COMSOL® 製品概要

音響モジュールで音響・振動を解析

製品と設計の音響効果をモデル化するソフトウェア

音響モジュールはCOMSOL Multiphysics®ソフトウェアのアドオンで, スピーカーやモバイルデバイス, マイク, 消音器やセンサー, ソナー, 流量計などへの応用のための音響・振動のモデリングツールがついてきます. 音場を可視化し, デバイスや部品のバーチャルプロトタイプを作成する特殊機能も利用できます.

更に詳しく調査するために, 音響を構造力学や圧電性, 流体の流れなど他の物理効果とカップリングすることができます. COMSOL®ソフトウェアにはマルチフィジックスカップリングがついており, 実環境にできるだけ近い環境での製品や設計の性能評価をすることができるようになっています.

音響モジュールには特殊な数式や材料モデルが含まれており, 小型トランスデューサーやモバイルデバイスに使われる熱粘性音響や, 多孔質弾性波のためのビオの方程式などの特化応用分野に利用することができます. マルチフィジックス環境は, 有限要素法 (FEM) や境界要素法 (BEM) , レイトレーシングやガラーキン有限要素法 (dG-FEM) などの特化した数値法によってさらに拡張が可能です.

音響モジュールでモデル化できるもの

音響モジュールで COMSOL Multiphysics®プラットフォームを拡張し, COMSOL®ソフトウェアの中心機能に加え, 特殊音響・振動解析のための機能を使うことが出来ます.

音響モジュールについてくるモデリングツール

  • 吸収体
  • 音響クローキング
  • 音響放射
  • 音響流
  • マイク
  • モバイルデバイス
  • 室内モーダル行動
  • マフラー
  • 生体音響応用
  • バルク超音波 (BAW)
  • コンサートホール音響
  • 対流音響
  • 燃焼不安定性
  • コリオリ流量計
  • 自動車車内音響
  • ディフューザー
  • 電気音響変換器
  • 流量計
  • 流体伝播ノイズ
  • 周波数領域内の流体構造連成 (FSI)
  • 補聴器
  • インパルス応答
  • ジェット騒音
  • スピーカー
  • MEMS音響センサー
  • MEMSマイク
  • 楽器
  • 機械騒音・振動
  • ノイズ低減材料・絶縁
  • 非破壊試験 (NDT)
  • 石油・ガス探査
  • 圧電音響変換器
  • 反応性消音器・吸収性消音器
  • 室内・屋内音響
  • 変換器
  • センサーとレシーバー
  • ソナーデバイス
  • 表面弾性波 (SAWs)
  • 防音
  • 振動音響
  • ウーファー・サブウーファー
  • 超音波
  • 超音波流量計
  • 超音波変換器
  • 水中音響
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マルチフィジックスカップリング

音響モジュールに含まれているもの

  • 音響-構造連成
  • 圧電材料内の音響-構造連成
  • 音響-多孔質弾性波連成
  • 音響-多孔質弾性構造連成
  • FEM領域とBEM領域内のカップリング音響
  • 音響-熱粘性音響連成
  • 熱粘性音響-構造連成
  • 空力音響-構造連成

追加モジュールによって利用できるもの

  • 音響-シェル連成
  • 熱粘性音響-シェル連成
  • パイプ装置内の音響伝播
  • 集中型モデルによる変換器の電気的動作
  • 変換器内の磁石・コイル・軟鉄材料の電気的動作
  • 空中音響内の背景平均流Bs
  • 多孔質弾性波-シェル連成
A room acoustics model for analyzing the modal behavior of a room in COMSOL Multiphysics®. The modal behavior of a room is studied using an eigenfrequency analysis. The model includes complex impedance conditions to model absorbing surfaces.
A COMSOL model for analyzing the acoustics in a car cabin. The sound pressure level distribution in a car cabin is generated by a small speaker located in the dashboard. The pressure acoustics model includes complex-valued surface impedance of the lining, carpet, plastic surface, and seats.
A multiphysics model for designing and analyzing a tonpilz transducer. Design and analysis of a tonpilz transducer array used in sonar applications. The model couples piezoelectric material structures and acoustics in water modeled with boundary elements. The spatial sensitivity is easily calculated and visualized.

散乱や回折, 放出や放射, 音響伝送などの音圧効果をモデル化するには, 音圧インターフェースを使います. 問題はヘルムホルツの方程式によって周波数領域で, または古典的なスカラー波動方程式による時間領域内でモデル化されます.

音響モデルには, 境界を考慮するオプションが多数あります. 例えば, 壁面の境界条件や多孔層のインピーダンス条件などを加えることができます. マルチモード拡張を使って導波路のインレットやアウトレットでポートを用いて音波を励起したり吸収したりすることが出来ます. 所定の加速度, 速度, 変位, 圧力などのソースを外部または内部境界に適用することができます. 更に放射またはフロケ周期境界条件を使って開境界または周期境界のモデル化も可能です.

近接場から非近接場にわたるまであらゆるモデル内の外部フィールドを算出・可視化することができます. また, 放射パターンや空間応答も極座標プロットや指向性プロットによって可視化できます.

音圧インターフェース

  • 音圧, 周波数領域
    • ヘルムホルツの方程式によって表された問題を解き, 境界条件と流体モデルのための数多い工学関係を含む
    • 固有振動数解析を使い, 音響モードと形状を見つける
  • 音圧, 過渡
    • 任意の時間依存インプット信号を使い, 音波の過渡伝播を調べる
    • ウェスターベルトモデルを使い, 非線形効果を含む
  • 境界モード音響
    • 導波路・導管内の伝播モード・非伝播モードを割り出し調べる 
  • 音圧, 境界要素
    • 境界要素法を使い, 効率的に放射・散乱問題を解く
    • 弾性構造や圧電材料などにFEM基盤物理にシームレスに結合する
  • 音圧, 陽的時間
    • dG法を使い, 音の非定常伝播をモデル化, または計算効率で大きな散乱問題をモデル化する

応用分野

  • 消音器
  • スピーカー
  • 機械からの騒音放射
  • 自動車車内音響
  • 室内音響のモダル行動
  • 吸収体とディフューザー
  • 散乱問題
 

音響モジュールを用いて, 製品または設計の音響と構造力学の連成をシミュレーションすることができます. 定義済みインターフェースによって振動音響を調べ, 流体領域と構造領域を自動カップリングすることが可能です. 固体力学インターフェースは, 完全な構造力学定式化を使い, 固体内のせん断波と圧力波の効果が考慮され, 弾性波を解析できるようになっています. 専門の多孔質弾性波インターフェースを使い, ビオの方程式を解き, 多孔質材料内の弾性波と圧力波の結合伝播をモデル化できます.

マルチフィジックスカップリングによって,多孔質領域, 固体領域, 圧電材料, 流体領域が簡単にカップリングでき, 実環境におけるデバイス動作をモデル化できます. 構造はプレストレス化が可能で, その高周波動作を音響と完全結合させて解析することができます.

応用分野

  • 消音器の構造振動との相互作用
  • スピーカー部品
    • キャビネット
    • ドライバー
  • 機械
  • 振動音響 
  • ヘッドフォン
  • 建築材料の防音と音伝達
  • 圧電変換器
    • 超音波変換器
    • 線形アレイ
    • ソナー変換器
    • ソナーアレイ
  • 多孔質弾性波(ビオ)による多孔質材料の細かいモデル化
  • フィードバックに関する問題
An acoustic-structure interaction model of a vented loudspeaker enclosure. Frequency domain analysis of a vented loudspeaker driver unit to determine the on-axis sensitivity and spatial sensitivity. The model combines structural shells and acoustics and is set up using a predefined multiphysics coupling.
A COMSOL model for analyzing the frequency response of a tonpilz transducer. Frequency response of a tonpilz transducer is studied to find structural/acoustic responses: deformation, stresses, radiated pressure, SPL, far-field beam pattern, transmitting voltage response curve, and directivity index of the sound beam.

COMSOL®ソフトウェアのジオメトリ音響機能を使って, 音波の波長が特徴的なジオメトリ特性よりも小さい高周波装置の評価ができます. 音響モジュールでジオメトリ音響の計算に使えるインターフェースには, 音線インターフェースと音響拡散方程式インターフェースの二つがあります.

音線インターフェースでは, 音線の軌跡, 相, 強度を計算することが可能です. 更に, 特殊レシーバーデータセットと他のポスト処理ツールで, インパルス応答とエネルギー減衰曲線も計算できます. 音線は段階構成で伝播し, これは水中音響応用に必要です. 空気中および水中の音線シミュレーションには, 長距離で高周波の波伝播に重要な特化された空気減衰材料モデルと海洋減衰材料モデルが利用できます.

音響拡散方程式インターフェースでは, カップリングされた室内の音圧レベル分布と異なる場所での残響時間を決定することが可能です. 音響エネルギー密度のためには拡散方程式を使い, 音響を簡単にモデル化できます. このインターフェースは, 建築物内および大型構造物内の解析を素早く行いたい場合に向いています.

応用分野

  • 室内音響
  • コンサートホール音響
  • 水中音響
  • 自動車車内音響
  • 屋外音響伝播
  • 空気中音響
An example of simulating ray acoustics in a concert hall using COMSOL Multiphysics® and the Acoustics Module.

Simulation of the acoustics of a small concert hall using the Ray Acoustics interface. Boundary conditions include frequency-dependent absorption and scattering properties. Impulse response reconstructed using the dedicated postprocessing functionality.

An example of studying room acoustics using the COMSOL software.

The Acoustic Diffusion Equation interface solves steady state SPL (acoustic energy density) distribution for a given sound source in a 2-story house. An eigenvalue solver finds room reverberation times. A time-dependent study finds energy decay curves.

音響モジュールで分離二段階アプローチを用いて計算空力音響問題を効率よく解くことができます. まず, CFDモジュールからのツールを使って背景平均流, またはユーザー定義済み流れプロフィールを見つけてから, 音響伝播問題を解きます. これは対流音響または流れによる騒音のシミュレーションと呼ばれることがあります.

定義済みインターフェースによって定常等温または非等温背景平均流の存在中の圧力, 密度, 速度, 温度の音響変化を計算することができます.

下記のような安定化有限要素方程式があります.

  • 線形ナビエ-トークス
  • 線形オイラー
  • 線形ポテンシャル流れ

定式化にはすでに流れによる音響波の流体媒介性音響, 対流, 減衰, 反射, 回折が考慮されています. また周波数領域内での弾性構造への定義済みカップリングでのFSI解析のための機能もついています.

応用分野

  • ジェットエンジン騒音
  • 背景流を含む消音器
  • 流量計
  • コリオリ流量計
  • 流れ存在下でのライナーやパーフォレートの解析
  • 燃焼不安定度
 
An aeroacoustics model for analyzing a Helmholtz resonator.

Acoustics analysis of a Helmholtz resonator and the effect of mean flow in the system, modeled using the Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain interface. The model captures the convective effects of the flow and attenuation due to turbulence.

A model of an aeroengine duct created with the COMSOL Multiphysics software. The acoustic field of an axially symmetric aeroengine duct, generated by a noise source at the boundary, is modeled. Simulation results are computed for ducts with and without compressible irrotational background flow and hard and lined duct walls.

小型寸法のジオメトリ内の音響伝播を精確に解析するためには, 粘性および熱条件に関する損失, とりわけ粘性境界層と熱境界層内の損失を考慮する必要があります. これらの効果は完全自動に解くことができ, 熱粘性音響インターフェースの解く方程式内に含まれています.

これらのインターフェースは, マイクやモバイルデバイス, 補聴器やMEMSデバイスなどの小型電子音響変換器の振動音響モデリングに適しています. より詳細な変換器モデリングには, 構造と熱粘性音響領域のビルトインマルチフィジックスカップリングが利用できます.

インターフェースには, 断熱性から超低周波での非等温性まで完全遷移挙動を含む追加的効果がついています. また, 狭い導波路と導管内の伝播モードおよび非伝播モードの計算・割り出しをするための専用インターフェースもあります.

応用分野

  • モバイルデバイス
  • 小型変換器
  • MEMS
  • 補聴器
  • マイク
  • パーフォレートおよびパーフォレート板
A screenshot of the COMSOL Multiphysics GUI showing a thermoviscous acoustics modeling example. Response of a Knowles ED23146 balanced armature receiver (miniature loudspeaker) when placed in a standardized measurement setup. The model results align much better with the Knowles setup when incorporating acoustic losses.

超音波インターフェースは, 波長に応じて長距離にわたる音波の定常伝播計算に使われます. 周波での音響擾乱は人間の耳では聞くことができない超音波として分類されています. これによって超音波の波長は短いことが分かります.

The 対流波方程式, 陽的時間 インターフェースは, 固定背景流における多くの波長を含む大型非定常線形音響問題を解くのに使われます. これは任意の時間依存ソースとフィールドを持つ時間依存シミュレーションに適しています.

dG法基盤のインターフェースは, かなりのメモリー依存法である陽的時間ソルバーを使っています.

応用分野

  • 超音波流量計
  • 飛行時間つき超音波センサー
  • 流れ存在下での音信号非定常伝播
 

音響モジュールの機能

音響モジュールの主な機能を下記に説明します.

使いやすいモデリングワークフロー

COMSOL Multiphysics®と音響モジュールだけの使用, または製品一覧の他製品と組み合わせての使用に関わらず, COMSOL®ソフトウェアのワークフローは, 全体を通じて一貫した使いやすいものとなっています. モデリングの手順はシンプルで下記が含まれています.

  • ジオメトリの定義
  • 材料の選択
  • 適切な物理インターフェースの選択
  • 境界条件と初期条件の定義
  • 有限要素メッシュの自動作成
  • 物理の解決
  • 結果の可視化

他ソフトウェアプラットフォーム用インターフェース機能

モデル内のスプレッドシートデータを使用したり, 複雑なCADジオメトリをインポートしたりする場合には, ニーズに見合ったインターフェース製品があります. MATLAB® ソフトウェア, Microsoft® Excel® スプレッドシートソフトウェア, Inventor® ソフトウェア, 幅広い LiveLink™ 製品などの多様な外部ツールによって COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのインターフェース化が可能です.

数値解法とスタディ

COMSOL® ソフトウェアでの解析に使われるソルバーと方法はどちらも柔軟性があり効率的です. 音響における問題は何十もの周波数にわたります. 計算の複雑さは音響定式化に左右されます. その結果, 全ての音響問題に適した単一の方法や数値手法はないとされています.

音響モジュールには, 以下で説明されるFEM, BEM, レイトレーシング, dG-FEMという異なる方法が4つ含まれています. 異なるスタディが異なる数式を補足することで全ての必要な解析タイプが利用できるようになります. これには, 周波数領域, 固有振動数や固有モード, 過渡スタディなどに限らず様々な要素が含まれます. 専用の反復法によって数百万の自由度がある大きなマルチフィジックスやマルチメソッド問題のモデル化が可能です.

音響モジュールに含まれる数式の基礎

  • FEM
    • 高次要素離散化を含む最も一般的で用途の広い方法 
    • 周波数領域時間領域定式化と陰的時間依存領域定式化
  • BEM
    • 表面メッシュだけを必要とする支配方程式の積分定式化
    • 構造 (固体, シェル, 膜) やFEM音響領域とのシームレスなカップリングのための完全マルチフィジックス機能を提供
  • dG-FEM
    • 陽的時間dG法
    • 数百万の自由度を含む大型モデルの過渡シミュレーションのための記憶効率のよい方法
  • レイトレーシング法
    • 水中音響や室内音響シミュレーションなどの高周波音響のモデル化

音響モジュールに含まれるスタディ

  • 周波数領域
    • 周波数の範囲を超える音響応答・行動を計算
  • 過渡性
    • 飛行時間を計算
    • 過渡増大時間のシミュレーション
    • 広帯域音響シグナルの解析
    • 非線形動作のシミュレーション
  • 固有振動数
    • 閉鎖空間と構造におけるモードと共振周波数を計算
    • Q因子と損失因子を抽出
  • モード解析
    • 導波路と導管内の伝播モードと非伝播モードの計算・割り出し

音響損失

モデルに音響損失を含むことは簡単です. これにより多孔弾性波 インターフェースでビオ理論を解くことで多孔質材料や繊維性材料のモデル化などが可能になります. また他には, 音圧内の多孔音響材料モデルを使い等価流体アプローチで多孔領域をモデル化することもできます. 多孔音響材料モデルには, Delany-Bazley, Miki, Johnson-Champoux-Allardモデルなどが含まれます. 損失や減衰を, ユーザー定義の式や解析モデル, 測定基盤データに含むこともできます.

熱損失や粘性損失を含む詳しいモデルを熱粘性音響インターフェースで設定することができます. これには音響粘性層や熱境界層と関連する全ての効果が含まれます. 減衰をモデル化するのに, ビルトインマルチフィジックスカップリングを用いて振動構造とカップリングすることができます. 音圧問題の 狭域音響材料モデルで導波路や一定断面積構造内で境界層損失の均質化に基づいた簡素なアプローチが達成されます.

高い流れ勾配や温度勾配, 乱流を含む移動流体通過中の音響シグナルの減衰は線形Navier-Stokesインターフェースで細かくモデル化することが可能です. 背景流れはCFDモジュールの機能を使って計算できます.

 

電気音響機能

音響モジュールには, AC/DCモジュールMEMS モジュール と組合わせて使うことのできるあらゆる種類の変換器をモデル化するための機能があり, 完全にカップリングされたマルチフィジックスFEMモデルを作ることができます. これには, スピーカードライバー内の磁石や音声コイル, またはコンデンサーマイクロホン内の静電気力などの詳細なモデル化も含みます. 電気機械音響変換装置では, 集中回路モデルを使い電子部品・機械部品を簡素化します. 両アプローチ共に完全双方向カップリングによって解決されます. モバイルデバイスやコンデンサーマイクロホン, 補聴器やレシーバーなどの小型変換装置には, 熱粘性音響インターフェースと振動構造などの他物理とのマルチフィジックスカップリングを用いて熱粘性境界層損失による大きな減衰が詳細にわたって含まれています.

応用分野例の一部

  • 完全結合スピーカーのモデリング
  • スピーカードライバー
  • 集中回路モデルとFEM領域のカップリング
  • 磁気部品最適化のためのAC/DCモジュールの使用
  • マイクロホン
  • MEMSマイクロホン
  • 補聴器
  • モバイルデバイス

開領域と放射問題

音響スタディにおいて, 音波が反射せずに放射できる開問題をシミュレーションされることは一般的です. これには変換器の空間感度やソナー応用の散乱問題も含まれます. 無反射境界のモデリングは異なる方法と機能によって実現されます. 複合放射パターンや高度物理のためにいわゆる海綿層を用いることは利点があるとされています.

音響モジュールにはこの目的のための定式化が含まれています.

  • 全周波数領域に適用できる完全整合層(PML)
  • 音圧, 過渡インターフェース内の時間領域のために定式化されたPML
  • dG-FEM定式化基盤の全インターフェース内および 線形オイラー インターフェース上のいわゆる吸収層(AL)

FEM-BEMの混合アプローチによるマルチフィジックス機能を用いて, 開問題はBEMと音圧, 境界要素インターフェースで効率よく処理されます.

 

方程式基盤モデリング:支配方程式変更やユーザー定義マルチフィジックスカップリング設定

シミュレーションをフルにコントロールするために, 方程式基盤モデリングを使い, 支配方程式と境界条件をソフトウェア内で直接変更することができ, 好みの解析に合わせた更なるカスタマイズ化が可能です. 例えば, 音響モジュールに定義済みでない物理をモデル化したり, 新たなマルチフィジックスカップリングを設定したりすることができます. これには構成関係を加えたり変更したりすることで, 材料モデルを変更し非線形効果を変更することも含まれます. 物理を非標準的な方法でカップリングすることも可能です. 例としては音響ストリーミングや音波によって発生する渦の離脱の非線形効果をモデル化するための音響とCFDのカップリングなどがあります.

更なる利点として, 方程式基盤モデリングアプローチを使い基本的なコーディングを不要とすることでより柔軟なモデル化およびシミュレーション設定にかかる時間の短縮が可能となります.

シミュレーションアプリ : モデル化作業の流れを簡素化

周りの人々のために同じシミュレーションを何度も繰り返す必要がなくなったら, 新しいプロジェクトの開発にどれほど時間とエネルギーを費やすことができるようになるでしょう. COMSOL Multiphysics®のアプリケーションビルダーで, モデルへのインプットを制限しアウトプットをコントロールすることでワークフローを更に簡素化できるシミュレーションアプリを作れば, チームメンバーが独自の解析をできるようになります.

アプリケーションによってコンポーネントの波長などの設計条件変更が簡単になり, シミュレーション全体を調整せずに何度でもテストをすることができます. テストが素早く実行できるだけでなく, チームメンバーにアプリを配布することで各自が自由自在に解析できるようになり, 仕事の効率が上がり他のプロジェクトに割く時間ができます.

シンプルなプロセス

  • 複雑な音響モデルを特殊ユーザーインターフェース (アプリ) に変換
  • ユーザー用インプット・アウトプットを選択しニーズに応じてアプリケーションをカスタマイズ化
  • COMSOL Server™COMSOL Compiler™製品を使ってチームメンバーへのアクセスを許可
  • サポート不要でのチームによる独自の設計解析が可能

シミュレーションアプリを作成・利用することで, チームや組織, クラスルームや顧客などのシミュレーション能力がアップします.

An example of a simulation app built with COMSOL Multiphysics and the Acoustics Module. A simulation app for analyzing acoustic reflection, created with the Application Builder in COMSOL Multiphysics and the add-on Acoustics Module.

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

"COMSOL へコンタクト" ボタンを押し, あなたの連絡先詳細と特別なコメントや質問があればそれを記入して, 送信していただくだけで済みます. 1営業日以内に我々のセールス担当者から返事が届きます.

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