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6.0は, 新しい圧電波 (陽的時間発展) マルチフィジックスインターフェース, 圧力音響用のフィジックス制御メッシュ機能, および流れに起因するノイズが解析できるようになりました. これらのアップデートなどについては以下をお読みください.

圧電波 (陽的時間発展) マルチフィジックスインターフェース

圧電波 (陽的時間発展) マルチフィジックスインターフェースでは, 時間領域で圧電材料の波の伝播現象をモデル化するための新しい機能にアクセスできます. 直接圧電効果と逆圧電効果の両方をモデル化でき, 圧電結合はひずみ電荷または応力電荷の形式を使用して定式化できます. 新しいインターフェースは, 新しい圧電効果 (陽的時間発展) マルチフィジックスカップリングを使用して, 弾性波 (陽的時間発展) インターフェースと静電インターフェースを連成します.

このインターフェースは不連続ガラーキン (dG または dG-FEM) 法に基づいており, 陽的時間発展ソルバーを使用します. 方程式系の静電部分は古典的な有限要素法 (FEM)で解かれる代数連立方程式を介して, すべての時間ステップで解かれます. これにより数百万自由度を持つ非常に大きなモデルを解くことができる非常に計算効率の高いハイブリッド手法が保証されます. この方法はクラスター構成での分散計算に最適です. この新しいインターフェースは更新された Ultrasonic Flowmeter with Piezoelectric Transducers および Angle Beam Nondestructive Testing のチュートリアルモデルで使われています.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Piezoelectric Material node highlighted, the corresponding Settings window, and two Graphics windows.
傾斜ビーム非破壊テスト (NDT) 設定における圧電波 (陽的時間発展) の適用.

圧力音響用フィジックス制御メッシュ

フィジックス制御されたメッシュ機能が圧力音響 (周波数領域) および 圧力音響 (過渡) インターフェースで使用できるようになりました. 生成されるメッシュは適切な数のメッシュ要素を確保するための波の分解に関するベストプラクティスに従います. さらに完全一致層 (PML) は構造化メッシュでメッシュ化され, 周期的条件はコピーメッシュ操作を使用し, 単一の境界層メッシュは外部場計算に使用されます.

周波数領域の場合, 最大周波数がスタディから自動的に取得されます. 時間領域の場合, 最大周波数は物理設定から取得され, メッシュの一貫した空間解像度とソルバーの時間ステップの時間解像度が保証されます. 他のすべての音響インターフェース, および固体力学の場合, PML と周期的条件のみが処理されます. 新しいフィジックス制御メッシュが適用可能なすべてのチュートリアルモデルが更新されました.

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圧力音響 (周波数領域) でのフィジックス制御メッシュ. ドメインメッシュ, PMLの構造化メッシュ, および境界層メッシュが自動的に生成されます.

流体ノイズの導入

ハイブリッド計算空力音響 (CAA) 法は, 流れに起因する騒音をモデル化するために導入されました. これは, 乱流源と音響方程式の間の一方向のカップリングに基づいています. この方法は, 音場から流れ場への逆カップリングが存在しないことを前提としています. 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, 固定または振動する可能性のある固体境界が暗黙的に考慮されるようになります. ライトヒルアナロジーと, より単純な空力音響波動方程式 (AWE) アナロジーの2つの流れ誘起ノイズオプションが利用可能です.

新しい機能は, CFDモジュールによるラージエディシミュレーション (LES) 流体流れモデルが, 圧力音響 (周波数領域) の空力音響流れソースドメイン機能と連成することに依存しています. 連成は空力音響流れソースカップリングマルチフィジックスカップリングと専用の過渡マッピングスタディを使用して実現されます.

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複数のインターフェースと機能を含むユーザーインターフェース: 圧力音響 (周波数領域) の空力音響流れソース機能, 過渡マッピング, FFT スタディステップ, および周波数ドメインスタディ. このモデルはタンデムシリンダーベンチマーク問題のシミュレーションです.

二つの新しい高周波圧力音響フィジックスインターフェース

高周波の仮定に依存し, キルヒホッフ・ヘルムホルツ積分に基づく, 2つの新しいフィジックスインターフェースが利用可能です. 最初の圧力音響 (漸近散乱) インターフェースは散乱のモデリング専用であり, もう1つの圧力音響 (キルヒホッフ・ヘルムホルツ) は主に放射のモデリング専用です.

圧力音響 (漸近散乱)

圧力音響 (漸近散乱) インターフェースは, 高周波での散乱をモデル化するために使用されます. 散乱場を解析的に表現できるように, 音場は局所的に平面であると想定されます. 散乱物体の表面は, 表面の法線インピーダンス, 反射係数, または吸収係数を定義することにより, 完全に反射する, または吸収特性を持つものとして扱うことができます. 後者の2つは 入射角に依存する場合があります. このインターフェースは球面波と平面波の散乱をモデル化できます. このインターフェースには, 単純な角度の考慮とより高度なヘミキューブ法の両方を使用して, 可視性係数を計算する機能が組み込まれています. この機能はSubmarine High-Frequency Asymptotic Scatteringチュートリアルモデルに使われています.

圧力音響 (キルヒホッフ・ヘルムホルツ)

圧力音響 (キルヒホッフ・ヘルムホルツ) インターフェースは高周波での放射をモデル化します. 音響場は局所的に平面であると想定されます. この手法は高周波 BEM または単に HFB とも呼ばれます. この方法は, 周囲の流体をモデル化する必要なしに, 高周波で振動する構造から放射される音場を計算するためによく使用されます. この方法は流体の音響波長が構造および構造モードよりも小さい限り有効です. 平らな振動面の場合, この方法はレイリー積分の計算になります. ユーザー定義のオプションを使用すると, 圧力とその通常の勾配の両方を定義するための完全なキルヒホッフ・ヘルムホルツ積分定式化にアクセスできます.

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潜水艦の船体からの高周波散乱をモデル化するために使用される圧力音響 (漸近散乱) インターフェース. 船体の長さは60mで, ここで調査した周波数は2kHzです. 求解とレンダリング時間はわずか数分です.

圧力音響のための新しい領域分割法

領域分割 (シュヴァルツ) 法を使用して, 大規模な圧力音響 (ヘルムホルツ問題) を求解できるようになりました. この方法では, 非重複シュア法で使用されるのと同じ内部重複境界の吸収境界条件とともに使用します. この方法の利点は, マルチグリッドを領域ソルバーとして使用でき, 領域分割法に粗いグリッドが必要ないことです.

集中スピーカー境界および内部集中スピーカー境界

多くの電気音響アプリケーションでは, 集中定数 Thiele–Small 表現と有限要素法を組み合わせることで, スピーカーを効率的にモデル化できます. モーターの電磁部品は電子回路インターフェースでモデル化され, 音響部分は圧力音響 (周波数領域) インターフェースで求解されます. このアプローチは, スピーカーの振動板の振動がピストンの動きによって説明できることを前提としており, マイクロスピーカーにとって特に重要です. 内部集中スピーカー境界にはダイアフラムの両側の空気の影響が含まれています. 集中スピーカー境界には, インピーダンスを介した背面ボリュームのコンプライアンスを含めるオプションがあります. この新しい機能はLumped Loudspeaker Driver および Headphone on an Artificial Ear チュートリアルモデルで使われています.

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人工耳チュートリアルモデルのヘッドホンでの内部集中スピーカー境界の使用. スピーカーの表面は集中電気音響表現を含む電気回路にシームレスに結合されています.

外部場計算のセクター対称オプション

外部場機能が拡張され, セクター対称のモデルを処理するための新しいオプションが追加されました. 2つのオプションが既存の対称面機能を拡張します. セクター対称オプションと, 対称面付きセクター対称オプションです. 後者は無限のバッフルに配置されたスピーカードライバーをモデル化するときに特に重要です. 外部場の解析は高度なセクター対称モデルの方位角モード番号で拡張することもできます.

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60度のスピーカーセクターで使用される外部場計算機能. 新しいオプション対称面付きセクター対称により, セクター対称性を持つ無限バッフルジオメトリとの組み合わせシミュレーションが可能になります.

新しい外部場変数による最適化

3Dの形状最適化やトポロジー最適化などの勾配ベースの最適化問題で, 新しい外部場変数を使用できるようになりました. 最適化の目的は, 外部場で評価される変数として定義できるようになりました. たとえば, 放射パターンや軸外応答の値を定義します. この変数は, 外部場計算機能の対称面オプションにのみ存在します. 新しい変数は既存の外部場変数に\ _optを追加して定義されます. 圧力の演算子は pext_opt(x,y,z)であり, 音圧レベルの演算子は Lp_pext_opt(x,y,z)です. この新しい更新は Shape Optimization of a Rectangular Loudspeaker Horn in 3Dチュートリアルモデルで使われています.

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音圧レベルの事前定義された変数はこの最適化問題の目的関数式で使用されます.

磁気力学マルチフィジックスインターフェース

連成された磁気的および機械的効果を解析するための2つの新しいフィジックスインターフェース, 磁気力学および磁気力学 (電流なし) が追加されました. 典型的なアプリケーションは, 磁場が固体に変形を誘発する場合, または逆に, 移動する構造が磁場を変化させる場合です. たとえば, これは変圧器のハミングの物理的な説明です. 新しいインターフェースは新しい磁気機械力マルチフィジックスカップリングに依存しています. このカップリングはバランス電機子トランスデューサーなどの特定のタイプの音響トランスデューサーをモデル化する場合に特に重要です. この新しい機能には AC/DC モジュールが必要です. Balanced Armature Receiver a Miniature Loudspeaker チュートリアルモデルで使われています.

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磁気機械力マルチフィジックスカップリングを使用したバランス電機子トランスデューサーのマルチフィジックスモデル.

完全整合境界 (PMB) 輻射条件

新しい完全整合境界機能は, たとえばジオメトリモデルのレイヤーとしてドメインを定義する必要なしに, 輻射条件の形式で開放境界に適用される PML です. この条件は, COMSOL Multiphysics® の追加次元機能を使用して PML 定式化を自動的に適用します. これにより原則として任意の凸形状を持つことができるため, 放射境界の要件も簡素化されます. 減衰方向を制御するので, さまざまなオプションを使用できます. 新しい境界条件は, 関連するすべての空間次元の圧力音響 (周波数領域) インターフェースで使用できます. この新機能は次のチュートリアルモデルで表示できます:

線形化オイラー (境界モード) フィジックスインターフェース

線形化オイラー (境界モード) インターフェースは, 理想気体の流れによく近似された静止背景平均流の存在下で, 導波管とダクトの伝播モードと非伝播モードを計算および識別するために使用されます. インターフェースは導波管の境界, 入口, または断面に対して固有モード解析を実行します.

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線形化オイラー (境界モード) インターフェースを使用してジェットエンジンジオメトリで計算された伝播モード.

線形化ナビエ・ストークス (境界モード) フィジックスインターフェース

線形化ナビエ・ストークス (境界モード) インターフェースは, 静止した等温または非等温の背景平均流が存在する場合に, 導波管およびダクト内の伝播モードと非伝播モードを計算および識別するために使用されます. 導波管の境界, 入口, または断面に対して固有モード解析を実行します. インターフェースは, すべての熱および粘性損失の影響と, 背景流れとの相互作用を考慮します. これには必要に応じて音響境界層の損失が含まれます.

線形化オイラーおよび線形化ナビエ・ストークスの面外および境界モード解析

線形化オイラーインターフェースと線形化ナビエ・ストークスインターフェースの両方で, オプションの面外波数と円周方向波数をそれぞれ 2D および 2D 軸対称で追加できるようになりました. 同じ空間次元でモード解析スタディを使用して, これらのタイプのフィジックスインターフェースのいわゆる2.5Dシミュレーションを設定できるようになりました.

弾性波 (陽的時間発展) の変位計算ポスト処理機能

変位計算と呼ばれる新しいポスト処理機能が弾性波 (陽的時間発展) フィジックスインターフェースに追加されました. この機能により, 一連の補助 ODE を解くことにより, ポイント, エッジに沿った, 境界上, またはドメイン内の変位を最適に計算できます. 新しい機能は弾性波 (陽的時間発展) モデル, または圧電材料モデルなどの材料モデルにサブ機能として追加されます. この機能は結果に影響を与えませんが, ポスト処理にのみ使用され, 変位の可視化とポスト処理に使用できるフィールド変数を生成します. この機能は追加の方程式を追加して解くため, 余分な計算リソースが必要です. この新機能はIsotropic-Anisotropic Sample: Elastic Wave Propagation チュートリアルモデルで使われています.

非線形圧力音響 (陽的時間発展) の最小最大圧力ポスト処理機能

最小最大圧力計算と呼ばれる新しい後処理機能が非線形圧力音響 (陽的時間発展) インターフェースに追加されました. この機能はドメイン内または境界上の時間と空間にわたる最大圧力と最小圧力を計算します. nate.p \ _min と nate.p \ _max の2つの変数が自動的に作成され, ポスト処理で使用して, たとえば焦点ゾーンのサイズを評価できます. この機能はHigh-Intensity Focused Ultrasound (HIFU) Propagation Through a Tissue Phantom チュートリアルモデルで使われています.

振動音響シミュレーションのペアマルチフィジックスカップリング

アセンブリ内の音響ドメインとソリッドドメインを結合するために, 2つの新しいマルチフィジックスカップリングが音響モジュールに追加されました. これはペア条件として実装され, アセンブリ内の2つのドメイン間のインターフェースで不適合メッシュを使用できるようにします. 最初のタイプのマルチフィジックスカップリングであるペア音響-構造境界は, 圧力音響 (周波数領域), または圧力音響 (過渡) インターフェースと固体力学インターフェースを連成するためのアセンブリで使用されます. 2番目のタイプのマルチフィジックスカップリングであるペア熱粘性音響-構造境界は, 熱粘性音響 (周波数領域), または熱粘性音響 (過渡) インターフェースと固体力学インターフェースを連成するためのアセンブリで使用されます. このカップリングは, 時間領域でのより効率的な計算のためにペナルティ定式化を使用します. これらの新しいカップリングはModeling Piezoelectric Devices as Both Transmitters and Receivers チュートリアルモデルで使われています.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Pair Acoustic-Structure Boundary node highlighted, the corresponding Settings window, and two Graphics windows.
圧電チュートリアルモデルで使われた新しいペア音響-構造境界. 非適合メッシュが圧電-流体界面で使われています.

熱粘性音響の重要なアップデート

熱粘性音響モデリングにいくつかの新しい機能が導入され, 機能が改善されました.

  • ポートを使用の際, スリップ, 断熱, または導波管ではないモデルを処理するために, 新しい平面波オプションを使用できます. 以前のバージョンで使用可能だった導波モードの名前は Numeric (0,0)-modeおよび Circular (0,0)-modeのように更新されました.
  • すべての熱粘性インターフェースで使用されるデフォルトの離散化がラグランジュ要素からセレンディピティ要素に変更されました. これにより, 構造化メッシュを使用するモデルを解くときにパフォーマンスが大幅に向上します.
  • 非線形熱粘性音響寄与を使用してモデルを解く場合, ソルバー設定が改善されます. 設定は非線形性の高い問題にとって特に重要です. COMSOL Multiphysics® バージョン5.6モデルでこれらの新しい設定を使用するには, ソルバーをデフォルト設定にリセットする必要があります.
  • 曲面の場合の熱粘性音響と構造力学のカップリングが節点拘束タイプの使用によって改善されました.
  • 境界層メッシュ機能に, 新しい厚み指定オプション (全レイヤー) が追加されました. これにより熱粘性音響境界層全体にまたがるメッシュの設定が容易になります.
  • 非線形熱粘性音響寄与機能で密度近似が2次に設定されている場合, 熱力学系機能を使用して空気材料 (湿潤または乾燥) を指定することで材料特性が自動的に評価されるようになりました.
  • 熱粘性音響 (周波数領域) インターフェースで, 2D 軸対称モデルのオプションの円周方向波数を追加できるようになりました. これにより複雑な伝搬パターンの高度な2.5D分析が可能になります.

次のモデルがこれらの機能をデモしています:

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穿孔の伝達インピーダンス計算のための熱粘性音響の平面波ポートオプション.

音線音響

指向性出射

音線音響インターフェースでは, 新しい指向性ソースノードを使用して, ユーザー定義の空間指向性関数に基づいて, 初期強度またはパワーで音線の分布を出射できるようになりました. これは音線音響シミュレーションでスピーカーソースを定義するときに特に重要です.

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部屋音響シミュレーション中の指向性ソースからの出射.

外部場計算からの出射

新しい外部場計算からの出射ノードを使用して, 前のスタディにおける外部場計算機能に基づいた強度と位相分布の音線を出射できます. これにより近接場へのメッシュベースの解とはるかに長い距離での音線追跡シミュレーションを組み合わせたマルチスケール音響シミュレーションが容易になります. この機能は Ultrasonic Car Parking Sensor チュートリアルモデルで使われています.

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計算された放射パターンを備えた超音波駐車センサー. 近接場で超音波トランスデューサーによって出射された外部場と, それに続く音線音響シミュレーションを示しています. 近接場有限要素解析に基づく外部場計算を使用して, 音線の強度と位相を初期化できます.

ファイルより音線座標をロードする際の変換

データファイルよりロードノードを使用してファイルから音線出射位置をロードする際に, 初期座標に変換を適用できるようになりました. 拡張 (スケーリング), 回転, および平行移動の任意の組み合わせを使用できます. 最初の音線の方向もファイルからロードする場合は, オプションで位置と方向の両方に同じ回転を適用できます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Release from Data File node highlighted, the corresponding Settings window, and a speaker model in the Graphics window.
データファイルから出射機能のインスタンスは, スピーカーから出射された音線の分布を移動, 回転, およびスケーリングするために使用されます.

新しい減衰モデル

ソフトウェアのバージョン6.0では, 音線がシミュレーションドメインを伝播するときに, 音線強度パワーがどのように減衰するかを制御する減衰係数を定義する4つの異なる方法があります. 圧力振幅減衰係数または強度振幅減衰係数のいずれかを1メートルあたりのネパーで指定できます. または, 振幅減衰係数を単位長さあたりのデシベルまたは波長あたりのデシベルで入力することもできます. 減衰係数のこれらの定義はすべて, ジオメトリの外側のボイド領域での減衰のモデリングにも使用できます.

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ドメイン中の音線強度とパワーの減衰設定.

非ローカルカップリングの簡易名

音線音響インターフェースは, モデル内の音線の式の合計, 平均, 最大, または最小を計算するためのカップリングを定義します. バージョン6.0ではこれらのカップリングの名前が簡略化され, 使いやすくなっています.

次の表が新しいカップリングの旧新名を示します.

カップリング 旧名 新名
音線和 rac.racop1(expr) rac.sum(expr)
全音線和 rac.racop_all1(expr) rac.sum_all(expr)
音線平均 rac.racaveop1(expr) rac.ave(expr)
全音線平均 rac.racaveop_all1(expr) rac.ave_all(expr)
音線最大 rac.racmaxop1(expr) rac.max(expr)
全音線最大 rac.racmaxop_all1(expr) rac.max_all(expr)
音線最小 rac.racminop1(expr) rac.min(expr)
全音線最小 rac.racminop_all1(expr) rac.min_all(expr)
音線最大での評価 rac.racmaxop1(expr, evalExpr) rac.max(expr, evalExpr)
全音線最大での評価 rac.racmaxop_all1(expr, evalExpr) rac.max_all(expr, evalExpr)
音線最小での評価 rac.racminop1(expr, evalExpr) rac.min(expr, evalExpr)
全音線最大での評価 rac.racminop_all1(expr, evalExpr) rac.min_all(expr, evalExpr)

旧名はバージョン6.0 でも使用できますが, 既存のモデルを更新する必要はありません.

ねじりの軸対称

固体力学インターフェースでは, 2D 軸対称で円周方向の変形を含めることができるようになりました. これを有効にするには, フィジックス​​インターフェースの軸対称近似セクションで円周方向の変位を含めるチェックボックスをオンにします. このオプションを使用すると, たとえば, 計算効率の高い方法で軸対称構造のねじれをモデル化することができます.

新しいダンピングモデル

力学材料モデルに新しいダンピングモデルが追加されました:

  • 波の減衰モデルは本質的に粘性モデルですが, 材料内の弾性波の減衰の測定データによって与えられたパラメータを使用します. これは弾性波の線形弾性材料で使用できます.
  • 最大損失係数モデルは, 主に, 損失係数の表現が周波数領域で適切な説明を提供する材料の時間領域解析を目的としています. この減衰モデルは粘性減衰をサポートするすべての材料モデルで使用できます.
  • 圧電材料機能には機械ダンピングの最大損失係数に加えて, 誘電損失の新しい周波数領域減衰モデルである複素誘電率があります.
  • 電荷保存性 (圧電性) においてデバイとマルチポールデバイの2つの新しい分散モデル, デバイおよびマルチポールデバイを追加できるようになりました.

音響のポスト処理ニュース

ポスト処理と可視化では新しいバージョンの次のニュースがあります:

  • 音線音響インターフェースで使用されるインパルス応答プロット機能に, 新しい離散フーリエ変換 (DFT), および移動平均オプションが追加されました.
  • 他のオプションでプロット情報セクションが有効になっている場合, 新しい情報セクションがプロットに使用できます. 新しいセクションにはプロット時間が表示されます. これは, 音線音響モデルまたは新しいキルヒホッフ・ヘルムホルツベースの高周波インターフェースを使用するモデルで重要になる場合があります.
  • オクターブバンドプロットで, 数量プロットが, 連続パワースペクトル密度, バンドパワー, またはバンド平均パワースペクトル密度として選択できるようになりました.
  • レベル減衰の動作が通常から逸脱した場合の警告メッセージがエネルギー減衰サブ機能に追加されました.
  • 新しい ThermalWave カラーテーブルが利用可能であり, 熱粘性音響, および線形化ナビエ・ストークスインターフェースの温度変化プロットの新しいデフォルトとして使用されます.
  • 新しい Wave および WaveLight カラーテーブルが追加され, 音圧を表すすべてのプロットのデフォルトとして使用されます.
  • 大きなサーフェスプロットの高速生成. これはPropagation of Seismic Waves Through Earth チュートリアルモデルで見ることができます.
  • レシーバーデータセットのプレビューの高速化.

A 2D plot showing the acoustic temperature fluctuations in the Thermal Wave color table.
新しいThermalWaveカラーテーブルは非線形熱粘性音響シミュレーションでの音響温度変動を表すために使用されます.

音響モジュールにおける他の重要な強化とアップデート

  • dG-FEMベースの陽的時間発展インターフェースの減衰の定式化が改善されました. 新しい処方は, より安定化し, より正確で, より高性能です.
  • 熱粘性音響モデルでの集中円形近似の処理が改善されました. これは狭領域音響および内部穿孔プレートに適用されます.
  • マッピングスタディによって実行されるマッピングの堅牢性が, 背景場流体流れカップリングマルチフィジックス機能と組み合わせて改善されました. これは, インポートされたジオメトリを持つモデル, および曲線境界にCFD境界層メッシュがあるモデルで特に顕著です.
  • 圧縮性ポテンシャル流れフィジックスインターフェースがPMLドメインに適用できるようになりました. これにより, 線形化ポテンシャル流れインターフェースでの後続の解析のための背景流れの設定が簡素化されます.

新規および更新されたチュートリアルモデル

COMSOL Multiphysics® バージョン6.0 ではいくつかの新規および更新されたチュートリアルモデルがあります.