音響モジュール

製品, デザインの音響, 振動特性を解析する

音響現象を伴う製品や設計をモデル化することで, 音質や騒音低減性能などの要素を解析, 予測することができます. 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, モバイル機器, マイク, マフラー, センサー, ソナー, 流量計, 室内, コンサートホールなどのアプリケーションの音響および振動をモデリングするツールを提供します. 音場を可視化し, デバイスやコンポーネントの仮想プロトタイプを作成することができます.

より詳細なスタディのために, 音響は, 構造力学, 圧電, 流体流れなどの他の物理効果と組み合わせることができます. COMSOL® ソフトウェアにはマルチフィジックス, カップリングが含まれており, 実世界に限りなく近い環境で製品または設計の性能を評価することができます.

音響モジュールには, 小型トランスデューサやモバイルデバイスに使用される熱粘性音響学や, 多孔質弾性波のモデリングに使用されるビオーの方程式のような, 多くの特殊な定式化や材料モデルも含まれています. マルチフィジックス環境は, いくつかの数値計算手法によってさらに拡張されています. 音響モジュールでは, 有限要素法 (FEM) に加えて, 境界要素法 (BEM) , 不連続ガラーキン有限要素法 (dG-FEM) , レイトレーシングを搭載しています.

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レインボーカラーテーブルの内外音圧レベルを示すスピーカーモデル.

圧力音響

圧力音響は, 音響モジュールの最も一般的な使用法です. 音の散乱, 回折, 放出, 放射, 伝達などの圧力音響効果をモデル化できます. 周波数領域で実行されるシミュレーションはヘルムホルツ方程式を使用しますが, 時間領域では古典的なスカラー波動方程式が使用されます. 周波数領域では, FEM と BEM の両方, およびハイブリッド FEM‐BEM を使用できます. 時間領域では, 時間暗黙 (FEM) および時間明示 (dG-FEM) の定式化を使用できます.

音響モデルの境界を説明するための多くのオプションがあります. たとえば, 壁の境界条件や多孔質層のインピーダンス条件を追加できます. ポートを使用して, マルチモード拡張を使用して導波管の入口と出口で音波を励起または吸収できます. 規定の加速度, 速度, 変位, 圧力などのソースは, 外部または内部の境界に適用できます. さらに, 放射またはフロケ周期境界条件を使用して, 開いた境界または周期境界をモデル化できます.

音響モジュールを使用して, パイプ音響をモデル化し, フレキシブルパイプシステムの音圧と速度を計算することもできます. アプリケーションには, HVAC システム, 大型配管システム, およびオルガンパイプなどの楽器が含まれます.

電気音響: スピーカーとマイク

スピーカーとマイクをモデル化する場合, 重要な部分は音響と構造の相互作用を含みます. この場合, 流体圧力によって固体領域に流体負荷が発生し, 構造加速度が流体と固体の境界を横切る通常の加速度として流体領域に影響を与えます. 音響モジュールには, さまざまな音響構造相互作用機能が含まれています.

あらゆる種類のトランスデューサをモデル化するために, 音響モジュールに含まれる機能は, AC/DC モジュール, MEMS モジュール, または構造力学モジュールの機能と簡単に組み合わせて, 完全に結合されたマルチフィジックス FEM モデルを作成します. これには, スピーカードライバーの磁石とボイスコイル, またはコンデンサーマイクの静電力の詳細なモデリングが含まれます. 電気機械音響変換器システムでは, 集中回路モデルを使用して電気および機械部品を簡素化するのは簡単です. 両方のアプローチは, 完全な双方向結合で求解されます. モバイルデバイス, コンデンサーマイク, 補聴器受信機などの小型トランスデューサシステムには, 熱粘性境界層の損失による重要な減衰が含まれています. あらゆる種類の圧電トランスデューサをモデル化するための広範な機能もあります.

マイクロアコースティックス

小さな寸法の形状での音響伝播の正確な微小音響解析のために, 粘性と熱伝導に関連する損失を考慮する必要があります. 特に, 粘性境界層と熱境界層の損失. これらの効果は完全に求解され,音響モジュールを使用して熱粘性シミュレーションを実行すると自動的に含まれ, マイク, モバイルデバイス, 補聴器, MEMS デバイスなどの小型電気音響トランスデューサの振動音響モデリングに重要です. 詳細なトランスデューサモデリングには, 構造と熱粘性音響領域の間に組み込まれたマルチフィジックス結合を使用できます.

このソフトウェアは, 非常に低い周波数での断熱から等温への完全な遷移動作など, 追加の効果を考慮しています. マイクロスピーカーポートや穴の渦放出などの局所的な非線形効果は, 非線形支配項を追加することで時間領域でキャプチャできます. 狭い導波管とダクト内の伝搬モードと非伝搬モードを計算および識別するための専用機能もあります.

固体の弾性波と超音波

固体内の音の伝播は, 固体の形状と構造の小振幅の弾性振動によって発生します. これらの弾性波は, 通常の音波として周囲の流体に伝わります.

音響モジュールを使用して, 振動制御,非破壊検査 (NDT), 機械的フィードバックなどのシングルフィジックスまたはマルチフィジックスアプリケーション向けに, 固体および多孔質材料内の弾性波の伝播をモデル化できます. 応用分野は, マイクロメカニカルデバイスから地震波伝播まで多岐にわたります. 多くの波長を含む大きな領域での弾性波の伝播は, 高次の dG‐FEM 時間明示法を使用して求解され, 流体や圧電材料との結合が可能なマルチフィジックスです. 完全な構造ダイナミクスの定式化は,圧力波だけでなくせん断波の影響も考慮に入れています. ビオーの方程式を解く多孔質材料における弾性波と圧力波の連成伝播をモデル化できます.

 

流体中の超音波

人間には聞こえない周波数の音響障害は超音波として分類されます. これは, 超音波の波長が短いことを意味します. このために, 2つの方法で, 長距離にわたる流体内の音波の過渡伝搬を計算できます. バックグラウンドフローを含む波の伝搬のモデリング, または高出力非線形音響の効果のモデリングです.

対流波動方程式をモデル化することにより,定常バックグラウンドフローに多くの波長を含むシミュレーションで過渡線形音響を解くことができます. アプリケーションには流量計が含まれます. 排気システム; および生物医学的用途, 例えば, 超音波イメージングおよび高密度焦点式超音波 (HIFU).

高出力の非線形音響アプリケーションでは, 累積的な非線形効果が局所的な非線形効果を超える進行性の波の伝播現象をキャプチャできます. これには,衝撃の形成と伝播のモデリングが含まれます.

空力音響

音響モジュールでは, 分離された2段階のアプローチを使用して, 計算空力音響 (CAA) シミュレーションを効率的に実行できます. まず, CFD モジュール のツールまたはユーザー定義のフロープロファイルを使用してバックグラウンドの平均流を求め, 次に, 音響伝搬を解析します.

対流音響シミュレーションには, 線形化ナビエストークス, 線形化オイラー, 線形化ポテンシャル流空力音響シミュレーションなどの有限要素定式化が用意されています. 定常的な等温または非等温の平均流の存在下で, 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. 定式化では, 流れによる音響波の対流, 減衰, 反射, 回折を容易に考慮することができます. また, あらかじめ定義された弾性構造とのカップリングにより, 周波数領域でのFSI解析のための機能もあります.

過渡ラージエディシミュレーション (LES) CFD モデルからの入力にライトヒルの音響アナロジーを使用して空力音響流源を追加することにより, 流れによるノイズを圧力音響解析に含めることができます.

幾何音響学

音響モジュールの幾何音響機能を使用して, 音響波長が特徴的な幾何学的特徴よりも小さい高周波システムを評価できます. 利用可能な2つの方法があります: 光線音響と音響拡散.

光線音響の場合, 音響光線の軌道, 位相, および強度を計算できます. さらに,インパルス応答, エネルギー, レベル減衰曲線, および古典的な客観的な部屋の音響測定基準を計算できます. 光線は, 水中音響アプリケーションで必要な傾斜媒体を伝播する可能性があります. 空気と水の両方で光線音響をシミュレートするために, 長距離および高周波での波の伝播に重要な特殊な大気および海洋減衰材料モデルが利用可能です.

音響拡散の場合,結合された部屋の音圧レベルの分布と, さまざまな場所の残響時間を決定できます. 音響は, 音響エネルギー密度の拡散方程式を使用して簡略化された方法でモデル化されます. この方法は, 建物やその他の大きな構造物の内部をすばやく解析するのに適しています.

音響モジュールの特徴と機能

以下のセクションで, 音響モジュールの特徴と機能について詳しく説明します.

ルートノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにマフラーモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

組み込みのユーザーインターフェース

音響モジュールは, 上記のすべてのアプリケーション領域をカバーする組み込みのユーザーインターフェースを提供します. これらのインターフェースは, ドメイン方程式のセット, 境界条件, 初期条件, 事前定義されたメッシュ, ソルバー設定を使用した事前定義されたスタディ, および事前定義されたプロットと派生値を定義します. これらのステップはすべて, COMSOL Multiphysics® 環境内でアクセスされます. メッシュとソルバーの設定は, 手動編集のオプションを使用して, ソフトウェアによって自動的に処理されます.

音響モデルを構築するための COMSOL Multiphysics® ワークフローは, 他の物理インターフェースを使用してモデルを構築する場合と同じです. このように, 複数の物理学を1つの音響モデルに簡単に組み込むことができます. 音響モジュールには複数のマルチフィジックスインターフェースが組み込まれており, COMSOL 製品の他のアドオンモジュールと組み合わせるとアクセスできます.

圧力音響ノードの設定ウィンドウとグラフィックスウィンドウの頭部モデルのクローズアップ図.

圧力音響インターフェース

圧力音響をモデル化するために, 音圧がスカラー圧力変数で表される複数のユーザーインターフェースがあります. FEM に基づく汎用インターフェースには, 周波数領域と時間領域の両方で解く機能が含まれています. 過渡的な場合には, 非線形効果を含めることができ, ウェスターベルト方程式に基づいています.

大きな放射と散乱の問題を効率的に求解するために, 音響と構造の両方の有限要素ベースのインターフェースとシームレスに結合する周波数領域 BEM が利用可能です.

大規模な過渡モデルを効率的に解くために, 不連続ガラーキン有限要素法と時間明示ソルバーに基づく専用のユーザーインターフェースを利用できます. このインターフェースは, 弾性波と圧電波の対応する時間明示インターフェースに結合できます.

壁ノードが強調表示され, グラフィックウィンドウに潜水艦モデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

高周波圧力音響

周波数領域での迅速な高周波音響解析のために, 2つの高度に専門化されたインターフェースが利用可能です. これらのインターフェースは, Kirchhoff-Helmholtz 積分の計算に基づいており, 散乱解析用の1つのインターフェースと, 放射解析用の別のインターフェースが含まれています. このタイプの解析は, FEM または BEM に基づくより計算量の多い解析に進む前の最初のステップとして使用できます.

圧電材料ノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにアングルビームモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

弾性波インターフェース

音響モジュールには, 固体, 多孔質,および圧電材料における線形弾性波の伝播をモデル化するためのユーザーインターフェースが含まれています. これらのインターフェースは, 組み込みのマルチフィジックス結合のセットを使用して, 流体ドメインに容易に結合します.

弾性波インターフェースは, 完全な弾性力学を表現する機能を備えており, 周波数領域と時間領域の両方で固体の弾性波をモデル化するために使用できます. ポート境界条件は, 弾性導波路構造のさまざまな伝搬モードをモデル化して処理するために特別に実装されています.

多孔質弾性界面は, 多孔質材料の多孔質弾性波をモデル化するために使用されます. これらの波は,飽和流体の音圧変動と固体多孔質マトリックスの弾性変形との間の複雑な双方向の相互作用から生じます. 多孔質弾性インターフェースは, 周波数領域でビオーの方程式を解き, 岩石や土壌をモデル化するための粘性損失 (Biot) による損失メカニズムと, 空気中の吸音材料のための熱損失および粘性損失 (Biot–Allard) を含みます.

時間明示的な不連続ガラーキン定式化に基づく2つのインターフェースを使用して, 固体および圧電ドメインの線形弾性波をモデル化できます. これらのインターフェースは結合可能であり, 複数の波長を持つドメインを効率的にモデリングするのに適しています. さらに, これらのインターフェースは, 圧力音響用の時間明示インターフェースと組み合わせることができます.

グラフィックスウィンドウのモデルビルダーとヘルムホルツ共鳴器のクローズアップ図.

空力音響インターフェース

詳細な対流音響または流れによる騒音をモデル化するために, 周波数領域と時間領域の両方で多数の空力音響インターフェースを利用できます. これらのインターフェースは, バックグラウンド流体の流れと音場との一方向の相互作用をシミュレートするために使用されます. さまざまな物理的近似の下で支配方程式を解くさまざまな物理インターフェースがあります.

線形化されたナビエストークスインターフェースは, 圧力, 速度, および温度の音響変動を求解するために使用されます.

線形化されたオイラーインターフェースは, 理想気体の流れによって十分に近似される定常的なバックグラウンド平均流の存在下で, 密度, 速度, および圧力の音響変動を計算するために使用されます.

バックグラウンドフローが存在する場合に, 導波管およびダクト内の伝搬モードと非伝搬モードを計算するために, 特別な境界モードインターフェースを使用できます.

解析を簡略化するために, 線形化されたポテンシャル流のインターフェースを時間領域と周波数領域の両方で使用できます.

外部フィールド計算ノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにスピーカーモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

オープンドメインと放射線

無制限の計算ドメインをモデル化するには, 時間ドメインと周波数ドメインの両方で, いわゆる完全一致層 (PMLs) を使用して切り捨てることができます. 代替方法には, 放射境界条件または境界要素法インターフェースを使用してモデル化された外部ドメインの使用が含まれます.

有限要素ベースのインターフェースの場合, 外部フィールド計算機能を使用して, 計算領域外の任意の点の圧力を決定できます. 極座標, 2D, および3D プロットで外部フィールド (ニアフィールドおよびファーフィールド) の放射パターンを視覚化するための専用の結果と解析機能があります.

空力音響フローソースカップリングノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにタンデムシリンダーモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

流れに起因するノイズ

音響モジュールを CFD モジュールと組み合わせることにより,流れに起因する騒音をモデル化するためのハイブリッド空力音響 (CAA) 法にアクセスできます.

計算方法は, ライトヒルの音響アナロジー (波動方程式) の FEM 離散化に基づいています. この方程式の定式化により, 固体 (固定または振動) 境界が暗黙的に考慮されるようになります.

この機能は, CFD モジュールを使用した LES 流体シミュレーションを, 音響モジュールで利用可能な圧力音響用の空力音響フローソースに結合することに依存しています.

音響 BEM-FEM 境界ノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにスピーカーモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

有限要素法と境界要素法

音響モジュールのほとんどのユーザーインターフェースは, さまざまなバージョンの FEM に基づいています. BEM に基づくユーザーインターフェースも利用可能であり, FEM ベースのインターフェースとシームレスに組み合わせることができます. ハイブリッド FEM, BEM は, 振動構造を含む音響, 構造相互作用のモデリングに非常に効率的です.

ハイブリッド FEM, BEM のアプリケーションには, トランスデューサと, トランスデューサー (ピエゾまたは電磁) を FEM でモデル化し, 外部音響を BEM でモデル化する複雑な形状の放射シミュレーションが含まれます.

BEM ベースのインターフェースを使用して, FEM ベースの放射条件または PML, および FEM ベースの外部フィールド計算を置き換えることができます.

ポートノードが強調表示され, グラフィックウィンドウに角度の付いたダクトモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

圧力音響の境界条件とソース

硬い壁や音源を適用するための条件など, 圧力音響に利用できるさまざまな境界条件があります. 開いた境界をモデル化するための放射, 対称, 周期, およびポート条件があります. インピーダンス条件には, 人間の耳,人間の皮膚のさまざまな部分のモデル, 単純な RCL 回路モデルなどが含まれます. 境界モード解析にインターフェースを使用することにより, 導波管とダクトの断面における伝搬モードをスタディできます. 理想化された光源をモデル化するためのオプションには, 単極, 双極, および四重極の点光源の組み込みオプションが含まれます.

ペア音響構造境界ノードが強調表示され, グラフィックウィンドウにトランスデューサモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

音響, 構造相互作用インターフェース

音響と構造の相互作用のインターフェースは, 流体圧力が固体領域に負荷をかけ, 構造加速が流体と固体の境界を越えて流体領域に影響を与える現象に適用されます. これは, 振動音響としても知られています.

インターフェースには, 周波数または時間領域のいずれかで解く機能が含まれています. シミュレーションに含まれる固体は, 等方性, 異方性, 多孔性, または圧電性です.

構造力学モジュールと組み合わせることにより, カップリングの構造側に構造シェルまたは膜を追加で含めることができます.

マルチボディダイナミクスモジュールと組み合わせることで, さまざまなタイプのジョイントを介して接続された複数の可動リジッドまたはフレキシブルパーツの効果を含めることができます.

より高度なオプションについては, AC/DC モジュールまたは MEMS モジュールと組み合わせることにより, 電歪または磁歪の材料特性を持つ固体を含む, 電気力または磁力を含む流体と構造の相互作用を解析できます.

熱粘性音響モデルノードの設定ウィンドウのクローズアップビューとグラフィックスウィンドウの1D プロット.

熱粘性音響インターフェース

小さな寸法の形状の音響を正確にモデル化するには, 支配方程式に熱伝導効果と粘性損失を明示的に含める必要があります. この機能は, 圧力, 粒子速度, および音響温度振動の影響を同時にモデル化する熱粘性音響のインターフェースに含まれています.

壁の近くには, 粘性境界層と熱境界層があります. ここでは, 勾配が大きいため, せん断および熱伝導による粘性損失が重要になります. このため, 支配方程式に熱伝導効果と粘性損失を明示的に含める必要があります. 熱粘性音響は, たとえば, マイクロアコースティックとしても知られる, マイクやレシーバーなどの小さなトランスデューサの応答をモデル化するときに使用されます. インターフェースは, 周波数領域と時間領域の両方で解くために使用できます. 時間領域では,非線形効果もモデル化できます.

対流波動方程式モデルノードが強調表示され, グラフィックウィンドウに超音波流量計モデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

超音波および対流波動方程式のインターフェース

過渡線形超音波装置およびプロセスを解析するために, 対流波動方程式のユーザーインターフェースを使用できます. このインターフェースは, 静止したバックグラウンドフローに多くの波長を含む大きな過渡線形音響モデルを効率的に求解するために使用できます.

高振幅の非線形音響波の伝播をシミュレートするために, 非線形圧力音響のユーザーインターフェースを使用できます. このインターフェースには, 衝撃を捉えるための特別な機能が含まれています.

両方のインターフェースには, 効果的な非反射のような境界条件を設定するために使用される吸収層が含まれています. インターフェースは不連続ガラーキン法に基づいており, 計算効率の高い時間明示ソルバーを使用します.

A closeup view of a 1D plot and a music hall model in the Graphics window.

光線音響および拡散インターフェース

音響波長が特徴的な幾何学的特徴よりもはるかに小さい高周波限界でシミュレーションを実行する場合は, 光線音響用のユーザーインターフェースを使用できます. さらに, 迅速な解析のために, エネルギー有限要素としても知られる音響拡散方程式を解くためのユーザーインターフェースがあります.

どちらのユーザーインターフェースも, 部屋やコンサートホールの音響のモデリングに適しています. 光線音響インターフェースは, たとえば, 屋外または水中のシナリオでも使用できます.

光線音響インターフェースは, 音響光線の軌道, 位相, および強度を計算するために使用されます. これには, インパルス応答解析の機能が含まれており, レベル減衰曲線と, EDT, T 60 値などの計算された客観的な部屋の音響メトリックが表示されます.

狭領域音響ノードの設定ウィンドウのクローズアップ図とグラフィックスウィンドウの1D プロット.

音響損失と多孔質材料

損失を導入するよりおおよその方法は, 圧力音響インターフェースで利用可能な同等の流体モデルを使用することです. 均質化された方法で, これにより, さまざまな損失メカニズムを模倣する減衰特性がバルク流体に導入されます. 流体モデルには, バルク熱伝導, 大気 (空気) および海洋 (海水) での粘性と緩和による損失, および多孔質材料の減衰をシミュレートするためのモデルが含まれます.

圧力, 粒子速度, および音圧振動の影響を同時にモデル化する熱粘性音響インターフェースに加えて, 圧力音響インターフェースは, 熱粘性境界層の損失を考慮することもできます. 狭い領域の音響は, 一定の断面積の狭いダクトや導波管で使用できますが, 熱粘性境界層インピーダンス (BLI) 条件は, 境界層よりも大きい形状に適用できます.

該当する場合, 同等の流体モデルと均質化モデルは計算上非常に効率的です. ただし, より忠実度の高い多孔質材料の損失を表すために, 圧力音響と多孔質弾性波の伝播の効果を組み合わせることができます.

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