COMSOL Multiphysics^® 5.6 リリースハイライト

音響モジュールアップデート

音響モジュールのユーザー向けに, COMSOL Multiphysics^® バージョン5.6には, 新しい非線形音響 (陽的時間発展) インターフェース, 弾性波伝搬のポート境界条件, および過渡熱粘性シミュレーションにおける非線形効果が装備されています. これらや, その他の音響アップデートについては以下をご覧ください.

非線形音響学, 高音圧レベルの陽的時間発展

新しい非線形音響 (陽的時間発展) インターフェースは, 流体中の有限振幅の高音圧レベルの非線形波をモデル化するために使用されます. 応用分野には, 超音波イメージングや高密度焦点式超音波 (HIFU) などの生物医学分野だけでなく, 高レベルの励起による非線形効果を伴う音響システムも含まれます. この方法は非常にメモリ効率が高く, 数百万の自由度 (DOF) の問題を求解できます.

このインターフェースはマルチフィジックス対応であり, 弾性波 (陽的時間発展) インターフェースと組み合わせて, 振動音響問題をモデル化することができます. 吸収層は, 効果的な非反射境界条件を設定するために使用されます. たとえば, 異なる組織や流体などの材料間の遷移をモデル化する場合, 材料の不連続性の一貫した処理が可能になります. このインターフェースは新しい Nonlinear Propagation of a Cylindrical Wave — Verification Model と High-Intensity Focused Ultrasound (HIFU) Propagation Through a Tissue Phantom のチュートリアルモデルで確認できます.

組織サンプルにおける集束超音波パルスの伝播のアニメーション. メッシュが描かれ, 適応メッシュ細分化がどのように集束信号の正しい解像度を保証するかを示しています (暗い領域は非常に細かいメッシュを持っています). メッシュは必要な場合にのみ更新されます.

弾性波伝搬のポート境界条件

固体力学インターフェースで利用可能な新しいポート境界条件は, 固体導波管構造に出入りする弾性波を励起および吸収するように設計されています. 特定のポート条件は, 1つの特定の伝搬モードをサポートします. 同じ境界上で複数のポート条件を組み合わせると, 伝播する波の混合物, たとえば, 縦モード, ねじれモード、および横モードの一貫した処理が可能になります. いくつかのポート条件を組み合わせた設定により, たとえば, 完全整合層 (PML) 構成または低反射境界機能に対する導波路の優れた非反射条件が可能です. ポート条件はSパラメーター (散乱パラメーター) 計算をサポートしますが, 系を励起 するためのソースとしても使用できます. 反射波と透過波のパワーはポスト処理で利用できます. 伝搬モードを計算および識別するために, 境界モード解析スタディをポート条件と組み合わせて使用できます. この機能は新しい Mechanical Multiport System: Elastic Wave Propagation in a Small Aluminum Plate チュートリアルモデルで使われています.

ミニチュアサウンドポート, 穿孔, グリル用の非線形熱粘性音響

非線形熱粘性音響寄与機能により, 過渡熱粘性シミュレーションで非線形効果をモデル化するために, 熱粘性音響, 過渡インターフェースに必要なものが追加されます. これにより, 穿孔, グリル, またはミニチュアサウンドポートなどの突然の拡張時に発生する可能性のある渦放出のモデリングが可能になります. 音場によって生成される渦 放出または分離は, 一般に, 高次の高調波を生成することにより, 系の測定された応答に歪みをもたらします. 2次密度表現オプションを使用すると, この機能により, 状態方程式 (圧力, 密度, および温度の関係) の非線形表現を必要とする高音圧レベルに関連する非線形効果を得ることができます. 安定化が熱粘性音響インターフェースに追加されました. これは, 非線形の熱粘性音響寄与機能を使用して高度に非線形な問題を求解する場合に不可欠です. この新機能は Nonlinear Slit Resonator チュートリアルモデルで使われています.

非線形熱粘性音響機能の重要なアプリケーションは, スマートフォンなどのマイクロスピーカーポートでの渦放出 (局所的な高粒子速度) による歪みをモデル化することです. 大きな振幅の圧力波が小さな狭いスリットと相互作用するときに渦放出を示す音響速度 (左) と温度 (右) の摂動.

圧力音響における集中ポート境界条件

圧力音響, 周波数領域インターフェースの新しい集中ポート境界条件は, 導波管またはダクトの入口/出口の端を集中表現で外部系に接続します. これは, 電気回路 (AC/DC モジュールを使用), 伝送行列を介して定義された2ポートネットワーク, または導波管の集中定数となります. 集中定数系を説明し, 系を励起するために, いくつかの表示とソースがあります. 集中ポート表示を使用する場合, 平面波のみが音響導波管内を伝搬すると想定されます. この条件により, たとえば, トランスデューサーまたはサブシステムが集中定数モデルを介して記述される電気音響モデルの設定が簡素化されます. これは, イアフォンや補聴器に統合されたミニチュアスピーカーをモデル化する場合, またはスマートスピーカーシステムでマイクとそのインレットをモデル化する場合に発生します. この新機能は, 次の2つの更新されたモデルで確認できます:

• lumped_receiver_with_full_vibroacoustic_coupling
• lumped_receiver_connected_to_test_setup_with_a_0.4_-_cc_coupler

大規模音響モデル用のより強力な境界要素法 (BEM)

音響的に大きなモデル,つまり多くの波長 (高周波または大きなドメイン) を含むモデルの場合, 新しい安定化定式化オプションを有効にして, ある程度の自由度を犠牲にして, 効率的な収束を保証できます. 中小規模の問題の場合は, デフォルトの定式化を使用する必要があります. 安定化された定式化が有効になると, 新しい専用の推奨ソルバーが使用されます. 例として, 新しい安定化された定式化が約 800 Hz以上に収束する必要がある新しい潜水艦のターゲット強度モデルについて考えてみます. 下の画像に示すように, 5 kHz でモデルを解くことも可能です (クラスターのファットノードで160 GBの RAM を使用して5時間でモデルを解きました). これは, 37波長の24倍の約210倍のモデルサイズに相当します.

より効率的な半空間および無限バッフルモデリング

圧力音響, 境界要素インターフェースに, 新しい除外境界機能が追加されました. これを使用して, BEMモデルから境界を除外できます. これは, 半空間または無限のバッフル設定で圧力音響, 境界要素インターフェースを使用する場合に特に便利です. この場合, 対称/無限音ハードウォールの反対側のすべての境界を除外する必要があります. このアプローチは Piezoelectric Tonpilz Transducer with a Prestressed Bolt チュートリアルモデルで使われています.

熱力学から生成された湿った空気材料

忠実度が高く詳細な絶対値音響シミュレーションでは, 大気圧, 周囲温度, 相対湿度の関数としての湿潤空気の材料特性を知る必要があります. 熱力学ノードの湿潤空気用に事前定義された系を使用して, 湿潤空気を定義できるようになりました. この機能は, 新しい液体&気体特性モジュールで使用できます. 1つのアプリケーションは, マイクロフォンの相反性キャリブレーションの手順で使用される音響伝達インピーダンスの予測です. これは Pressure Reciprocity Calibration Coupler with Detailed Moist Air Material Properties チュートリアルモデルで示されています.

熱粘性境界層インピーダンス境界条件

圧力音響 (周波数領域) インターフェースでは, 新しい熱粘性境界層インピーダンス境界条件により, 壁の音響境界層での熱および粘性散逸による損失が追加されます. この状態は, 単にBLIモデルと呼ばれることもあります. 損失は局所的に均質化された方法で含まれ, 境界層を介して分析的に統合されます. この条件は, 境界層が重なっていな い場合に適用されます. 処方が異なるため, 非常に狭い導波路 (境界層の厚さに匹敵する寸法) や高度に湾曲した境界には適用できません. それ以外は, ジオメトリの形状に制限はありません. この方法は, 完全な熱粘性定式化 (条件が満たされている場合) と比較した場合に正確であり, 計算量がはるかに少なくなります. 熱粘性境界層インピー ダンス境界条件は, 狭領域音響機能に匹敵する, 圧力音響のエンジニアリングツールを表します. アプリケーションはメタマテリアルの分野にあり. 物理的に正しい結果を得るために熱粘性損失を効率的に含める必要がありますが, モバイルデバイスや測定機器をモデル化する場合の一般的な微小音響にも適用されます. この新機能は, 以下の更新されたチュートリアルモデルで確認できます. :

• ear_canal_acoustics
• piezoelectric_mems_speaker

陽的時間発展インターフェースのパフォーマンス向上

不連続 Galerkin 定式化 (dG-FEM) を使用する陽的時間発展フィジックスインターフェースで, さまざまなパフォーマンスが向上しました. 圧力音響 (対流波動方程式), 弾性波 (陽的時間発展) インターフェースを使用して3Dモデルを解くと, 一般に最大30％のスピードアップが得られます. 例として, Ultrasound Flowmeter with Generic Time-of-Flight Configuration では, 同じ標準ワークステーションハードウェアでバージョン5.5の53分4秒と比較して, COMSOL Multiphysics^® バージョン5.6では35分12秒で求解できるようになりました. 圧力音響の再定式化, 2Dおよび2D軸対称の陽的時間発展インターフェースにより, 求解される自由度 (DOF) の数が最大25％削減されます. これは, メモリ使用量と実行時間の同様の削減につながります. 陽的時間発展 dG-FEM 法が拡張され, すべてのメッシュタイプで機能するようになりました. これにより, 薄い弾性構造で構造化メッシュを使用できるようになります. 一般に, 構造化メッシュを使用すると, メモリの削減と高速化の両方が実現します. これは Ground Motion After Seismic Event: Scattering off a Small Mountain チュートリアルモデルで見ることができます. ここでは3角形の代わりに4変形メッシュが使われています.

陽的時間発展インターフェースと ODE との組み合わせ

陽的時間発展インターフェースは, 常微分方程式 (ODE) の系と 組み合わせて解くことができるようになりました. これは, たとえば, 音響におけるユーザー定義の周波数依存インピーダンス境界条件を定式化するために使用できます. 周波数依存性は, 適切な ODE システムによって近似されす. ODE を使った別の便利なアプリケーションは速度場を時間積分して, 弾性波 (陽的時間発展) インターフェースで計算された変位をポスト処理することです. これは Isotropic-Anisotropic Sample: Elastic Wave Propagation チュートリアルモデルで見ることができます. さらに, 陽的時間発展インターフェースは, 代数方程式 (時間微分のない方程式) と組み合わせて解くことができるようになりました.

軸対称弾性波インターフェースと応力, ひずみ, およびエネルギー変数

弾性波 (陽的時間発展) インターフェースが 2D 軸対称定式化として利用できるようになりました. この例は Propagation of Seismic Waves Through Earth チュートリアルに見られます. 追加のポスト処理変数も陽的時間発展インターフェースに追加されました. 弾性波, 応力とひずみ変数の体積部分と偏差部分, 応力とひずみの不変量, エネルギー密度とエネルギー流束変数もこのインターフェースに含まれます.

光線音響用のより高速で使いやすいインパルス応答

音線音響インターフェースでは, インパルス応答のレンダリングと計 算時間が大幅に改善されました. インパルス応答を設定する手順は, より単純で一貫性があります. 計算されたインパルス応答に基づいて, 明瞭度, 定義, 残響時間などの定性的な室内音響メトリックを分析お よび計算できます. これは, インパルス応答プロットに追加できる新 しいエネルギー減衰サブ機能を使用して行われます. さらに, 計算さ れたインパルス応答信号を波形オーディオファイル形式 (.wav) に エクスポートして, さらに分析することができます. フィルタカーネ ルの機能は, フィルタカーネルのユーザー指定の定義やフィルタの視 覚化など, インパルス応答計算用に改善されました.

パフォーマンスの向上の例として, Small Concert Hall Acoustics チュートリアルモデル (20,000本の音線と6オクターブバンドを使用) でのインパルス応答のレンダリングが, COMSOL Multiphysics^® バージョン5.5の8分から, 同じ標準ワークステーションハードウェアとモデル設定のベストプラクティスを使用して, 1分10秒, ほぼ8分の1に短縮されました. 多数の音線を解く場合, スピードアップはさらに重要になります. レンダリングの高速化に加えて, インパルス応答モデルの求解時間は, バージョン5.5の4分40秒からバージョン5.6の3分30秒に短縮されました. インパルス応答プロットの音線データは, キャッシュストレージを使用するようになりました. これにより, インパルス応答プロットのオプションを変更する際のレンダリング時間が短縮されます. プロットが処理されると, 最初の実行時に, FFT, フィルターオプションの変更, または新しいエネルギー減衰サブ機能を使用したエネルギー減衰の分析などのポスト処理操作がほぼ瞬時に実行されます.

インパルス応答解析に関して重要な改善と, エネルギー減衰サブ 機能という新機能もあります. ソースまたは最後の反射がレシーバーに近い場合, レシーバーへの到着時間がより正確に計算できるようになりました. これにより直接音の一貫した到着時間計算と全パワー計算が可能になりました. 新しい機能を最大限に活用するには, 以前のバージョンで構築されたモデルを手動で更新する必要があります. エネルギー減衰サブ機能を使用するときに使用できる新しい定性的な室内音響計量は, 残響時間 (T20, T30, および T60), クラリティ, 定義, EDT, 音声伝達指数 (STI), および変調伝達関数です.

.WAVファイル形式へのエクスポート

すべての 1D プロットを.wavファイル形式にエクスポートできるよう になりました, これは、過渡シミュレーションまたは音線音響シミュ レーションのインパルス応答からの音響結果に特に役立ちます. ファ イルを聞くか, 外部のサウンド分析ツールでさらに分析するために使 用します. 例として, RPM が増加するときの電気モーターのノイズを 以下で再生できます. この例は新しい Electric Motor Noise: Analysis of a Permanent Magnet Synchronous Motor チュートリアルモデルで見ることができます.

音響ポート条件のニュース

数値 (平面波) オプションが熱粘性音響 (周波数領域) モデルのポート機能で使用される場合, 隣接する導波管境界に適用される境界条件を自動的に検出するようになりました. 伝播する音響モードのモード形状を計算するときに, 条件が自動的に含まれます. これにより, ポートの物理的に一貫したモード形状が保証されます. 数値 (平面波) オプ ションは, 壁, 滑りなし, 等温, 断熱, および対称条件の使用をサポートします. 数値ポートを使用する設定のデフォルトソルバーを生成するときに, ソルバーが自動的に構成されるようになりました.

圧力音響学では, 無損失系の数値モードのモード形状とカットオフ周波数を計算するための新しいオプションが追加されました. 損失のないモデルの場合, 新しい計算された無損失モードのカットオフ周波数オプションにより, ポートごとに1つの境界モード解析スタディを使用して周波数スイープを実行できます. 圧力音響, 周波数領域, 熱粘性音響, 周波数領域のポート機能に, モード形状にパワースケーリングを使用するオプションが追加されました. デフォルトでは, 振幅スケーリングを使用します. パワースケーリングオプションを使用すると, 計算された散乱パラメーターを特定のモードで伝送されるパワーに直接関連付けることができます.

ポート境界条件の事前定義された電力変数は, 最適化モデルで直接使用できるように再定式化されています. 例については Shape Optimization of an Acoustic Demultiplexer のチュートリアルモデルの形状最適化を参照してください.

ポロアコースティックスにおける新しい3パラメーター近似 JCAL のポロアコースティックモデル

新しい3パラメーター近似 JCAL モデルオプションが, 圧力音響 (周波数領域) インターフェースの多孔質音響機能に追加されました. このモデルは, 既存の Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL) モデルの近似ですが, 指定する必要があるのは3つの多孔質パラメーターのみです. 3つのパラメーターは, ポロシティ, 孔サイズの中央値, および孔サイズ分布の標準偏差です. したがって, モデルは多孔質マトリックスを定義するために必要な入力が少なく, モデルの入力は平均化された孔トポロジ特性に依存します.

改善された線形化ナビエ・ストークス方程式の安定化

線形化ナビエ・ストークス物理インターフェースの安定化は, より一貫性のある定式化で改善されました. 具体的には, 連続性, 運動量, およびエネルギー方程式の安定化の間のバランスが改善されました. これは Helmholtz Resonator with Flow: Interaction of Flow and Acoustics のチュートリアルモデルで示されています. 新しいバージョンでは結果がよりスムーズになります.

領域分割法とシフテッドラプラス法の推奨ソルバー

純粋な圧力音響, 周波数領域モデルの場合, 2つの新しい推奨反復ソルバーが追加されました. 1つはシフテッドラプラスアプローチを使用し, もう1つは領域分割を使用します. 推奨反復ソルバーは, ソルバーの効率を確保するために, ドメイン上およびドメイン間の内部境界で必要な方程式を自動的に追加するようになりました. シフテッドラプラスソルバーは, RAM の多い単一のマシンで大きなモデルを解くのに効率的ですが, 領域分割法は, クラスターで分散計算を使用して非常に大きな問題を解くのに適しています. この新機能は Car Cabin Acoustics - Frequency Domain Analysis のチュートリアルモデルで使われています.

固体力学による過渡弾性波問題を求解するための新しい設定

固体力学インターフェースに新しい設定が導入され, 時間領域で弾性波の問題を求解するときに, 正確で効率的なソルバーの設定が保証されます. 設定は, 過渡音響インターフェースの既存の設定と同様です. 固体力学インターフェースノードに, 求解する最大周波数を指定するオプションを備えた新しい過渡ソルバー設定セクションが導入されました. これは, ソースの励起の最大周波数成分, または励起できる最大固有モード周波数である必要があります. 自動生成された推奨ソルバーには, 波動伝搬に適切なソルバー法を使用し, 時間と空間の両方で適切な解像度を確保する設定があります.

より高速でより正確な光線レンダリング

光線追跡プロットをレンダリングする場合, 新しい設定を使用して, 解データの出力時間ステップに対応していなくても, ジオメトリ 内の面と光線の全ての交点を正確にレンダリングすることができま す. 全ての光線の全ての交点を面と完全にレンダリングするために, 従来の実装では光線数の2乗に比例してスケーリングしていましたが, 新しいバージョンでは光線数に比例してスケーリングし, 光線の数が非常に多い場合に大幅なスピードアップにつながります. これは, 光線と球, 半球, または平面との交点の計算にも当てはまります.

新しいコーンベースの光線出射: 3D のフラットコーン

3Dモデルで光線の円錐を出射するときに, 光線ファンまたはフラットコーンを定義することを選択できるようになりました. 平らにした光線の円錐を任意の平面に配置するように方向付けることができます. さらに, 他のいくつかの円錐光線放出機能は, 横方向を選択する際の柔軟性を高めます. つまり円錐分布での光線の正確な配置をより細かく制御できるようになったということです.

スプリングとダンパーの接続ポイント

すべての構造力学インターフェースで, スプリングダンパーと呼ばれる新機能が追加され, 2点をスプリングやダンパーで接続します. ポイントは幾何学的なポイントにすることができますが, たとえば, アタッチメントを使用したり, 剛体に直接接続したりすることで, 抽象的にすることもできます. ばねは, 2つの点の間の線に沿って力が作用する物理的なものか, 2つの点のすべての並進および回転の自由度を接続する完全なマトリックスによって記述されるもののいずれかです. この機能により, 2つの異なるフィジックスインターフェースのポイント間にスプリングを接続することもできます.

パイプ音響のより柔軟なライセンシング

パイプ音響, 周波数領域およびパイプ音響, 過渡インターフェースが, パイプフローモジュールまたは音響モジュールのいずれかで使用できるようになりました.

音響モジュールの追加の重要な機能強化と更新

• 異方性音響の有効音速と主方向について, 事前定義されたポスト処理変数が利用できるようになりました.
• 散乱場定式化の強度変数が計算されるようになりました：背景場, 散乱場, および全場変数.
• 音響拡散方程式インターフェースでは, 周波数帯域の特性を定義するテーブルをインポートする際の使いやすさが改善されました.
• 背景流体流れカップリングマルチフィジックス機能は, 流れデータのソースとして高マッハ数流れインターフェースをサポートするようになりました.

新規および更新されたチュートリアルモデルとアプリケーション

COMSOL Multiphysics^® バージョン5.6は, いくつかの新しく更新されたチュートリアルモデルとアプリケーションが音響モジュールに加わりました.