的结果数据。

模型来源:Acoustics_Module/Industrial_Models/flow_duct。

涡轮风扇发动机噪声辐射

声学模块中的气动声学应用模式可用来描述这种运动流体中的声波传播问题。当高速气流流出输送管时,沿着外延的输送管壁出现一个涡流层,而在输送管内和管外的流体都是均匀层流,由于流速不同而被涡流层分开。图例中描述的是涡流层内外的声场分布情况。

模型来源:Acoustics_Module/Tutorial_Models/jet_pipe。

6.超声应用

超声波散射

该模型模拟的是圆柱体超声波散射声场,圆柱形媒质中放入一个同心圆障碍物,它们具有不同的声阻抗,采用COMSOL Multiphysics独有的超弱变分公式(UWVF)方法计算高频声学现象。和低阶有限元分析相比,UWVF能显著减少计算时间,尤其对于解决复杂高频声学现象,其优势更加明显。

模型来源:Acoustics_Module/Tutorial_Models/ultrasound_scattering。

超声波束射性

如果超声换能器的直径明显大于超声波波长,则所发射的超声波能量集中成束状向前传播,换能器近场区的超声波束宽度与声源直径相近似,平行而不扩散,近似平面波,该区域内声强分布不均匀。近场区以外的远场区声波以球面波形式向外扩散,声强分布均匀,但逐渐减弱。超声换能器的频率愈高,直径愈大,则超声束的指向性越好、其能量越集中。COMSOL Multiphysics能够完整重现超声换能器的近、远声场分布。

模型来源:Beam Characteristics of Ultrasonic Transducers for Underwater Marine Use,COMSOL 2006年会

细胞对超声波的散射

声波在传播过程中,遇到直径小于波长的微小粒子,微粒吸收声波能量后,再向四周各个方向辐射球面波,这种声散射现象在生物组织介质中都是普遍存在的,它是脉冲回波技术的依据,这一技术已成为绝大多数超声诊断技术的基础,该模型模拟了细胞超声散射现象,有助于深入研究超声成像机理。

模型来源:Modeling Acoustic Wave Scattering from Cells and Microbubbles,COMSOL 2006年会;

A study of FEMLA

B for modeling high frequency ultrasound scattering by spherical objects,COMSOL 2005年会

超声波束探伤

超声波在被检测材料中传播时,材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响,通过对超声波受影响程度和状况的探测能了解材料性能和结构变化。该案例计算了时谐超声平面波斜入射到媒质中的传播过程,入射角度可以可以根据需要进行调整。

模型来源:Ultrasonic Beam Steering in Isotropic Media,COMSOL 2006年会

声纳探测技术

意大利La Spezia的NATO海底研究中心使用COMSOL Multiphysics研究如何利用低频回声反射来确定目标物体的材料属性和几何特征。将目标物体的远场后处理分析结果利用逆傅立叶变换技术从频域响应转换为时域回声响应,然后再将分析结果转换为时频谱图形式,该频谱图包含了目标物体的材料属性和几何特征。

模型来源:Finite element models for the solution of underwater acoustics problems,COMSOL 2006年会

超声波无损检测技术

超声波在被检测材料中传播时,材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响,通过对超声波受影响程度和状况的探测能了解材料性能和结构变化。图示描述的是一束超声波斜入射到钢板和水泥交界面时,在缺陷处的声场分布。仿真过程中利用COMSOL Multiphysics预置的声固耦合应用模式,可以精确的再现超声波的散射声场和反射声场。模型来源:COMSOL Multiphysics 在超声无损检测中的应用,COMSOL 2009年会

7.声学研究

声学多普勒效应

声波在波源移向观察者时接收频率变高,而在波源远离观察者时接收频率变低,这一现象在医学诊断方面有广泛的应用,例如B超、彩超等。该案例是一个轴对称问题,在原点处声源激发频率为f = 100 Hz的球面声波,周围的空气以V = 33 m/s 的速度向着负z轴方向运动。分析结果表明,当声波传播方向与空气运动方向相反时,波长减小,观测者感觉的频率比实际频率要高;相反,当声波传播方向与空气运动方向相同时,波长增加,观测者感觉的频率比实际频率要低。

模型来源:Acoustics_Module/Tutorial_Models/doppler_shift。

瞬态高斯脉冲声聚焦

该案例研究了高斯脉冲声频谱、网格解析度和时间步长之间的关系,分析结果表明,凹面容易对声波形成集中反射,使反射声聚焦在焦点处,造成声音在该区域特别响,而其他区域听音条件变差,扩大了声场不均匀度,严重影响听众的听音环境,在厅堂设计中应避免这种现象。

模型来源:Acoustics_Module/Tutorial_Models/gaussian_explosion

隔板声散射

该案例描述的是利用散射场控制方程计算隔板对声波的散射作用,最外层采用PML能最大限度的减少声波反射的影响,将整个模型设置为装配体能够在边界层的两边设置单独的边界条件。

模型来源:Acoustics_Module/Benchmark_Models/plate_with_ribs

流体声学-结构耦合分析

流体或者气体与结构(例如膜、板或者实体)的声固耦合在很多工程领域都有着广泛的应用。该模型给出一个浸入水中的铝制圆柱体,空心圆柱体内部的点声源或线声源激发入射声波,导致圆柱体与周围流体发生耦合,水中产生的时谐声压作为边界载荷施加在3D实体上以保证压力的连续性,同时利用实体表面法向加速度作为声场边界条件保证加速度的连续性。模型来源:Acoustics_Module/Tutorial_Models/hollow_cylinder。

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