Acoustics Module

音響と振動解析

Acoustics Module

セダンの内部の音響シミュレーションを示しています。スピーカー位置における音源も示されています。

音響と振動分析を新しいレベルへ

音響モジュールは、音響波を作成、計測、使用するデバイスを操作する専門家向けに設計されています。アプリケーションはスピーカ、マイク、補聴器、ソナー装置などの分野を含みます。防音は、マフラ設計、防音壁、音響アプリケーションの構築の中で取り組まれます。

既存製品と新製品の洞察力アップへ

使いやすいユーザインタフェースでは、空気、水や他の流体中の音圧波動伝播のモデリングツールを提供しています。熱音響専用モデリングツールにより、小型アンテナと携帯端末のマイクのシミュレーションは極めて正確に実装可能です。固体、圧電材料、多孔質弾性構造の振動や弾性波のモデリングも可能になります。 音響-個体、音響-シェル、圧電-音響のマルチフィジックスインタフェースによって、音響シミュレーションの新たなレベルの予測力に達することが出来ます。

1D, 2D, 3Dの実際のシミュレーションを活用して、今までよりも短時間で、既存の製品を最適化し、新しい製品を設計可能です。以前の経験を基に対処することが難しい問題に直面している、設計者、研究者、エンジニアはシミュレーションを使用することで問題の洞察力を高めることができます。製品を製造する前に設計テストを行うことは、企業にとって時間と費用の削減につながります。

事例紹介

  • マフラシステムの音圧レベル分配 マフラシステムの音圧レベル分配
  • This simulation of a concert hall uses ray acoustics to determine the sound pressure around the stage. This simulation of a concert hall uses ray acoustics to determine the sound pressure around the stage.
  • tonpilz圧電トランスデューサ(音声きのこ)は、比較的、低い周波数で高出力の音響トランスデューサです。トランスデューサは、頭部と底部の質量の大きい材料の間にスタックされ、中央のボルトにより与圧を受けている圧電セラミックリングから成り立っています。頭部と底部に結合されている質量により、デバイスの共振周波数が低くなります。  tonpilz圧電トランスデューサ(音声きのこ)は、比較的、低い周波数で高出力の音響トランスデューサです。トランスデューサは、頭部と底部の質量の大きい材料の間にスタックされ、中央のボルトにより与圧を受けている圧電セラミックリングから成り立っています。頭部と底部に結合されている質量により、デバイスの共振周波数が低くなります。 
  • 粒子フィルターシステム内の多孔質弾性波と音響。ディーゼル粒子フィルター(DPSs)は、ディーゼルエンジン車両の排気管から煤煙(ディーゼル粒子)を除去あるいはフィルタをかけるように設計されています。粒子フィルターの主な機能は、排気をフィルターにかけることですが、マフラシステムに関連している音響減衰にも関わっています。   粒子フィルターシステム内の多孔質弾性波と音響。ディーゼル粒子フィルター(DPSs)は、ディーゼルエンジン車両の排気管から煤煙(ディーゼル粒子)を除去あるいはフィルタをかけるように設計されています。粒子フィルターの主な機能は、排気をフィルターにかけることですが、マフラシステムに関連している音響減衰にも関わっています。  
  • Brüel & Kjær 4134コンデンサーマイクロフォンのモデリングです。ジオメトリと材料パラメータは、実際のマイクロフォンのパラメータです。モデリングされた感度レベルは、実際のマイク上でのパフォーマンス解析と比較され、それはよい一致を示します。膜変形、圧力、速度そして電界もまた決められます。モデリングは、高品質なBrüel & Kjær Sound & Vibration Measurement, Nærum, Denmarkを提供しました。

    Brüel & Kjær 4134コンデンサーマイクロフォンのモデリングです。ジオメトリと材料パラメータは、実際のマイクロフォンのパラメータです。モデリングされた感度レベルは、実際のマイク上でのパフォーマンス解析と比較され、それはよい一致を示します。膜変形、圧力、速度そして電界もまた決められます。モデリングは、高品質なBrüel & Kjær Sound & Vibration Measurement, Nærum, Denmarkを提供しました。

  • 車内の音圧の等密度面が可視化されます。ユーザは、音響モジュールに含まれる Inventor®ユーザインタフェースから、LiveLink™ for Inventor® を使用して、COMSOL機能に直接アクセスすることが出来ます。 車内の音圧の等密度面が可視化されます。ユーザは、音響モジュールに含まれる Inventor®ユーザインタフェースから、LiveLink for Inventor® を使用して、COMSOL機能に直接アクセスすることが出来ます。

多種多様な音響アプリケーションのモデリング

音響モジュールは、一連のフィジックスインタフェース-連成モデリングとシミュレーションツールを含むユーザインタフェースから成り立っています。音響モジュール内では、これらは、音圧、音響-構造連成、空力音響、熱音響で構成されています。

音圧のフィジックスインタフェースを含む音響シミュレーションでは、音の散乱-回折-放出-放射-伝播のような典型的な解析も容易に実装することが可能です。これらの解析では、マフラの設計、大型スピーカーの建造、アブソーバとディフューザの遮音、音響指向性パターン評価、騒音放射問題などに関連した解析をモデリング可能です。音響-構造連成用のフィジックスインタフェースでは、弾性波、流体で伝わる音との連成やそのストラクチャを含む解析のモデリングも実装できます。例えば、音響-構造連成は、自動車産業における、マフラ設計、超音波圧電素子、ソナー技術、そして機械のノイズと振動の解析などに使用されます。このCOMSOLマルチフィジックスの機能により、大型スピーカー、センサ、マイクやレシーバーなどの電気音響トランスデューサの解析、設計が可能です。

空力音響用のフィジックスインタフェースは、外部流と音響場、つまり流体で生じるノイズの一方向の連成モデルとして使用します。ジェットエンジンノイズ解析からウィンドセンサシミュレーションまでの範囲をアプリケーションではカバーしています。熱音響用フィジックスインタフェースでは、小規模なジオメトリサイズを含むシステムを正確にモデリングできます。これらには、携帯電話や補聴器産業、MEMSアプリケーション、そして身の回りにある全てのトランスデューサ設計に関するものまでが含まれています。

Multiphysics Couplings

Completely integrated in the COMSOL Multiphysics® environment, the Acoustics Module can be combined with other modules for a wider range of multiphysics simulations. Such is the case for the multiphysics interfaces for acoustic-shell interaction and thermoacoustic-shell interaction, which are available when combining the Acoustics Module with the Structural Mechanics Module. Similarly, physics interfaces for pipe acoustics are available when combining the Acoustics Module with the Pipe Flow Module.

Multiphysics couplings and predefined multiphysics interfaces are set up in COMSOL Multiphysics by introducing a Multiphysics node. For example, coupling the physics describing pressure acoustics in a fluid domain to the physics describing structural mechanics in a surrounding solid is achieved in COMSOL Multiphysics by adding an Acoustics interface and a Solid Mechanics interface separately and then coupling them at the boundary using the relevant coupling under the multiphysics node. This functionality makes it possible to decouple or one-way couple the two contributing physics, as well as giving full control over all functionalities in the Acoustics and Solid Mechanics interfaces.

Among the many multiphysics couplings available are the Acoustic-Structure Boundary, the Aeroacoustic-Structure Boundary, and the Thermoacoustic-Structure Boundary multiphysics interfaces. These all couple a fluid domain to a structure that includes a solid, an external or internal shell, or a membrane. Also available are the Acoustic-Thermoacoustic Boundary, Acoustic-Porous Boundary, and Porous-Structure Boundary multiphysics interfaces, while the Piezoelectric Effect multiphysics interface connects a Solid Mechanics interface and an Electrostatics interface for modeling piezoelectric materials. All multiphysics models are fully coupled by default, while one-way coupling and dissociating the couplings can be achieved by manipulating the Multiphysics node.

着実なワークフロー

音響モジュールは、COMSOL製品群中の他のアドオンモジュール同様、同じワークフローを確実に行います。全てのモデリングステップは、 COMSOL Desktop® からアクセスし、ジオメトリの定義、材料の選定、適切なフィジックスインタフェースの選択、境界の定義、そして条件の初期化の実装を行うと、自動的に有限要素メッシュを作成、解析が行われ、結果が可視化されます。音響モジュールのシミュレーションでは、音響-シェル連成はStructural Mechanics Moduleようなプリセット連成により、もしくは、ユーザ定義の連成により、他のCOMSOL製品との連成が可能な限り実装できます。ジオメトリサイズ、音響伝達などを最適化するために、Optimization Module、音響モジュールとの連成が可能です。

CAD、 MATLAB®、および Excel®と音響モジュールの連成

繰り返し行われるモデリングタスクとして、LiveLink for MATLAB®使用することで、MATLAB®スクリプト、機能と共に、COMSOLシミュレーションは実装可能になります。 COMSOL Desktop® 上で使用可能な、いかなる操作もMATLAB コマンドを介してアクセスが可能になります。COMSOL コマンドをMATLAB環境で、既存のMATLABコードと共に使用することもできます。スプレッドシートから音響シミュレーションを実装する場合、LiveLink for Excel® を使用すると、COMSOL環境内で定義されたパラメータとスプレッドシートデータの同期化をCOMSOL Desktop® 上で実装可能となり大変便利です。CADシステムを構築しているThe CAD Import ModuleとLiveLink 製品は、CADモデルを使用して音響シミュレーションの実装が容易になります。 LiveLink 製品により、パラメーターのCADモデルをネイティブな環境内で維持し続ける事が可能ですが、COMSOL マルチフィジックスからのジオメトリサイズ管理は、引き続き可能です。音響モデルとCAD製品を連成させることにより、複数のモデルパラメータとパラメータスイープを同時に実装することができます。

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柔軟でロバストな音響モデリング

音響モジュールの方程式は、最先端ソルバと結合した高次要素離散化を含んだ有限要素法を使用して解析されます。異なる定式化では、周波数-時間領域シミュレーションの両方をカバーします。その結果は、音響場-変位場、音圧レベル、応力と歪みのプリセットプロットなどを通してグラフィックウィンドウにて表示されます。表形式他の形で自由に定義した物理量も表示できます。  

音響損失を含むシミュレーション

音響モジュールには、防音材料のモデリングから、大型スピーカー、マイク、そしてマフラにいたるまでのアプリケーション例を多数含んだモデル数豊富なライブラリが搭載されています。防音のシミュレーション方法は、これらの例の中でも数多く示されています。音響モジュールの防音モデルのカバー範囲は、繊維性材料の実験に基づいた等価ー流体モデルから、多孔質弾性波インタフェース内におけるビオの法則の解法、そして熱音響インタフェースを使用した本格的な熱と粘性損失モデルまで様々です。

使いやすい音響解析用フィジックスインタフェース

音圧

音圧のフィジックスインタフェースは、スカラー音圧場を通じて音響場を定義、解析します。その音圧場は、定常な雰囲気圧に対しての音響変化(もしくは過剰圧力)を表します。流れが無い場合では、この雰囲気圧は、完全に静圧です。フィジックスインタフェースが解析可能なのは、Helmholtzの方程式が解析される周波数領域の中および、古典的波動方程式が解析された過渡システムとしての両方です。音響境界モード用の特別なフィジックスインタフェースは、ある波形、つまりあるモードのみが長距離を伝播可能だという事象に基づき、導波管内やダクト内の伝播モード解析に使用されます。

広範囲な境界条件に対応可能で、ハードウォール、インピーダンス条件、放射、対称性および、開境界モデリング同様、応用ソースが条件のモデリングの周期的条件などが含まれます。インタフェースに関しては、液体モデリングと複数の点で類似し、多孔質物質、繊維質物質の音響伝播同様、粘性および伝熱性のある流体のような、より複雑なメディアの中でおこる音響伝播の動作に似ています。完全整合層(PMLs)は、外に出て行く音響波の吸収により 計算領域を調整することが可能で、それにより、広範囲に拡張されたドメインを模擬したことになります。最後に、計算領域外の圧力を決める時には、遠距離特性が使用されます。専用の結果-分析能力により、2D、3D内の極性プロットを伴った遠距離場の可視化が可能になります。

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音響-構造連成

流体-固体界面において、音響‐構造連成インタフェースは固体領域に影響を及ぼす流体圧を処理し、構造の加速度は液体領域に影響を及ぼします。インタフェースは、3D‐2D、そして2D軸対称形状モデル内の周波数および時間領域の音響-固体、音響-シェル、音響-圧電連成をカバーします。音響モジュールと構造力学モジュール の連成時、構造シェルを含むインタフェースが実装可能になります。同時により高度な構造モデリングへのアクセスも可能です。音響-圧電連成インタフェースには、極めて高い正確性を持つ音響-構造連成シミュレーションと共に、圧電材料の電場モデリングと解析サポートが含まれています。AC/DC モジュールもしくは MEMSモジュールが連成される時、SPICE電気回路を含む圧電シミュレーションも連成可能になります。例えば、トランスデューサの特定部分解析のために集中型モデルを使用する場合や、完全な有限要素の記述を使用する場合に素晴らしい機能性を発揮します。このモデルは、完全連成です。

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パイプ-音響インタフェース(パイプ流れモジュールと共に提供可能)は、フレキシブルなパイプシステム内の音波伝播の1Dモデリングに使用されます。方程式は、定常バックグラウンド流を扱える追加されたパイプ・ウォール・コンプライアンスの影響を含む一般的な方法で公式化されます。弾性波インタフェースは、せん断波や圧力波の影響全てを含む完全な構造力学方程式を搭載しています。多孔質弾性波インタフェースでは、多孔質材料内の音響伝播を正確にモデリングすることが可能です。これには、Biotの法則を使用し、固体母材の変形と飽和液体内の圧力波の間での両方向の連成も含まれます。

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Geometrical Acoustics

The Geometrical Acoustics branch includes the Ray Acoustics and the Acoustic Diffusion Equation physics interfaces. The physics in both interfaces are valid in the high-frequency limit where the acoustic wavelength is smaller than the characteristic geometric features. This is at frequencies above the Schroeder frequency for rooms. Both interfaces are suited for modeling acoustics in rooms and buildings like concert halls. The Acoustic Diffusion Equation is restricted to indoor applications whereas the Ray Acoustics interface can be used, for example, in ocean acoustics and atmosphere acoustics. The acoustic properties at boundaries are included through different models for the absorption.

The Ray Acoustics physics interface is used to compute the trajectories, phase, and intensity of acoustic rays. Ray acoustics is valid in the high-frequency limit where the acoustic wavelength is smaller than the characteristic geometric features. The interface can be used to model acoustics in rooms, concert halls, schools, office buildings, and many outdoor environments. The properties of the media in which the rays propagate can change continuously within domains (graded media) or discontinuously at boundaries. At exterior boundaries, it is possible to assign a variety of wall conditions, including combinations of specular and diffuse reflection. Impedance and absorption can depend on the frequency, intensity, and direction of incident rays. Transmission and reflection are also modeled at material discontinuities. A background velocity may also be assigned to any medium.

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The Acoustic Diffusion Equation interface solves a diffusion equation for the acoustic energy density. It is applicable for high-frequency acoustics where the acoustic fields are diffuse. The diffusion properties are dependent on both the room geometry and absorption properties of walls, room fittings (uses average volumetric absorption based on average cross-section and attenuation), and volumetric attenuation (viscous and thermal in large volumes only). The interface is well suited for quick assessment of sound pressure level distribution inside buildings and other large structures.

The Acoustic Diffusion Equation interface can be used to determine the reverberation times at different locations. This can be done either by performing a transient analysis and looking at the energy decay curve, or by performing an eigenvalue analysis. Inputs for all sources, absorption parameters, and transmission losses can be determined using one of the bands, provided in the module. Using these input types and a parametric sweep over the studied band, the user can easily plot and analyze the model results to express results in these bands.

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空力音響

音響場が含まれたバックグラウンド流体流れの一方向連成(流体騒音と呼ばれる)は、流体流れのポテンシャル方程式と音響方程式がベースとなる流体力学および音響現象の連成によりモデリングが可能です。空力音響学ベースのインタフェースは、周波数ドメインと過渡ドメインの両方にある音響場を含む定常バックグラウンド流れの連成をモデリングします。圧縮性ポテンシャル流のインタフェースでは、元々、無回転であり、渦度が無い非粘性で圧縮性の流体をモデリングします。流れインタフェースが含まれる空力音響学では、周波数ドメイン内、もしくは、過渡電流システムとして連成された音響とポテンシャル流の問題点がモデリングされます。境界モード音響インタフェースでは、バックグラウンド流体における境界モード音響問題の解析に使用されます。

流体で生じる音用の音響モジュールの主なツールは、線形化オイラーフィジックスインタフェースです。用途は、所定の平均バックグラウンド流での圧力、速度、密度に対する音響変化の計算です。これらのインタフェースでは、バックグラウンド流が理想気体 (あるいは理想気体に近い) で、熱損失または粘性損失がないという前提で、エネルギー方程式などの線形化オイラー方程式を解きます。線形化オイラーフィジックスインタフェースは、時間領域、周波数領域、固有周波数の調査に利用できます。線形化オイラー方程式を使用した空力音響学の適用例としては、ジェットエンジン騒音の伝搬の解析、非等温流が存在するマフラーの減衰特性のモデル化、気体流量計の調査があります。これらはすべて、気体バックグラウンド流によって流体中の音波の伝搬に影響が生じる場合です。

流体-電位に基づいた定式化、線形化ポテンシャル流フィジックスインタフェースも周波数領域と過渡領域.の両方で利用できるので、一方向連成を簡略化できます。圧縮性ポテンシャル流インタフェースは、そもそも非回転性なため渦度がない非粘性の圧縮性流体の平均バックグラウンド流のモデル化に使用します。境界モード音響インタフェースの使用目的は、バックグラウンド流場の境界モード音響問題の調査であり、通常、入口の音響源を指定するのに利用します。

熱音響

音響モジュールでは、熱音響用の最先端モデリング機能(粘性熱もしくは、熱粘性音響として知られている)を提供します。小規模なジオメトリ音響の正確なシミュレーションを実装する上で大変重要になります。著しい損失が生じる粘性‐熱的境界層を作成する時、壁の近辺、粘性、伝熱は重要になります。そのため、支配方程式内の伝熱の影響と粘性損失を考慮することは、必要不可欠です。熱音響用フィジックスインタフェースは、線形化圧縮性流れ方程式の解析のために使用されます。線形化されたNavier-Stokesと同時に連続性があるエネルギー方程式となります。熱音響のモデリングには詳細な説明が必要になるため、全てのフィジックスインタフェース、音圧、粒子速度ベクター、そして音響熱変動は同時に解析されます。  

熱音響フィジックスインタフェースにおいて支配方程式は、 時間調和式として実装され、また周波数ドメイン内で解析されます。力学境界と熱的境界の両方が使用可能です。熱音響ドメインと音圧ドメインの連成では、定義済み境界コンディションを容易に使用することが可能です。熱的音響-固体連成インタフェースも使用することができます。振動音響との連成の解析も容易に行うことができます。例えば、これを使用して、小規模の電気音響トランスデューサやMEMS装置における減衰をモデリング可能です。定義済み境界条件は、固体-液体ドメインの間に存在します。熱音響-シェル連成インタフェースは、小規模サイズのシェルと音響間との相互作用をモデリングします。これは、補聴器内のシェルの減衰振動の解析とフィードバック問題解決のために活用されます。

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Metamaterials Make Physics Seem Like Magic

Wind Turbine Noise Reduction

Optimizing Ultrasound Piezo-disk Transducers

Muffler with Perforates

Sedan Interior Acoustics

Flow Duct

Focused Ultrasound Induced Heating in Tissue Phantom

Absorptive Muffler

Acoustic Transmission Loss through Periodic Elastic Structures

Surface Acoustic Wave Gas Sensor

Probe Tube Microphone

Test Bench Car Interior