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COMSOL实例分析 中仿科技技术部 声学模块 全面处理流体和固体中的声波问题支持时谐 瞬态 特征频率 以及模态等分析特点易用的振动分析支持衰减材料 压电材料完美匹配层概念 PML 远场后处理功能气动声学 音箱声压级分布 微穿孔版消声器 声学模块的典型应用领域 喇叭 消声器 航空发动机 汽车回音 声固耦合 声压传感器 预置应用模式 流体中的声学时谐波传播 求解总场或散射场瞬态波传播特征频率分析 寻找共振波导的边界和截面模态分析固体中的声学时谐波传播特征频率分析 包括衰减和非衰减永久变形的稳态分析气动声学可压缩势流分析流体中的声学预定义多物理场耦合声场 固体 压力声学 应用于流体空气和水最常见人体组织 70 水 布 玻璃丝 石纤维求解声压 p1atm 100kPap 1 100Pa频域中的控制方程 人为边界条件 辐射边界条件仿真连续自由空间用一个给定的形状吸收波前完美匹配层通用 高效终止对波的方向不敏感 WithPML 入射波辐射条件开边界问题法向加速度已知结构振动驱动力未知结构振动背景声压远处声源 声源 入射波辐射条件开边界问题法向加速度已知结构振动驱动力未知结构振动背景声压远处声源 声源 Fe 入射波辐射条件开边界问题法向加速度已知结构振动驱动力未知结构振动背景声压远处声源 声源 入射波辐射条件开边界问题法向加速度已知结构振动驱动力未知结构振动背景声压远处声源 声源 湍流K eps使涡流变得模糊不清 不适合气动声学方程需要势流低Re模型使用LES或可能的偶极子源白 粉 黑 机械 噪声模拟为 可能随机 振幅vs 频率点源 单极子 偶极子 线源 没问题 外加声源 无声源与绝对压力无关仅为感兴趣的分布和特征频率 无源 特征频率分析 演示模型 房间的特征模式COMSOL4 1 房间声场的特征模式 日常生活中共振有时会成为一个问题 客厅中的音乐或家庭影院系统的低音能够摇动窗户及使地板震动 这些现象发生于一些特定的频率 房间的特征频率 音乐的体验会受到房间声场的特征模式影响 因此 当设计一间音乐厅时 就必须考虑共振这一重要因素 为了得到清澈且不受渲染的声音 特征频率应当均匀地扩散 对于家庭影院或音乐系统的拥有者 由于无法改变房间的外形 所以探讨喇叭应放置于何处能得到较佳的声音是比较恰当的方法 模型介绍 本模型的房间尺寸为5 4 2 6m 里面有一台电视机 两个喇叭以及一个长沙发 用声压分布图直观地说明音乐的影响 计算所有低于100Hz的特征频率及特征模式 eigenmode 特征模式显示了与之相应的特征频率下声音的强度模式 经由特征模式的特性 可以得出结论 应该将喇叭放置于何处 模型定义 本模型使用波动方程 waveequation 描述声音在空气中的传播情形 其中p表示压力 c是声音的速度 假如空气被简谐振动的来源引起运动 例如喇叭 而仅仅只有一种频率可在房间中存在 由此原因借由下式找寻时间谐波 time harmonic 是有意义的 波动方程此时以声音扰动的振幅p简化为Helmholtz方程 本模型假设所有边界 墙 地板 天花板以及家具都是完美刚体 硬声场边界 相当于法向速率为0 实例 中空圆柱体的声固耦合COMSOL4 1 模型简介 本案例模拟浸没在水中的中空圆柱体 内部充满水 受到点声源或线声源激发时的声场分布 f 60kHz 3D模型 1 声波与结构双向耦合2 分别模拟线声源和点声源 线声源辐射方程 点声源辐射方程 模型定义 求解域声压传输方程 边界条件 外层辐射边界条件 最大限度减少声波反射的影响 交界水面 声波对圆柱 圆柱对声波 结果与讨论 线声源辐射时声压级切面图和圆柱体变形图 点声源辐射时声压级切面图和圆柱体变形图 实例 瞬态高斯脉冲波COMSOL4 1 模型定义 本案例模拟瞬态高斯脉冲 椭圆为硬声场边界 左焦点发出的声波会在b c秒后再次聚焦于右焦点 b为椭圆长轴的长度 c为声速 声压方程为 左焦点为高斯脉冲波 一波长剖分6单元当t 1 f0时 波形如右图 气流速度 模型定义 续 f0与频宽成正比 f0 c Nh h为网格单元尺寸 N为每个波长内剖分的网格数 本模型取N 6 当t 1 f0时 波形和完整的高斯波非常近似 高斯函数的傅里叶变换非常简单 忽略截止效应 其中w0 2pf0 实际上信号所有的能量都在 2w0 w 2w0的范围内 网格尺寸和时间步长之间的关系和CFL数有关 此无量纲数在1附近表示空间和时间的解析度类似 COMSOL默认使用广义a和二阶单元 广义a的公差较大 所以CFL 0 2时 时间空间的公差在同一量级 结果与讨论 h 0 15m N 6 所以t0 2 624ms 本模型需要CFL 0 0