先月, アメリカ音響学会 (ASA) とカナダ音響協会 (CAA) は, カナダのモントリオールで第21回国際音響会議 (ICA) 合同会議を開催しました. この合同会議は2013年の主要な音響会議の一つであり, 音響に関するあらゆるトピックを網羅した様々な同時開催セッションが行われました. これらのセッションには, 心理音響, 水中音響, トランスデューサーモデリング, 楽器音響, 非線形音響など, 多岐にわたります. 今年の音響会議では, ポスターセッションと基調講演も行われました. 私たちも参加し, そこで聞いた話, 見た話, そして発言した内容を以下にご紹介します.
見逃せない音響会議
COMSOL で音響モジュールのテクニカルプロダクトマネージャーを務める私にとって, これは絶対に見逃せないイベントでした. この音響学会議は, 音響学の様々な分野における最新の研究動向を把握する絶好の機会であるだけでなく, 様々な分野でシミュレーションがどのように行われているかを知る絶好の機会でもあります. 例えば今年は, “トランスデューサーの設計, モデリング, シミュレーション, 最適化における計算手法” に関する特別セッションがありました.
私は会議会場を歩き回り, 様々な音響分野のプレゼンテーションを聴講しましたが, COMSOL Multiphysics が用いられた多くのアプリケーションを目にすることができ, 大変嬉しく思いました. 会議の議事録をざっと検索してみると, 約30件のプレゼンテーションで COMSOL が言及されていることがわかります. COMSOL が活用されている研究分野は, 音響海洋学, 建築音響, 熱音響現象, 非線形音響, トランスデューサー, 補聴器のノイズ, 音声生成のモデリングなど, 多岐にわたります. 会議の全要旨は, Journal of the Acoustical Society of America 133 号に掲載されています. 会議議事録へのリンクは, 国際音響委員会のホームページ で閲覧できます.
私は幸運にも招待を受け, 2つのセッション (そのうちの1つは前述のシミュレーションセッション) で発表を行うことができました. 最初の講演は, 微粒子に対する音響放射力のモデリングについてで, DTU 物理学部の H. Bruus 教授と共同で行った研究です. 2つ目の講演は, コンデンサーマイクの仮想プロトタイピングについてで, これは Brüel & Kjær Sound and Vibration Measurement A/S の E. S. Olsen 氏と共同で行った研究です. 以下では, 両方の発表について詳しく説明していきます.
超音波定在波中の微粒子に対する音響放射力
私の最初の講演は “超音波定在波中の微粒子に対する音響放射力の第一原理シミュレーション” [1] でした. これは, 微粒子音響泳動 に関するブログで言及した研究の続編です. この研究の目的は, 第一原理シミュレーションに基づいて微粒子に対する音響放射力を予測できるモデルを作成することでした. 理論的には, 音響放射は複雑な非線形支配方程式で記述され, 詳細な境界条件に敏感であるため, 定量的な予測を得ることが困難です. この点において, COMSOL Multiphysics は非常に有用なツールです. ユーザーは, 解く方程式だけでなく, ソルバーのシーケンスも完全に制御できるからです. シミュレーション結果は, 断熱ケースにおける球状粒子の解析結果と比較されます. 現在のモデルは, 既知の解析結果を拡張して熱効果も考慮し, 楕円体粒子に作用する放射力の解析も含んでいます (下図参照).
楕円体微粒子周辺の流速振幅.
コンデンサーマイクの仮想プロトタイプ
音響会議で私が発表した2つ目の研究は, “有限要素法を用いたコンデンサーマイクの仮想プロトタイプ作成による詳細な電気的, 機械的, および音響的特性評価” [2] でした. 本論文の目的は, Brüel & Kjær 4134型マイクロフォン の完全な仮想プロトタイプを提示することで, 関連するすべての特性曲線, すなわち, 異なる通気口構成における感度, マイクロフォンインピーダンス, およびマイクロフォン静電容量を再現できるようにすることでした. これらはすべて実測値と比較され, 非常に良好な一致を示しました. マイクロフォンモデルは, 音響, 膜モデル, および静電容量の両方を含む真のマルチフィジックスアプリケーションです. このモデルを使用することで, マイクロフォンの挙動を支配する詳細な物理プロセスを理解することができます. 将来的には, 既存のマイクロフォンの最適化や新しいプロトタイプの開発に活用できる可能性があります. 以下は, 25 kHz で斜入射音波に対するダイヤフラムの変位を示すアニメーションです:
BK タイプ 4134 マイクロホンにおける斜入射平面波に対するマイクロホンダイヤフラムの変位 (1周期分の動きであり, かなり誇張されています).
参考文献
- COMSOL モデルギャラリの Brüel and Kjaer 4134 コンデンサーマイクロホンモデル
- Acoustofluidic Multiphysics Problem: Microparticle Acoustophoresis
- ICA-ASA Conference homepage
- Proceedings of the International Congress on Acoustics
- Acoustical Society of America
- Abstract reference 1: M. J. Herring Jensen and H. Bruus, “First-principle simulation of the acoustic radiation force on microparticles in ultrasonic standing waves (A)”, J. Acoust. Soc. Am. Volume 133, Issue 5, pp. 3236-3236 (2013)
- Abstract reference 2: M. J. Herring Jensen and E. S. Olsen, “Virtual prototyping of condenser microphones using the finite element method for detailed electric, mechanic, and acoustic characterization (A)”, J. Acoust. Soc. Am. Volume 133, Issue 5, pp. 3359-3359 (2013)
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