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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 6.1 は, 音響ストリーミングをシミュレートする機能を提供し, 陽的時間発展ソルバーを使用して対流音響に流体の流れの影響を含めることを可能にし, 熱粘性音響のための集中スピーカー境界条件を導入しました. これらのアップデートと詳細については, 以下をお読みください.
音響ストリーミング
音響ストリーミング, つまり, 音場によって引き起こされる流体の流れは, 粒子処理, 流体の混合, マイクロ流体ポンプなどのアプリケーション向けのマイクロフルイディクスおよびラボオンチップシステムで重要です. バージョン 6.1 の新しい音響ストリーミング機能は, 流れ場を生成するために音響場が流体に誘発する力, 応力, 境界すべり速度を計算します.
音響ストリーミングシミュレーション用の新しいマルチフィジックスインターフェースが2つあります. 圧力音響からの音響ストリーミングと熱粘性音響からの音響ストリーミングです. これらのインターフェースのいずれかを追加すると, 2つのマルチフィジックスカップリング (音響ストリーミングドメインカップリングと音響ストリーミング境界カップリング) が自動的に作成され, 周波数ドメインの音響場と定常または時間依存の流体の流れが連成されます. これらの新しいマルチフィジックス機能は, 次のチュートリアルモデルで確認できます:
- アプリケーションライブラリタイトル: acoustic_microfluidic_pump
- アプリケーションライブラリタイトル: acoustic_streaming_microchannel_cross_section
- アプリケーションライブラリよりダウンロード: 3D Acoustic Trap and Thermoacoustic Streaming in Glass Capillary
- アプリケーションライブラリよりダウンロード: Opto-Acoustophoretic Effect in an Acoustofluidic Trap
粒子は放射力によって音響トラップ内を移動し, ガラス毛細管内を流れます. ここでは, 小さな粒子の動きは粘性抗力によって支配されます.
対流音響-構造相互作用 (陽的時間発展) のための定常背景流れ
新しい機能により, 陽的時間定式化を使用して, 大規模な過渡モデルの対流音響-構造相互作用 (静止した背景流が存在する場合の振動音響) をモデル化できます. この目的のために, 2つの新しいマルチフィジックスカップリング, 対流音響-構造境界 (陽的時間発展), ペア対流音響-構造境界 (陽的時間発展) があります. これらは, 対流波動方程式 (陽的時間発展) インターフェースを弾性波 (陽的時間発展) インターフェースと連成します. 条件は, 流体ドメインと固体ドメインの間の境界 (またはペア選択) に追加されます. 一般的なアプリケーションは, Ultrasonic Flowmeter with Piezoelectric Transducers に見られるように, 流量計システムのモデル化です.
超音波流量計の対称面での音響信号の伝搬. このモデルには, 圧電トランスデューサー, 対応する背面層, および背景流れを備えた完全に連成されたフィジックス設定が含まれています.
熱粘性音響の集中スピーカー境界
集中スピーカー境界と内部集中スピーカー境界機能が, 周波数領域と時間領域の熱粘性音響で利用できるようになりました. これにより, 圧力音響インターフェースの既存の境界条件が完成し, 拡張されます. これらの境界条件を使用すると, 熱粘性音響におけるハイブリッド集中有限要素法 (FEM) 表現を使用して, マイクロスピーカーの設定とモデル化が容易になります. 集中表現を使うと, 意図した周波数範囲外で発生するブレークアップ効果のため, 多くの場合, マイクロトランスデューサのより広い周波数範囲にわたって正確です. 時間領域では, 非線形効果は, CMS(x), BL(x), または RMS(v) などの大信号パラメーターを通じて考慮されます.
熱粘性音響の集中ポート
集中ポート機能が熱粘性音響 (周波数領域) インターフェースに追加されました. この機能は, 導波管またはダクトの入口または出口を集中表現要素に接続します. これは, 電気回路インターフェース (集中電気音響表現), 伝達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表現のいずれかです. 要約すると, それは導波管の端を, 特定の音響集中表現を持つ外部システムと結合します. 集中ポート表現を使用する場合, 平面圧力波 ((0,0) モード) のみが音響導波管内を伝播すると仮定されます. この条件により, 導波路内の熱粘性境界層を含む数学的および物理的に一貫した結合が保証されます.
熱粘性-熱弾性マルチフィジックスカップリング
新しい機能により, ダンピングのより詳細な記述を含めることで, MEMS デバイスの振動応答を正確にモデル化できます. 熱弾性と結合した熱粘性音響をモデル化するための2つの新しいマルチフィジックスインターフェース (周波数領域と時間領域) があります. 熱粘性音響-熱弾性相互作用 (周波数領域) インターフェースと熱粘性音響-熱弾性相互作用, 過渡インターフェースです. いずれかのインターフェースを追加すると, モデルには熱粘性音響, 固体力学, 伝熱 (固体) インターフェースが含まれ, 熱弾性マルチフィジックス連成と新しい熱粘性音響-熱弾性境界マルチフィジックス連成も含まれます. 新しいマルチフィジックスインターフェースは, 固体ドメインの変位および温度場を, 流体ドメインの圧力, 速度, および温度の音響変動と結合します. この定式化は, すべての場の摂動アプローチに依存しています. Prestressed Micromirror Vibrations: Thermoviscous-Thermoelasticity Coupling チュートリアルモデルで, 新しいマルチフィジックス機能を確認できます.
弾性波の亀裂境界条件
弾性波 (陽的時間発展) フィジックスインターフェースで利用できる新しい亀裂境界条件は, 結合が不完全な2つの弾性ドメインを処理するために使用されます. 亀裂は, 薄い弾性層, 流体で満たされた層, または弾性材料の不連続性 (内部境界) である場合があります. 薄い弾性ドメインの特性を指定するためのオプションがいくつかあります. 典型的なアプリケーションは, 非破壊検査 (NDT) アプリケーションのモデル化 (層間剥離領域やその他の欠陥の応答の検査など) や, 石油およびガス産業における破砕された固体媒体の波動伝播のモデル化などです. この機能は, Angle Beam Nondestructive Testing モデルで確認できます.
陽的時間発展のパフォーマンス改善
いくつかの重要なソルバーパフォーマンスの改善と, 物理面での定式化の改善が, すべての陽的時間発展音響インターフェースに適用されます. 不連続ガラーキン (dG) 法に基づく陽的時間発展音響インターフェースを使用してシミュレーションを実行する場合, COMSOL Multiphysics® は20億を超える自由度 (DOF) の求解をサポートするようになりました.
圧電波 (陽的時間発展) インターフェース
陽的時間解法を使用して圧電効果を含むモデルを実行する場合, パフォーマンスを向上させる問題の静電部分の新しい時間ステッピング戦略があります. クラスター上で大規模なピエゾ電気陽的時間発展モデルを解く際のパフォーマンスも改善されました. 圧電マルチフィジックスは, 混合 dG 代数 FEM の定式化に依存しており, 純粋な dG 陽的時間発展問題と同じパフォーマンスを発揮します. 例として, Ultrasonic Flowmeter with Piezoelectric Transducers モデル (現在はメッシュが細かくなり, 周波数が 2 倍に分解されています) は, クラスター上の8つのノードで実行され, 35% の速度向上を示しています. さらに, モデルは 75,600,000 DOF, 3700 の代数 FEM DOF (圧電領域の電圧) を求解します.
圧力音響 (陽的時間発展)
インピーダンス境界条件は, 安定性のために改善された数値流束定式化を使うことができるようになり, 音響的に硬い境界と柔らかい境界の両方が安定した解として得られるようになりました. さらに, 伝達インピーダンス設定をモデル化するための2つの新しい条件が追加されました: 内部インピーダンスとペアインピーダンスです. どちらの条件も, インピーダンス条件から改善された数値流束を利用しています.
また, 常微分方程式 (ODE) の連立方程式を圧力音響 (陽的時間発展) インターフェースと一緒に解く際のパフォーマンスも向上しています. これは, 時間領域で周波数依存のインピーダンス条件をモデル化する場合に役立ちます. この例はチュートリアルモデル Full-Wave Time-Domain Room Acoustics with Frequency-Dependent Impedance で確認できます.
室内での 7 kHz 搬送波信号によるガウスパルスの伝搬. このモデルは, 2.2x109 の自由度 (DOF) を求解し, 周波数依存の吸収上限をモデル化するための ODE を含みます.
弾性波, (陽的時間発展) インターフェース
弾性波 (陽的時間発展) 2D および 2D 軸対称モデルでは, 基礎となる方程式が再定式化され, これらの特定のケースでより効率的になりました. 2D モデルでは, 面外成分の計算を含めたり除外したりする新しいオプションがあります. 含まれている場合, 表現はいわゆる 2.5D 形式です. それ以外の場合は, 平面ひずみの定式化です. 2D 軸対称モデルでは, 面外成分は常に除外されます. 例として, Propagation of Seismic Waves Through Earth モデルで求解された DOF の数は, 17.2x106 から 12.2x106 に減少しました. 同じワークステーションで, このモデルの計算時間が15時間40分から12時間20分に短縮されました.
圧力音響 (周波数領域) の新しい伝達行列カップリング境界条件
圧力音響 (周波数領域) インターフェースの新しい伝達行列カップリング境界機能は, 伝達行列表現を使用して2つの境界 (ソースと行先) を結合するために使用されます. 伝達行列は, 2つの境界を接続する物理ドメインの縮約または集中表現です. この機能には, いわゆる点ごとカップリングと集中表現の2つのオプションがあり, Diesel Particulate Filter Analysis Using an Acoustic Transfer Matrix のモデルで確認できます.
圧力音響音響 (過渡) インターフェースの集中スピーカー境界および内部集中スピーカー境界
集中スピーカー境界条件と内部集中スピーカー境界条件が圧力音響 (過渡) インターフェースに追加され, ハイブリッド集中および FEM ラウドスピーカーのセットアップをモデル化しました. これは, 圧力音響 (周波数領域) インターフェースに既に存在する機能を補完します. この条件は, CMS(x), BL(x), または RMS(v) などの大信号パラメーターを簡単な方法で含めることができるモデルを設定するために, 境界条件と電気回路インターフェース間のカップリングを設定します. 軸方向の位置と速度に対して事前定義されたグローバル変数が存在します. この機能は, Lumped Loudspeaker Driver Transient Analysis with Nonlinear Large-Signal Parameters で確認できます.
熱粘性境界層インピーダンス機能の拡張された熱条件
熱粘性境界層インピーダンス機能に新しい熱伝導壁オプションが追加されました. この新しいオプションにより, 有限または無限の厚さの壁のさまざまな解析表現を使用して, 非理想的な熱壁条件のモデリングが可能になります. 境界層での散逸エネルギーと輸送エネルギーの組み合わせ (対流項を含む) を評価するための新しい変数もあります. これらの変数は, 散逸だけでなく加熱のモデル化にも役立ちます.
圧力音響の多孔質層インピーダンスオプション
インピーダンス境界条件の多孔質層オプションが更新され, 入射角に対するインピーダンスの依存性を処理するオプションが追加されました. 入射角は, サーフェスに対して垂直にすることも, 特定の角度または方向に設定することもできます. 自動オプションは, 拡散音場を使用した室内音響シミュレーションに役立つ有効な入射角を割り当てます.
音響物理のフィジックス制御メッシュ
フィジックス制御メッシュが, より多くの音響インターフェースに拡張されました. フィジックス制御されたメッシュにより, 波動現象や境界層の求解など, メッシュ作成のベストプラクティスを満たす優れた初期メッシュが生成されます. 次のインターフェースにフィジックス制御メッシュが追加されました:
- 圧力音響 (境界要素)
- 圧力音響 (キルヒホッフ・ヘルムホルツ)
- 圧力音響 (漸近散乱)
- 圧力音響 (陽的時間発展)
- 非線形圧力音響 (陽的時間発展)
- 弾性波 (陽的時間発展)
- 熱粘性音響 (周波数領域)
- 熱粘性音響 (過渡)
キルヒホッフ・ヘルムホルツカーネルによる評価の高速化
キルヒホッフ・ヘルムホルツ積分の評価に依存する機能は, バージョン 6.0 より最大 50% 高速になりました. 高速化の程度は, ハードウェアとプロットの複雑さに依存します (複雑さの増加に対して達成されるほとんどのゲイン). これらの改善の恩恵を受ける機能の1つは, 外場計算機能です. これは, 圧力音響で結果の外場をプロットする際に使用されます.
外場計算機能への効果も含めて, これらの改善は高周波音響インターフェースである, 圧力音響 (漸近散乱), 圧力音響 (キルヒホッフ・ヘルムホルツ) を使う際に特に重要です. 実際の計算時間はカーネルの評価によります. 例として, Submarine High-Frequency Asymptotic Scattering チュートリアルモデルの最後のプロットである散乱場 SPL の評価時間が 25% 短縮されました.
音線音響改善
メソッド呼び出しによるバルーンデータのエクスポート
Loudspeaker Driver in a Vented Enclosure には, 今後の使用に適した形式でスピーカー放射データ (バルーンプロット) をエクスポートできるメソッドとメソッド呼び出しが含まれています. これは, アプリケーションビルダーで使用可能なツールを使用してカスタムエクスポートを実行する方法の例です. エクスポートされたバルーンデータは, Small Concert Hall Acoustics の音響チュートリアルモデルで, 指向性を持つソース機能を定義するためにも使用されます.
疑似乱数生成の改善
音線音響インターフェースには, 条件付き音線と境界の相互作用, 境界での拡散または等方性散乱など, 疑似乱数生成 (PRNG) に依存するいくつかの機能が含まれています. このような機能については, 疑似乱数生成の呼び出しが大幅に見直され, 改善されました. 新しい式では, 無相関であるべき乱数間に相関が生じる可能性がはるかに低くなります. これには, 異なる音線に作用するランダム境界条件間の望ましくない相関や, ランダムに生成されたベクトル成分間の望ましくない相関が含まれます.
蓄積変数のみの保存オプション
アプリケーションによっては, 境界の音圧レベルなどの累積変数が, 個々の光線の位置と方向よりも価値がある場合があります. ファイルサイズを縮小するために, 音線に関連付けられた自由度を破棄して, 累積変数のみを解に保持するオプションが追加されました.
外場放出機能
外場からの放出機能によって, 圧力音響 (キルヒホッフ・ヘルムホルツ), および圧力音響 (漸近散乱) インターフェースから外場を取得できるようになりました. さらに, この機能は, パラメトリックスイープで複数の周波数の求解をできるようになりました.
流れ誘起ノイズの改善
空力音響流れソースカップリングマルチフィジックス機能により, 新しい DES (Detached Eddy Simulation) 流体流れインターフェースから流れソースを取得できるようになりました. LES (Large Eddy Simulation) 流体流れインターフェースには, 入口の合成乱流オプションなど, いくつかの新機能があります. 詳細については, CFD モジュールアップデート を参照してください. 過剰圧力項も Lighthill 応力テンソルに含まれるようになりました. これらは, たとえば, ソース領域で強い非線形効果が発生した場合, または流れシミュレーションに熱源が存在する場合の線形等エントロピー動作からの偏差を表します.
1D 固体力学インターフェース
固体力学インターフェースが, 1D および 1D 軸対称コンポーネントで利用できるようになりました. 基本的な機能のために追加の製品は必要ありません. 横方向では, 平面応力, 平面ひずみ, および一般化された平面ひずみのさまざまな組み合わせを選択できます. 物理現象に対する重要な洞察を提供するために 1D モデルが役立つ, 電池モデリング, 音響学, 熱構造相互作用など, いくつかのマルチフィジックスアプリケーションがあります. 電池のインターカレーションひずみの機能は, バッテリデザインモジュールに含まれていることに注意してください. より高度なモデリングについては, 構造力学モジュール, MEMS モジュール, マルチボディダイナミクスモジュール, または音響モジュールで追加機能を利用できます.
アセンブリを連結する新しいメソッド
アセンブリ内の境界間の連続性を強制するために, Nitsche の方法が追加されました. 従来のポイントごとの制約と比較すると, 2つの重要な利点があります:
- 両側のメッシュが一致していない場合に, 解に発生する局所的な乱れが大幅に減少.
- 数値的に敏感で, 計算量が多い制約条件を削除する必要がなくなります.
異方性材料の新しい入力
線形弾性材料機能では, 弾性定数を入力するためのいくつかの新しいオプションが追加されました:
- 直交異方性材料は, 立方晶, 六方晶, 6定数の三方晶, 7定数の三方晶, 6定数の正方晶, 7定数の正方晶, 斜方晶の7種類の結晶系の結晶データで記述できるようになりました.
- 横等方性材料の入力がサポートされ, このクラスの材料の入力数が削減されました.
- 一般的な異方性材料は, 弾性行列に加えて, コンプライアンス行列で表現できるようになりました.
ローカル座標系の結果
構造力学インターフェースで共通の量を評価するためにローカル座標系結果ノードを追加することで, 任意の数のローカル座標系を簡単に定義できるようになりました. 利用可能な変換された量の中には, 応力, 歪み, 変位, および材料特性があります.
事前定義推奨プロット
リボンの結果タブの定義済みプロットの追加メニューに, いくつかの定義済み音響プロットが追加されました. 新しい定義済みプロットは, いくつかの状況で役立つプロットを自動的に設定します. これには, 連成された圧力と熱粘性音響, または圧力音響と多孔質弾性波モデルの圧力または音圧レベルなどを示す, マルチフィジックス構成のプロットが含まれます. また, 不連続ガラーキン陽的時間発展定式化に基づいてモデルを解くときに, セル波時間スケールのプロットを追加することもできます. これは, 内部時間ステッピングを制限する問題のあるメッシュ領域を特定するのに役立ちます.
推奨ソルバーの改善
いくつかの新しい推奨反復ソルバーが追加され, 既存の推奨ソルバーが改善されました. スタディでソルバーをデフォルトにリセットを選択して, 最新の推奨ソルバー構成とソルバーにすることを忘れないでください. 最も重要な更新は次のとおりです. 圧力音響 (周波数領域) の場合, シフト化ラプラス法に基づく推奨反復ソルバーが改善され, 収束が速くなりました. 例として, 3 kHz で解析された Car Cabin Acoustics - Frequency Domain Analysis モデルは, 従来 (バージョン 6.0), 2分19秒かかっていたものが, 新しいバージョンでは1分39秒で求解され, 4 kHz では5分13秒の求解時間が3分31秒に短縮されました.
熱粘性音響では, ドメイン分割 (DD) 法に基づく推奨反復ソルバーが改善され, 最新のソルバー技術が使用されます. このため, 一般に, ソルバーは大規模なモデルを解くのに適しています. さまざまなソルバーを比較する例については, アプリケーションギャラリの Transfer Impedance of a Perforate を参照してください.
ラウドスピーカーやその他のトランスデューサーなどの 3D 電気振動音響モデルを解く際に, 専用の推奨反復ソルバーが追加されました. 特に, ローレンツカップリングまたは磁気機械力マルチフィジックスカップリングを使用して, 音響 (圧力および/または熱粘性音響), 構造 (固体および/またはシェル), および磁場フィジックスインターフェースを連成する場合に, 効率的な推奨反復ソルバーが与えられます. 例については, チュートリアルモデル, Loudspeaker Driver in 3D - Frequency Domain Analysis または Balanced Armature Transducer を参照してください.
新しいチュートリアルモデル
COMSOL Multiphysics® バージョン 6.1 では, いくつかの新しいチュートリアルモデル, 更新されたチュートリアルモデルが音響モジュールに追加されました.
音響マイクロフルイディクスポンプ
アプリケーションライブラリタイトル:
acoustic_microfluidic_pump
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マイクロ流路断面内の音響ストリーミング
アプリケーションライブラリタイトル:
acoustic_streaming_microchannel_cross_section
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ガラス毛細管中の 3D 音響捕獲と熱音響ストリーミング
一軒家の音響
アプリケーションライブラリタイトル:
one_family_house
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事前応力下マイクロミラー振動: 熱粘性-熱弾性カップリング
アプリケーションライブラリタイトル:
micromirror_prestressed_vibration
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非線形大信号パラメーターによる集中ラウドスピーカードライバー解析
アプリケーションライブラリタイトル:
lumped_loudspeaker_driver_transient
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圧電トランスデューサーによる超音速流量計
アプリケーションライブラリタイトル:
flow_meter_piezoelectric_transducers
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傾斜ビーム非破壊テスト
アプリケーションライブラリタイトル:
angle_beam_ndt
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排気筐体中のラウドスピーカードライバー
アプリケーションライブラリタイトル:
vented_loudspeaker_enclosure
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小コンサートホール音響
アプリケーションライブラリタイトル:
small_concert_hall
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タイプ 4.3 イヤーシミュレーター
3D ラウドスピーカードライバーの周波数領域解析
音響と構造の相互作用を伴うサウンドパーティション
単純熱音響エンジン
バランスアーマチュアートランスデューサー
チューブおよびカップラーの伝達行列測定設定
超音波駐車場センサー
