Simulationssoftware für die Analyse von Akustik und Schwingungen

Eine Nahaufnahme des Modells einer Fahrzeugkabine, die die Druckverteilung zeigt.

Eine Nahaufnahme eines geöffneten Laptops, die den abgestrahlten Schalldruck zeigt.

Eine Nahaufnahme eines Tonpilz Wandler Modells.

Eine Nahaufnahme eines Getriebemodells, die den Schalldruckpegel zeigt.

Druckakustik

Die Druckakustik ist die häufigste Anwendung des Acoustics Module. Sie können druckakustische Effekte modellieren, wie z.B. Streuung, Beugung, Emission, Strahlung und Übertragung von Schall. Bei Simulationen im Frequenzbereich wird die Helmholtz-Gleichung gelöst, während im Zeitbereich die klassische skalare Wellengleichung zum Einsatz kommt. Im Frequenzbereich sind sowohl FEM und BEM als auch eine hybride FEM-BEM Formulierung verfügbar. Im Zeitbereich sind zeitimplizite (FEM) und auch zeitexplizite (dG-FEM) Formulierungen möglich.

Es gibt viele Optionen zur Berücksichtigung von Rändern in Akustikmodellen. Sie können zum Beispiel eine Randbedingung für eine Wand oder eine Impedanzbedingung für eine poröse Schicht hinzufügen. Sie können Ports verwenden, um akustische Wellen am Ein- und Ausgang von Wellenleitern mit Hilfe der Multimoden-Expansion anzuregen oder zu absorbieren. Quellen wie vorgeschriebene Beschleunigungen, Geschwindigkeiten, Verschiebungen oder Drücke können auf äußere oder innere Ränder angewendet werden. Außerdem können Sie Strahlungs- oder periodische Floquet-Randbedingungen verwenden, um offene oder periodische Ränder zu modellieren.

Das Acoustics Module kann auch zur Modellierung von Rohrakustik verwendet werden, um den Schalldruck und die Schallgeschwindigkeit in flexiblen Rohrsystemen zu berechnen. Zu den Anwendungen gehören HLK-Systeme, große Rohrleitungssysteme und Musikinstrumente wie Orgelpfeifen.

Elektroakustik: Lautsprecher und Mikrofone

Ein wesentlicher Bestandteil bei der Modellierung von Lautsprechern und Mikrofonen ist die Akustik-Struktur-Interaktion, bei der der Fluiddruck eine Last auf den Festkörperbereich ausübt und die strukturelle Beschleunigung auf den Fluidbereich als Normalbeschleunigung über die Fluid-Festkörper-Grenze wirkt. Das Acoustics Module umfasst eine Vielzahl von Funktionen zur Akustik-Struktur-Interaktion.

Für die Modellierung von Schallwandlern aller Art lassen sich die im Acoustics Module enthaltenen Funktionalitäten leicht mit den Funktionen des AC/DC Module, des MEMS Module oder des Structural Mechanics Module kombinieren, um vollständig gekoppelte Multiphysik-FEM-Modelle zu erstellen. Dazu gehört die detaillierte Modellierung von Magneten und Schwingspulen in Lautsprechertreibern oder der elektrostatischen Kräfte in Kondensatormikrofonen. Bei elektro-mechanisch-akustischen Wandlersystemen lassen sich zur Vereinfachung der elektrischen und mechanischen Komponenten Ersatzschaltkreise verwenden. Beide Ansätze werden mit einer vollständigen Zwei-Wege-Kopplung gelöst. Darüber hinaus können das (lineare) Kleinsignalverhalten und die nichtlineare Großsignaldynamik modelliert und analysiert werden. Bei Miniatur-Wandlersystemen, wie z. B. mobilen Geräten, Kondensatormikrofonen und Hörgeräteempfängern, wird die bedeutende Dämpfung aufgrund der thermoviskosen Grenzschichtverluste berücksichtigt. Es gibt auch umfangreiche Funktionen zur Modellierung von piezoelektrischen Wandlern aller Art.

Nahaufnahme eines Lautsprechermodells, das die Interaktion zwischen Akustik und Struktur zeigt.

Nahaufnahme eines Mikrolautsprechermodells mit Regenbogen-Stromlinien.

Ein realistisches Modell eines Smartphones mit Mikrolautsprecheröffnungen und Stromlinien, die aus dem Lautsprecher austreten, sowie ein Slice-Plot, der die Wirbelablösung zeigt.

Mikroakustik

Für eine genaue mikroakustische Analyse der Schallausbreitung in Geometrien mit kleinen Abmessungen müssen die mit der Viskosität und der Wärmeleitung verbundenen Verluste berücksichtigt werden, insbesondere die Verluste in den viskosen und thermischen Randschichten. Diese Effekte werden vollständig gelöst und automatisch berücksichtigt, wenn eine thermoviskose Simulation mit dem Acoustics Module durchgeführt wird. Sie sind wichtig für die vibroakustische Modellierung elektroakustischer Miniaturwandler wie Mikrofone, mobile Geräte, Hörgeräte und MEMS-Geräte. Für die detaillierte Modellierung von Schallwandlern können Sie die integrierten multiphysikalischen Kopplungen zwischen Strukturen und thermoviskosen akustischen Gebieten nutzen.

Die Software berücksichtigt zusätzliche Effekte, einschließlich des vollständigen Übergangsverhaltens von adiabatisch zu isotherm bei sehr niedrigen Frequenzen. Lokale nichtlineare Effekte, wie z. B. Wirbelablösung in Mikrolautsprecheröffnungen oder Perforationen, können im Zeitbereich durch Hinzufügen der nichtlinearen Leitterme erfasst werden. Es gibt auch eine spezielle Funktion zur Berechnung und Identifizierung von sich ausbreitenden und nicht ausbreitenden Moden in engen Wellenleitern und Kanälen.

Elastische Wellen und Ultraschall in Festkörpern

Die Ausbreitung von Schallwellen in Festkörpern erfolgt durch elastische Schwingungen mit kleiner Amplitude der Form und Struktur des Festkörpers. Diese elastischen Wellen werden als gewöhnliche Schallwellen an das umgebende Fluid übertragen.

Mit dem Acoustics Module lässt sich die Ausbreitung elastischer Wellen in Festkörpern und porösen Materialien für Einzel- oder Multiphysik-Anwendungen modellieren, z. B. für die Kontrolle von Schwingungen, die zerstörungsfreie Prüfung (NDT) oder die mechanische Rückkopplung. Die Anwendungsbereiche reichen von mikromechanischen Geräten bis zur seismischen Wellenausbreitung. Die Ausbreitung elastischer Wellen über große Gebiete mit vielen Wellenlängen wird mit einer zeitexpliziten dG-FEM-Methode höherer Ordnung gelöst und ist multiphysikalisch für Kopplungen mit Fluiden und piezoelektrischen Materialien geeignet. Die vollständige strukturdynamische Formulierung berücksichtigt sowohl die Auswirkungen von Scherwellen als auch von Druckwellen. Sie können die gekoppelte Ausbreitung von elastischen Wellen und Druckwellen in porösen Materialien modellieren, indem Sie die Biot Gleichungen lösen.

Nahaufnahme eines Modells des Planeten Erde mit seismischen Wellen.

Eine Nahaufnahme eines piezoelektrischen Wandlers in einem NDT-Winkelstrahlmodell, die das elektrische Potenzial, das Wellenprofil und das Netz zeigt.

Ultraschall in Fluiden

Akustische Störungen mit hohen Frequenzen, die für den Menschen nicht hörbar sind, werden als Ultraschall eingestuft. Das bedeutet, dass Ultraschallwellen eine kurze Wellenlänge haben. Die zeitliche Ausbreitung von akustischen Wellen in Fluiden über große Entfernungen kann auf zwei Arten berechnet werden: Durch Modellierung der Wellenausbreitung unter Einbeziehung einer Hintergrundströmung oder durch Modellierung der Effekte der nichtlinearen Hochleistungsakustik.

Bei der Simulation der transienten linearen Akustik können viele Wellenlängen in einer stationären Hintergrundströmung mithilfe des Convected Wave Equation (CWE) Interfaces modelliert werden. Zu den Anwendungen gehören Durchflussmessgeräte, Abgassysteme und biomedizinische Anwendungen, z. B. Ultraschallbildgebung und hochintensiver fokussierter Ultraschall (HIFU).

Bei Anwendungen der nichtlinearen Akustik mit hoher Leistung können Sie Phänomene der progressiven Wellenausbreitung erfassen, bei denen die kumulativen nichtlinearen Effekte die lokalen nichtlinearen Effekte übersteigen. Dazu gehört auch die Modellierung der Entstehung und Ausbreitung von Stoßwellen. Für beide Optionen sind Multiphysik-Funktionen verfügbar, mit denen Sie Ihr Modell vollständig mit elastischen Wellen in Strukturen und/oder mit piezoelektrischen Materialien koppeln können.

Aeroakustik

Sie können Simulationen der numerischen Aeroakustik (CAA) mit einem entkoppelten zweistufigen Ansatz im Acoustics Module effizient durchführen. Zunächst wird die mittlere Hintergrundströmung mit den Tools des CFD Module ermittelt oder ein benutzerdefiniertes Strömungsprofil erstellt; anschließend wird die akustische Ausbreitung berechnet.

Für konvektive Akustiksimulationen gibt es Finite-Elemente-Formulierungen, einschließlich linearisierter Navier-Stokes-, linearisierter Euler- und linearisierter Potentialströmungs-Aeroakustiksimulationen. Sie können akustische Variationen von Druck, Dichte, Geschwindigkeit und Temperatur in Gegenwart einer beliebigen stationären isothermen oder nicht-isothermen mittleren Hintergrundströmung berechnen. Die Formulierungen berücksichtigen Konvektion, Dämpfung, Reflexion und Beugung der akustischen Wellen durch die Strömung. Es gibt auch eine Funktionalität für FSI-Analysen im Frequenzbereich mit vordefinierten Kopplungen an elastische Strukturen.

Strömungsinduzierte Geräusche (Flow-induced Noise) können in eine druckakustische Analyse einbezogen werden, indem aeroakustische Strömungsquellen unter Verwendung der akustischen Analogie von Lighthill hinzugefügt werden. Diese akustischen Quellen benötigen als Input die Ergebnisse eines CFD-Modells mit einer transienten Large Eddy Simulation (LES) oder Detached Eddy Simulation (DES) .

Eine Nahaufnahme von zwei Helmholtz Resonator Modellen, die die Akustikanalyse und die mittlere Strömung zeigen.

A close-up view of a turbojet engine duct model showing the acoustic field.

Eine Nahaufnahme eines Automodells, die das Strahlungsmuster zeigt.

Die Nahaufnahme eines Hausmodells zeigt den Schalldruckpegel.

Geometrische Akustik

Die Funktionen im Bereich der geometrischen Akustik des Acoustics Module können zur Bewertung von Hochfrequenzsystemen verwendet werden, bei denen die akustische Wellenlänge kleiner ist als die charakteristischen geometrischen Merkmale. Es stehen zwei Methoden zur Verfügung: Strahlenakustik und akustische Diffusion.

Bei der Strahlenakustik können Sie die Trajektorien, die Phase und die Intensität der akustischen Strahlen berechnen. Zusätzlich können Sie Impulsantworten, Energie- und Pegelabfallkurven sowie die klassischen objektiven raumakustischen Metriken berechnen. Die Strahlen können sich in gradierten Medien ausbreiten, was für Anwendungen in der Unterwasserakustik unerlässlich ist. Für die Simulation der Strahlenakustik in Luft und Wasser stehen spezielle Atmosphären- und Ozean-Dämpfungsmaterialmodelle zur Verfügung, die für die Wellenausbreitung über große Entfernungen und bei hohen Frequenzen wichtig sind.

Für die akustische Diffusion können Sie die Schalldruckpegelverteilung in gekoppelten Räumen und die Nachhallzeiten an verschiedenen Orten bestimmen. Die Akustik wird vereinfacht mit einer Diffusionsgleichung für die Schallenergiedichte modelliert. Diese Methode eignet sich gut für schnelle Analysen innerhalb von Gebäuden und anderen großen Strukturen.

Acoustic Streaming

Mit dem Acoustics Module ist es möglich, Acoustic Streaming zu simulieren, das den physikalischen Prozess beschreibt, bei dem ein akustisches Feld eine Bewegung in einem Fluid hervorrufen kann. Das Modul enthält Multiphysik-Funktionen zur Kopplung von Akustik und Fluidströmung mit Acoustic-Streaming-Modellen für Druck und thermoviskose Akustik.

Acoustic Streaming ist ein nichtlineares Phänomen, das aufgrund der Nichtlinearität der Navier-Stokes-Gleichungen auftritt. Das Acoustics Module berechnet die Kräfte, Spannungen und Randgleitgeschwindigkeiten, die das akustische Feld in einem Fluid hervorruft, um das Strömungsfeld zu erzeugen. Dieses Phänomen ist in der Biotechnologie und der Halbleiterverarbeitung weit verbreitet und spielt in der Mikrofluidik und in Lab-on-a-Chip-Systemen eine wichtige Rolle für Anwendungen wie die Handhabung von Partikeln, das Mischen von Fluiden und mikrofluidische Pumpen.

Features und Funktionalität im Acoustics Module

In den folgenden Abschnitten werden die Features und die Funktionalität des Acoustics Modules näher erläutert.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Root Knoten und einem Schalldämpfermodell im Grafikfenster.

Integrierte Interfaces

Das Acoustics Module bietet vordefinierte Interfaces, die alle oben genannten Anwendungsbereiche abdecken. Diese Interfaces definieren Sätze von Gebietsgleichungen, Randbedingungen, Anfangsbedingungen, vordefinierte Netze, Studien mit Lösereinstellungen, sowie vordefinierte Plots und abgeleitete Werte. Auf alle diese Schritte wird innerhalb der COMSOL Multiphysics^®-Umgebung zugegriffen. Die Vernetzung und die Lösereinstellungen werden von der Software automatisch gehandhabt, mit Optionen zur manuellen Bearbeitung.

Der COMSOL Multiphysics^® Workflow für die Erstellung von Akustikmodellen ist derselbe wie für die Erstellung eines Modells mit jedem anderen Physik-Interface. Auf diese Weise ist es einfach, mehrere physikalische Methoden in ein Akustikmodell einzubinden und es gibt mehrere Multiphysik-Interfaces, die in das Acoustics Module integriert und in Kombination mit anderen Add-On-Produkten der COMSOL-Produktpalette zugänglich sind.

Eine Nahaufnahme des Einstellungsfensters des Pressure Acoustics Knotens und eines Kopfmodells im Grafikfenster.

Druckakustik-Interfaces

Für die Modellierung der Druckakustik gibt es mehrere Interfaces, bei denen das Schallfeld als skalare Druckvariable beschrieben wird. Die allgemeinen Interfaces, die auf der FEM basieren, bieten die Möglichkeit, sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich zu simulieren. Für den transienten Fall können nichtlineare Effekte einbezogen werden, die mit Hilfe der Westervelt Gleichung berechnet werden.

Zur effizienten Lösung großer Strahlungs- und Streuungsprobleme steht die BEM im Frequenzbereich zur Verfügung, die sich nahtlos mit den auf Finiten Elementen basierenden akustischen und strukturmechanischen Interfaces verbinden lässt.

Zur effizienten Lösung großer transienter Modelle steht ein spezielles Interface zur Verfügung, das auf der diskontinuierlichen Galerkin Finite Elemente Methode und einem zeitexpliziten Löser basiert. Dieses Interface kann mit dem entsprechenden zeitexpliziten Interface für elastische und piezoelektrische Wellen gekoppelt werden.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Wall Knoten und einem U-Boot Modell im Grafikfenster.

Hochfrequenz-Druckakustik

Für die schnelle Analyse der Hochfrequenzakustik im Frequenzbereich stehen zwei hochspezialisierte Interfaces zur Verfügung. Diese Interfaces basieren auf der Berechnung des Kirchhoff-Helmholtz Integrals und umfassen ein Interface zur Streuungsanalyse und ein weiteres Interface zur Strahlungsanalyse. Diese Art der Analyse kann als erster Schritt verwendet werden, bevor man zu einer rechenintensiveren Analyse auf der Grundlage von FEM oder BEM übergeht.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Piezoelectric Material Knoten und einem Winkelstrahlmodell im Grafikfenster.

Interfaces für elastische Wellen

Das Acoustics Module enthält Interfaces für die Modellierung der Ausbreitung linearer elastischer Wellen in Festkörpern, porösen und piezoelektrischen Materialien. Diese Interfaces lassen sich mit Hilfe einer Reihe von eingebauten Multiphysik-Kopplungen leicht mit Fluidgebieten koppeln.

Die Strukturmechanik Interfaces sind in der Lage, die vollständige Elastodynamik darzustellen und können zur Modellierung elastischer Wellen in Festkörpern sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich verwendet werden. Eine Port-Randbedingung ist speziell für die Modellierung und Untersuchung verschiedener Ausbreitungsmoden in elastischen Wellenleiterstrukturen implementiert.

Die poroelastischen Interfaces werden für die Modellierung poroelastischer Wellen in porösen Materialien verwendet. Diese Wellen resultieren aus der komplexen Wechselwirkung zwischen akustischen Druckschwankungen in dem gesättigten Fluid und der elastischen Verformung der festen porösen Matrix. Die poroelastischen Interfaces lösen die Biot-Gleichungen im Frequenzbereich und umfassen Verlustmechanismen aufgrund viskoser Verluste (Biot) für die Modellierung von Gesteinen und Böden sowie thermische und viskose Verluste (Biot-Allard) für schallabsorbierende Materialien in Luft.

Zwei Interfaces, die auf der zeitexpliziten diskontinuierlichen Galerkin-Formulierung beruhen, können für die Modellierung linearer elastischer Wellen in festen und piezoelektrischen Gebieten verwendet werden. Diese Interfaces können gekoppelt werden und eignen sich für die effiziente Modellierung von Gebieten mit mehreren Wellenlängen. Eine spezielle Randbedingung Fracture kann verwendet werden, um zwei Festkörper mit nicht-idealer Bindung zu modellieren, z.B. wenn es darum geht, die akustische Antwort eines Defekts oder einer Delaminationszone zu simulieren. Darüber hinaus können diese Interfaces mit den zeitexpliziten Interfaces für die Druckakustik und die Konvektionswellengleichung gekoppelt werden.

Eine Nahaufnahme des Model Builders und eines Helmholtz-Resonators im Grafikfenster.

Aeroakustik-Interfaces

Für die detaillierte Modellierung der Konvektionsakustik oder von Strömungsgeräuschen gibt es eine Reihe von Aeroakustik Interfaces sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich. Diese Interfaces werden für die Simulation der einseitigen Wechselwirkung einer Hintergrundströmung mit einem akustischen Feld verwendet. Es gibt verschiedene physikalische Interfaces, die die geltenden Gleichungen unter verschiedenen physikalischen Näherungen lösen.

Die linearisierten Navier-Stokes Interfaces werden für die Lösung der akustischen Veränderungen von Druck, Geschwindigkeit und Temperatur verwendet.

Die linearisierten Euler Interfaces werden zur Berechnung der akustischen Veränderungen von Dichte, Geschwindigkeit und Druck bei einer stationären mittleren Hintergrundströmung verwendet, die sich durch eine ideale Gasströmung approximieren lässt.

Für die Berechnung von sich ausbreitenden und nicht ausbreitenden Moden in Wellenleitern und Kanälen bei Vorhandensein einer Hintergrundströmung sind spezielle Boundary Mode Interfaces verfügbar.

Zur vereinfachten Analyse können Interfaces für linearisierte Potentialströmungen sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich verwendet werden.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Exterior Field Calculation Knoten und einem Lautsprechermodell im Grafikfenster.

Offene Gebiete und Strahlung

Um ein offenes Simulationsgebiet zu modellieren, können Sie es mit der sogenannten Perfectly Matched Layer (PML) Bedingung sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich begrenzen. Alternative Methoden sind die Verwendung von Strahlungsrandbedingungen oder eines äußeren Bereichs, der mit einem Boundary Element Method Interface modelliert wird.

Für Finite-Elemente-basierte Interfaces kann eine Exterior Field Calculation Bedingung genutzt werden, um den Druck an einem beliebigen Punkt außerhalb des Berechnungsbereichs zu bestimmen. Für die Visualisierung des Abstrahlungsprofils des äußeren Feldes (Nah- und Fernfeld) stehen spezielle Ergebnis- und Analysefunktionalitäten in Polar-, 2D- und 3D-Plots zur Verfügung.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Aeroacoustic Flow Source Coupling Knoten und einem Tandemzylindermodell im Grafikfenster.

Flow-Induced Noise

Durch die Kombination des Acoustics Module mit dem CFD Module erhalten Sie Zugang zu einer hybriden aeroakustischen (CAA) Methode zur Modellierung von strömungsinduzierten Geräuschen.

Die Berechnungsmethode basiert auf der FEM Diskretisierung der akustischen Analogie von Lighthill (Wellengleichung). Diese Formulierung der Gleichungen gewährleistet, dass alle Festkörperbegrenzungen (feste oder schwingende) implizit berücksichtigt werden.

Die Funktionalität beruht auf der Kopplung einer LES-Strömungssimulation unter Verwendung des CFD Module mit einer aeroakustischen Strömungsquelle für die Druckakustik, die im Acoustics Module verfügbar ist.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Acoustic BEM-FEM Boundary und einem Lautsprechermodell im Grafikfenster.

Finite Elemente Methode (FEM) und Randelementemethode (BEM)

Die meisten Interfaces im Acoustics Module basieren auf verschiedenen Versionen der FEM. Es sind auch Interfaces auf der Basis von BEM verfügbar, die nahtlos mit FEM-basierten Interfaces kombiniert werden können. Die hybride FEM-BEM ist sehr effizient für die Modellierung der Akustik-Festkörper-Wechselwirkung mit schwingenden Strukturen.

Zu den Anwendungen für hybride FEM-BEM gehören Schallwandler und Strahlungssimulationen mit komplexen Geometrien, bei denen der Schallwandler (Piezo oder elektromagnetisch) mit FEM und die Außenakustik mit BEM modelliert wird.

Ein BEM-basiertes Interface kann verwendet werden, um eine FEM-basierte Strahlungsbedingung oder PML sowie die FEM-basierte Außenfeldberechnung zu ersetzen.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit hervorgehobenem Port Knoten und einem gewinkelten Wellenleitermodell im Grafikfenster.

Randbedingungen und Quellen für die Druckakustik

Für die Druckakustik gibt es eine Vielzahl von Randbedingungen, einschließlich harter Wände und Bedingungen für die Definition von Quellen. Es gibt Strahlungsbedingungen, Symmetriebedingungen, periodische Bedingungen und Port-Bedingungen für die Modellierung offener Ränder. Zu den Impedanzbedingungen gehören Modelle für verschiedene Teile des menschlichen Ohrs, der menschlichen Haut, einfache RCL Schaltkreismodelle und mehr. Mit dem Interface für die Randmodenanalyse können Sie Ausbreitungsmoden in den Querschnitten von Wellenleitern und Kanälen untersuchen. Die Funktionalitäten zur Modellierung idealisierter Quellen umfassen integrierte Optionen für Monopol-, Dipol- und Quadrupol-Punktquellen.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Pair Acoustic-Structure Boundary Knoten und einem Schallwandlermodell im Grafikfenster.

Interfaces für Akustik-Struktur-Wechselwirkung

Die Interfaces für die Akustik-Struktur-Wechselwirkung beziehen sich auf Phänomene, bei denen der Fluiddruck eine Last auf das Festkörpergebiet ausübt und die strukturelle Beschleunigung das Fluidgebiet über die Fluid-Festkörper-Grenze beeinflusst. Dies wird auch als Vibroakustik bezeichnet.

Die Interfaces bieten die Möglichkeit, entweder im Frequenz- oder im Zeitbereich zu simulieren. Die in die Simulationen einbezogenen Festkörper können isotrop, anisotrop, porös oder piezoelektrisch sein.

Durch die Kopplung mit dem Structural Mechanics Module kann die strukturelle Seite der Kopplung zusätzlich strukturelle Schalen oder Membranen umfassen.

Mit dem Multibody Dynamics Module können Sie die Auswirkungen mehrerer beweglicher starrer oder flexibler Teile berücksichtigen, die durch verschiedene Arten von Gelenken verbunden sind.

Für fortgeschrittene Modellierungen können Sie durch Kombination mit dem AC/DC Module oder dem MEMS Module die Fluid-Struktur-Wechselwirkung mit elektrischen oder magnetischen Kräften analysieren, einschließlich Festkörpern mit elektrostriktiven oder magnetostriktiven Materialeigenschaften.

Eine Nahaufnahme des Einstellungsfensters für den Knoten Thermoviscous Acoustics Model und ein 1D-Plot im Grafikfenster.

Interfaces für thermoviskose Akustik

Um die Akustik in Geometrien mit kleinen Abmessungen genau zu modellieren, ist es notwendig, Wärmeleitungseffekte und viskose Verluste explizit in die geltenden Gleichungen aufzunehmen. In der Nähe von Wänden gibt es viskose und thermische Randschichten. Hier werden die viskosen Verluste durch Scherkräfte und Wärmeleitung aufgrund der großen Gradienten wichtig. Die Interfaces für thermoviskose Akustik bieten die Möglichkeit, die Auswirkungen von Druck, Teilchengeschwindigkeit und akustischen Temperaturschwankungen gleichzeitig zu modellieren.

Die thermoviskose Akustik wird z. B. bei der Modellierung von kleinen Wandlern wie Mikrofonen und Empfängern verwendet, auch bekannt als Mikroakustik. Eine Multiphysik-Kopplung mit der Thermoelastik-Physik ermöglicht eine detaillierte Modellierung der Dämpfung in MEMS-Anwendungen, einschließlich einer detaillierten Dünnschichtdämpfung. Die Interfaces sind sowohl für die Lösung im Frequenz- als auch im Zeitbereich verfügbar. Im Zeitbereich können auch nichtlineare Effekte modelliert werden.

Akustische und elektroakustische Lumped-Repräsentationen können mit Hilfe von Ports, Lumped Ports oder der Funktion Lumped Speaker Boundary leicht aus dem Berechnungsgebiet extrahiert und/oder mit diesem gekoppelt werden. Dies ist nützlich für die Systemsimulation, z.B. mithilfe der Thiele-Small-Repräsentation eines Mikroschallwandlers in einem Mobiltelefon.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Convected Wave Equation und dem Modell eines Ultraschall Durchflusssensors im Grafikfenster.

Interfaces für Ultraschall und Konvektionswellengleichung

Für die Analyse von transienten linearen Ultraschallgeräten und -prozessen können Sie das Convected Wave Equation Interface verwenden. Dieses Interface eignet sich zur effizienten Lösung großer transienter linearakustischer Modelle mit vielen Wellenlängen in einer stationären Hintergrundströmung.

Für die Simulation der Ausbreitung nichtlinearer akustischer Wellen mit hoher Amplitude können Sie das Interface für nichtlineare Druckakustik verwenden. Dieses Interface enthält spezielle Funktionalitäten zur Erfassung von Stoßwellen.

Beide Interfaces enthalten absorbierende Schichten, mit denen effektive nicht-reflektierende Randbedingungen erzeugt werden können. Die Interfaces basieren auf der diskontinuierlichen Galerkin-Methode und verwenden einen recheneffizienten, zeitexpliziten Solver.

Eine Nahaufnahme eines 1D-Plots und eines Musiksaalmodells im Grafikfenster.

Interfaces für Strahlenakustik und akustische Diffusion

Für Simulationen im Hochfrequenzbereich, wo die akustische Wellenlänge viel kleiner ist als die charakteristischen geometrischen Merkmale, können Sie das Interface für Strahlenakustik verwenden. Darüber hinaus gibt es für schnelle Analysen ein Interface zur Lösung der akustischen Diffusionsgleichung, auch bekannt als Energie-Finite-Elemente.

Beide Interfaces sind für die Modellierung der Akustik in Räumen und Konzertsälen geeignet. Das Ray Acoustics Interface kann aber auch z. B. in Außen- oder Unterwasserszenarien eingesetzt werden.

Das Ray Acoustics Interface wird zur Berechnung der Trajektorien, der Phase und der Intensität von akustischen Strahlen verwendet. Es bietet die Möglichkeit der Impulsantwortanalyse, zeigt die Pegelabfallkurven und berechnet raumakustische Kennwerte wie EDT, T₆₀-Werte, usw.

Eine Nahaufnahme des Einstellungsfensters für den Knoten Narrow Region Acoustics und eine 1D-Darstellung im Grafikfenster.

Akustische Verluste und poröse Materialien

Eine näherungsweise Berücksichtigung von Verlusten ist die Verwendung der äquivalenten Fluidmodelle, die in den druckakustischen Interfaces verfügbar sind. In das Volumen des Fluids werden dadurch auf homogenisierte Weise Dämpfungseigenschaften eingebracht, die verschiedene Verlustmechanismen imitieren. Zu den Fluidmodellen gehören Verluste aufgrund von Wärmeleitung, Viskosität und Relaxation in der Atmosphäre (Luft) und im Meer (Meerwasser) sowie Modelle zur Simulation der Dämpfung in porösen Materialien.

Zusätzlich zum Thermoviscous Acoustics Interface, das gleichzeitig die Auswirkungen von Druck, Partikelgeschwindigkeit und akustischen Temperaturschwingungen modelliert, kann das Pressure Acoustics Interface auch thermoviskose Randschichtverluste berücksichtigen. Die Narrow-Region Akustik kann in engen Kanälen und Wellenleitern mit konstantem Querschnitt verwendet werden, während die thermoviskose Randschichtimpedanz (BLI) Bedingung für Geometrien anwendbar ist, die größer als die Randschicht sind.

Die äquivalenten Fluid- und homogenisierten Modelle sind sehr recheneffizient, wenn sie anwendbar sind. Um jedoch Verluste in porösen Materialien mit größerer Genauigkeit darzustellen, können Sie die Druckakustik mit den Effekten der poroelastischen Wellenausbreitung kombinieren.

Acoustics Module