マフラーは排気系や暖房, 換気, 空調 (HVAC) 系に設置されることが多く, その主な機能は系から放出される騒音を減衰させることです. マフラーの音響減衰 (吸収と減衰) プロセスを正しく記述することは, これらの系を設計およびモデル化する際に重要です.
減衰効果のモデル化
減衰は一般に, 特定の周波数で音響エネルギーを閉じ込める共鳴, さまざまな多孔質およびファイバーライニング材料による音響エネルギーの吸収, および穿孔板 (穿孔板とも呼ばれます) での損失という3つのプロセスの組み合わせによって実現されます. COMSOL Multiphysics は, 多孔質材料の減衰と穿孔板の音響特性の両方をモデル化するための多数の手法を提供します.
COMSOL Multiphysics では, 多孔質領域に等価な流体モデルを追加するのは簡単です. 新しい圧力音響モデルを追加し, 多孔質材料を含む領域で有効化してから, 流体モデルを選択するだけです. “マクロ経験的多孔質モデル” は Delany-Bazley モデルと Miki モデルで構成され, “Biot 等価” モデルは剛性または柔軟な多孔質マトリックスフレーム構成の Johnson-Champoux-Allard (JCA) モデルです.
多くのモデリング手法と同様に, このタイプの解析では複数の詳細レベルが可能です. 系を非常に詳細にモデル化することができます. たとえば, 多孔板のすべての穴をモデル化します. このアプローチでは詳細な結果が得られるかもしれませんが, 計算コストのため実際には不可能な場合がよくあります. また, モデル削減の形式を選択することもできます. つまり, どの近似を使用してモデルを簡素化できるかを決定できます. たとえば, これは, 集中化 (剛性, 減衰, 質量などの特性を使用してモデルの一部を記述する), サブモデルの使用 (モデルの小さなセクションの詳細な分析の結果をより大きなモデルへの入力として使用する), または均質化 (不均質領域を特定の補償特性を持つ均質領域と見なす) の形式になります. たとえば, 多孔質材料の一般的なアプローチは, 波の伝播を均質化して記述し, 同等の流体モデルを使用して損失を分散することです. 同様に, 多孔板は, ほとんどの場合, 均質化伝達インピーダンスアプローチを使用してモデル化されます. このアプローチでは, 穴の存在による損失が, 穴が配置されている境界全体に分散されます.
モデリングタイプの実装
COMSOL Multiphysics でこれらのタイプのモデルを実装するには, 多数の流体モデルから1つを選択したり, 多孔板境界条件を使用したりといった組み込み機能の一部を使用できます. また, 好みの等価流体モデルを定義したり, 独自の伝達インピーダンスモデルを定義したり, COMSOL Multiphysics にインポートした測定データに基づいて材料特性を定義したりすることで, ニーズに応じてモデルをカスタマイズする柔軟性もあります.
このブログの冒頭で述べたように, マフラーを含む系を設計する際には, 減衰材と多孔板を適切に記述することが重要です. もちろん, マフラー以外のアプリケーション領域でも重要です. たとえば, 部屋の壁のライニングや吸音材 (吸音材と拡散材) をモデル化する場合や, 車内やスピーカー系の音響をモデル化する場合などです. どちらの場合も, ファイバー, フォーム, 多孔質材料などの材料を介した音の伝播をどのように処理およびモデル化するかを決定する必要があります.
多孔質吸音材
多孔質材料を含む系をシミュレートする場合, どのモデリングアプローチを採用するか, およびそのアプローチに基づいて材料をどのように記述するかを決定する必要があります. 多孔質およびファイバー質材料の減衰特性は, COMSOL Multiphysics の以下のいずれかの形式で含めることができます:
- 空気領域と多孔質材料の境界に表面インピーダンスを追加して, 多孔質領域 自体 はモデル化せず, その境界の影響のみをモデル化することができます. このインピーダンスは, たとえば, 解析モデルまたはインピーダンスチューブ測定からの測定データに基づくことができます.
- 多孔質領域は, 特定の減衰係数を持つ流体としてモデル化できます. これは周波数に依存する場合があり, 多くの場合は周波数に依存します. COMSOL Multiphysics では, 材料の減衰係数を直接入力できます. これは, 解析式として, または COMSOL Multiphysics にインポートした測定された材料特性データに基づく周波数依存関数として入力できます.
- 多孔質領域は, 同等の流体としてモデル化できます. つまり, 多孔質領域が減衰特性を持つ ”流体” として扱われる均質化モデルです. COMSOL Multiphysics には, よく知られている Delany-Bazley, Miki, Johnson-Champoux-Allard (JCA) モデルなど, 同等の流体モデルが多数含まれています.
- 最後に, 多孔質弾性波 インターフェースを使用して, Biot の理論で説明されている方程式に基づいて, 弾性多孔質マトリックスと飽和流体の相互作用の詳細なモデルを解くことができます. このインターフェースは, あらゆる多孔質材料をモデル化するために使用でき, 多孔質マトリックスの変位と飽和流体の圧力の両方を解きます.
上記のリストからのアプローチの選択は, 多孔質材料に使用できるデータと, 必要な詳細レベルによって異なります. すべてのケースでサブモデルアプローチを使用できることに注意してください. たとえば, 多孔質ライニングの詳細モデル を作成し, 表面インピーダンスを抽出して, そのインピーダンスを完全な系のモデルの境界条件として追加することができます.
多孔板
マフラー系に多孔板がある場合, 通常は多数の穴があり, それらすべてを詳細にモデル化することは一般的には適切ではありません. さらに, 音波の粘性減衰と熱減衰 (穴を通過するとき) を正しく得るには, 熱音響 インターフェースを使用して穴の音響をモデル化する必要がありますが, これによりモデルの計算の複雑さが増します. したがって, 最適なアプローチは, 伝達インピーダンス境界条件を使用して多孔板をモデル化することです. この境界条件は COMSOL Multiphysics で使用可能であり, プレートの厚さや穴の直径など, 穴の特定の特性に基づいています. たとえば, 熱音響インピーダンスランプモデル を使用した音響マフラーを参照してください. このモデルは, サブモデルアプローチの使用方法も示しています. ここでは, 単一の穴の詳細な熱音響モデルを使用して, 伝達インピーダンスを決定します.
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