Acoustics Module

Für Akustik- und Vibrationsanalysen

Acoustics Module

Simulation der Akustik im Innenraum eines Fahrzeugs unter Einbeziehung von Schallquellen an den Lautsprecherpositionen.

Akustik- und Vibrationsanalysen auf einem neuen Level

Das Acoustics Module ist speziell für die Analyse von Geräten ausgelegt, mit denen Schallwellen erzeugt, gemessen und verarbeitet werden können. Das Anwendungsgebiet des Moduls umfasst Lautsprecher, Mikrofone, Hörgeräte, Sonargeräte und vieles mehr. Sie können die Schalldämpfung in Auspuffen, Schallschutzwänden sowie auch den Schallschutz in Gebäuden untersuchen.

Gewinnen wertvoller Erkenntnisse über bestehende und neue Produkte

Die bedienungsfreundlichen Interfaces bieten Tools, die die Modellierung der Ausbreitung von Schallwellen in Luft, Wasser und anderen Fluiden ermöglichen. Spezielle Thermoakustik-Tools ermöglichen eine sehr genaue Simulation von Miniatur-Lautsprechern und -Mikrofonen, die in Mobilgeräten eingesetzt werden. Sie können auch Vibrationen und elastische Wellen in Festkörpern, Piezomaterialien und poroelastischen Strukturen modellieren. Außerdem ermöglichen die Multiphysikinterfaces für Akustik-Festkörper-, Akustik-Schale- und Akustik-Piezoelektrik-Wechselwirkungen ein Höchstmaß an Genauigkeit und Aussagekraft bei Akustiksimulationen.

Dank der realistischen 1D-, 2D- oder 3D-Simulationen können Sie vorhandene Produkte optimieren und neue Produkte schneller entwickeln. Entwickler, Forscher und Ingenieure gewinnen mithilfe dieser Simulationen wertvolle Erkenntnisse, die experimentell nur schwer gewonnen werden können. Durch das Testen von Produktentwürfen können Unternehmen Zeit und Geld sparen.

Weitere Bilder

  • Schalldruckpegelverteilung in einem Auspuff. Schalldruckpegelverteilung in einem Auspuff.
  • Ein 3D-Fernfeld-Polar-Plot der Lautsprecher-Sensitivität bei 3.000 Hz. Ein 3D-Fernfeld-Polar-Plot der Lautsprecher-Sensitivität bei 3.000 Hz.
  • Der Piezoelektrische Wandler vom Tonpilz-Typ wird für relativ niederfrequente, starke Schallemissionen eingesetzt. Der Wandler besteht aus piezokeramischen Ringen, die durch massive Platten und einen vorgespannten Mittelbolzen zusammengehalten werden. Die Kopf- und Fußmasse verringern die Resonanzfrequenz des Wandlers. Der Piezoelektrische Wandler vom Tonpilz-Typ wird für relativ niederfrequente, starke Schallemissionen eingesetzt. Der Wandler besteht aus piezokeramischen Ringen, die durch massive Platten und einen vorgespannten Mittelbolzen zusammengehalten werden. Die Kopf- und Fußmasse verringern die Resonanzfrequenz des Wandlers.
  • Poroelastische Wellen und Akustik in einem Partikelfilter-Entwurf. Mit Dieselrußpartikelfiltern werden Rußpartikel aus den Abgasen von Dieselmotoren gefiltert. Die Hauptfunktion eines Partikelfilters ist die Abgasreinigung. Er hat aber auch akustische Dämpfungseigenschaften für das Auspuffsystem. Poroelastische Wellen und Akustik in einem Partikelfilter-Entwurf. Mit Dieselrußpartikelfiltern werden Rußpartikel aus den Abgasen von Dieselmotoren gefiltert. Die Hauptfunktion eines Partikelfilters ist die Abgasreinigung. Er hat aber auch akustische Dämpfungseigenschaften für das Auspuffsystem.
  • Dies ist ein Modell des Kondensatormikrofons Brüel and Kjær 4134. Die Geometrie- und Materialparameterwerte entsprechen den Werten eines realen Mikrofons. Der modellierte Empfindlichkeitspegel wird mit den Messwerten verglichen, die an realen Mikrofonen vorgenommen wurden. Die Werte zeigen gute Übereinstimmung. Weiterhin werden Membranverformung, Druck, Geschwindigkeit und das elektrische Feld bestimmt. Das Modell wurde von Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement, Nærum, Dänemark, zur Verfügung gestellt.

    Dies ist ein Modell des Kondensatormikrofons Brüel and Kjær 4134. Die Geometrie- und Materialparameterwerte entsprechen den Werten eines realen Mikrofons. Der modellierte Empfindlichkeitspegel wird mit den Messwerten verglichen, die an realen Mikrofonen vorgenommen wurden. Die Werte zeigen gute Übereinstimmung. Weiterhin werden Membranverformung, Druck, Geschwindigkeit und das elektrische Feld bestimmt. Das Modell wurde von Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement, Nærum, Dänemark, zur Verfügung gestellt.

  • Das Bild zeigt Isoflächen des Schalldrucks im Innenraum eines Fahrzeugs. LiveLink™ for Inventor® ermöglicht den Zugriff auf COMSOL-Funktionen und Acoustics Module-Funktionen direkt über die Inventor®-Benutzeroberfläche. Das Bild zeigt Isoflächen des Schalldrucks im Innenraum eines Fahrzeugs. LiveLink for Inventor® ermöglicht den Zugriff auf COMSOL-Funktionen und Acoustics Module-Funktionen direkt über die Inventor®-Benutzeroberfläche.

Zur Modellierung einer Vielzahl verschiedener Akustikanwendungen

Das Acoustics Module verfügt über verschiedene Physikinterfaces, d. h. Interfaces mit dazugehörigen Modellierungs- und Simulationstools, mit deren Hilfe Sie die Ausbreitung von Schall in Fluiden und Festkörpern simulieren können. Das Acoustics Module ist aufgeteilt in Druckakustik, Akustik-Struktur-Wechselwirkung, Aeroakustik und Thermoakustik.

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Mit dem Druckakustik-Interface können auf einfache Weise Streuung, Beugung, Emission, Abstrahlung und Übertragung von Schall modelliert werden. Solche Größen spielen bei der Entwicklung von Schalldämpfern, Lautsprechern, Schallisolierungen bei Absorbern und Diffusern sowie bei der Lärmabstrahlung und der Untersuchung der Richtcharakteristik und bei vielem mehr eine Rolle. Mit dem Akustik-Struktur-Wechselwirkung-Interface können elastische Wellen und Flüssigkeitsschall sowie deren Wechselwirkung simuliert werden. Die Akustik-Struktur-Wechselwirkung wird beispielsweise bei der Analyse von Schalldämpfern, Ultraschall-Piezoaktoren und Sonargeräten eingesetzt und auch bei der Schall- und Vibrationsanalyse in der Automobilindustrie verwendet. Mithilfe der Funktionen von COMSOL Multiphysics können Sie elektroakustische Wandler, wie z. B. Lautsprecher, Sensoren und Mikrofone, analysieren und konstruieren.

Die Aeroakustik-Interfaces ermöglichen das Modellieren einseitiger Beeinflussung zwischen externen Strömung und einem Schallfeld, d.h. das Modellieren von Flüssigkeitsschall. Das Anwendungsgebiet reicht von der Düsentriebwerk-Lärmanalyse bis hin zur Windsensor-Simulation. Mit den Thermoakustik-Interfaces können Sie Systeme geringer Abmessungen sehr genau modellieren. Diese Fähigkeit ist bei der Entwicklung von Mobiltelefonen, Hörgeräten, Wandler und Mikrosystemen sehr wichtig.

Das Acoustics Module ist nahtlos in die COMSOL-Umgebung integriert und kann mit anderen Modulen kombiniert werden, um ein breiteres Spektrum an Multiphysik-Simulationen abzudecken. Dies ist der Fall für die Akustik-Schale- und Thermoakustik-Schale-Wechselwirkung Interfaces, die durch Kombination des Acoustics Modules mit dem Structural Mechanics Module verfügbar sind. In gleicher Weise erhält man Interfaces für Rohrakustik durch Kombination von Acoustics Module und Pipe Flow Module. Diese Physikinterfaces können bei einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, angefangen mit Modellierung einer einfachen P-Welle in der Luft bis hin zur Untersuchung von komplexen Wechselwirkungen zwischen elastischen Wellen und P-Wellen in porösen Materialien.

Berücksichtigung von akustischen Verlusten bei Simulationen

Das Acoustics Module wird mit einer umfangreichen Modellbibliothek geliefert, die zahlreiche Anwendungsbeispiele enthält. Dazu gehören z. B. die Modellierung von Schalldämmungsverkleidungen, Lautsprechern, Mikrofonen und Schalldämpfern. Viele dieser Beispiele zeigen, wie akustische Verluste simuliert werden. Zum Spektrum der Verlustmodelle des Acoustics Module gehören Modelle mit empirischem äquivalentem Fluidansatz für Faserstoffe und Modelle zur Berechnung von poroelastischen Wellen mithilfe der Biotschen Theorie. Außerdem bietet das Thermoakustik-Interface umfassende Wärme- und Viskositätsverlustmodelle.

Konsistenter Arbeitsablauf

Die Arbeitsabläufe im Acoustics Module entsprechen den Abläufen in den anderen Add-on-Modulen der COMSOL-Produktreihe. Alle diese Arbeiten werden über den COMSOL Desktop® ausgeführt und umfassen Definition der Geometrie, Auswahl der Materialien, Auswahl eines geeigneten Physikinterface, Definition von Rand- und Anfangsbedingungen, automatische Erzeugung des Finite-Elemente-Netzes sowie Berechnung und Visualisierung der Ergebnisse. Acoustics Module-Simulationen können in jeder denkbaren Weise mit jedem COMSOL-Produkt verknüpft werden. Dies erfolgt durch eine Reihe von vordefinierten Kopplungen, die z. B. mit dem Structural Mechanics Module für Akustik-Schale-Wechselwirkungen festgelegt werden, oder durch benutzerdefinierte Kopplungen. Das Optimization Module kann mit dem Acoustics Module kombiniert werden, um geometrische Größen sowie die akustische Übertragung und vieles mehr zu optimieren.

Verbinden des Acoustics Module mit CAD, MATLAB® und Excel®

Sie können sich wiederholende Modellieraufgaben mittels LiveLink for MATLAB® erledigen, indem Sie COMSOL-Simulationen mithilfe von MATLAB®-Skripts oder -Funktionen ausführen. Jede auf dem COMSOL Desktop® verfügbare Funktion kann alternativ über MATLAB-Befehle ausgeführt werden. Sie können auch COMSOL-Befehle in der MATLAB-Umgebung mit vorhandenem MATLAB-Code kombinieren. Für Schallsimulationen, die mittels Tabellen ausgeführt werden, bietet LiveLink for Excel® eine praktische Alternative zur Modellierung über den COMSOL Desktop®, indem die Tabellendaten mit Parametern, die in der COMSOL-Umgebung definiert wurden, synchronisiert werden. Das CAD Import Module und die LiveLink-Produkte für gängige CAD-Systeme ermöglichen eine einfache Ausführung von Schallsimulationen mithilfe von CAD-Modellen. LiveLink-Produkte ermöglichen die Steuerung der geometrischen Größen über COMSOL Multiphysics, während die parametrischen CAD-Modelle in der systemeigenen Umgebung dabei intakt bleiben. Die Verknüpfung von Akustikmodellen mit CAD-Programmen ermöglicht die gleichzeitige Ausführung parametrischer Sweeps über mehrere Modellparameter.

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Flexible und stabile Akustikmodellierung

Die Gleichungen, mit denen das Acoustics Module arbeitet, werden mithilfe von leistungsfähigen Solvern und einer Element-Diskretisierung höherer Ordnung gelöst. Die verschiedenen Formeln ermöglichen sowohl die Frequenz- als auch die Zeitbereichssimulation. Die Ergebnisse werden im Grafikfenster dargestellt, und zwar mittels vordefinierter Plots von Schall- und Verschiebungsfeldern, Schalldruckpegeln, Beanspruchungen oder als Ausdrücke von physikalischen Größen, die Sie frei definieren können. Auch können Tabellen zu diesem Zweck erzeugt werden.

Bedienungsfreundliche Physikinterfaces für Akustikanalysen

Druckakustik

Die Druckakustik-Interfaces beschreiben und berechnen das Schallfeld mithilfe eines skalaren Schalldruckfelds. Das Schalldruckfeld repräsentiert die Schallvariationen (oder den Überdruck) in Bezug auf den stationären Umgebungsdruck. Der Umgebungsschalldruck entspricht dem statischen absoluten Schalldruck, sofern keine Strömung vorhanden ist. Die Physikinterfaces ermöglichen die Berechnung im Frequenzbereich mithilfe der Helmholtz-Gleichung und die Berechnung als zeitabhängiges System mithilfe der klassischen Wellengleichung. Ein spezielles Randmodal-Akustik-Interface ermöglicht die Untersuchung der Ausbreitungsformen in Wellenleitern und Kanälen, da sich nur eine endliche Anzahl von Formen oder Moden über längere Strecken ausbreiten können.

Sie können eine Vielzahl von Randbedingungen für harte Grenzflächen, Impedanz, Abstrahlung und Symmetrie sowie periodische Bedingungen zur Modellierung von offenen Begrenzungen und Bedingungen für Quellen festlegen. Die Interfaces verfügen auch über mehrere Modelle mit äquivalentem Fluidansatz, die die Schallausbreitung in komplexeren Medien nachbilden. Dazu zählen poröse Medien und Faserstoffe sowie viskose und wärmeleitende Fluide. Das Rechengebiet kann mit PMLs (Perfectly Matched Layers) begrenzt werden, welche austretende Wellen absorbieren, wodurch ein unendlich ausgedehnter Bereich imitiert wird. Und schließlich kann der Schalldruck außerhalb des Rechengebiets mittels Fernfeld-Funktion ermittelt werden. Spezielle Ergebnisverarbeitungs- und Analysefunktionen ermöglichen die 2D- und 3D-Darstellung des Fernfeldes mithilfe von Polar-Plots.

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Akustik-Struktur-Wechselwirkung

Das Akustik-Struktur-Wechselwirkung-Interface behandelt auf der einen Seite der Fluid-Festkörper-Grenze den Fluiddruck, der auf den Festkörper einwirkt, und auf der anderen Seite die strukturellen Beschleunigungen, die auf das Fluid einwirken. Die Interfaces decken Akustik-Festkörper-, Akustik-Schale- und Akustik-Piezoelektrik-Wechselwirkungen in den jeweiligen Frequenz- und Zeitbereichen sowie in 3D-, 2D- und axialsymmetrischen 2D-Geometriemodellen ab. Die Interfaces, die Schalenelemente mit einbeziehen, sind verfügbar, wenn das Acoustics Module mit dem Struktural Mechanics Module kombiniert wird. Hierdurch stehen weitere Strukturmodellierungsmöglichkeiten zur Verfügung. Das Akustik-Piezoelektrik-Wechselwirkung-Interface ermöglicht nicht nur eine sehr genaue Simulation der Akustikstruktur-Wechselwirkung, sondern auch die Berechnung und Modellierung des elektrischen Feldes im piezoelektrischen Material. In Kombination mit dem AC/DC Module oder MEMS Module können Piezosimulationen mit SPICE-Schaltungen kombiniert werden. Diese Fähigkeit ermöglicht beispielsweise die einfache Beschreibung von bestimmten Teilen eines Wandlers mithilfe von Ersatzschaltungen, während für die anderen Teile die Finite-Elemente-Beschreibung verwendet wird. Die Modelle sind vollständig gekoppelt.

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Die Rohrenakustik-Interfaces (die zusammen mit dem Pipe Flow Module verfügbar sind) werden zur 1D-Modellierung der Schallwellenausbreitung in biegbaren Rohrleitungssystemen eingesetzt. Die Gleichungen wurden allgemein formuliert, um die Auswirkungen der Rohrwandnachgiebigkeit und der möglichen stationären Hintergrundströmungen berücksichtigen zu können. Das Elastische Wellen-Interface stellt eine voll strukturdynamische Formulierung dar, die alle Auswirkungen von Scherwellen und P-Wellen berücksichtigt. Das Poroelastische Wellen-Interface ermöglicht die genaue Modellierung der Schallausbreitung in porösen Materialien und schließt die Zweiwegkopplung von Verformung der Festkörpermatrix und P-Wellen im gesättigten Fluid ein. Diese Kopplung erfolgt mithilfe der Biotschen Theorie.

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Aeroakustik

Im Idealfall beinhalten numerische Aeroakustik (CAA) Simulationen die Lösung der kompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen im Zeitbereich. Die Schalldruckwellen bilden dann eine Teilmenge der Fluidlösung. Dieser Ansatz ist häufig aufgrund der benötigten Rechengenauigkeit, der Rechenzeit und der Speicherressourcen unpraktisch für reale Anwendungen. Stattdessen wird für die Lösung vieler praktischer Aufgabenstellungen ein entkoppelter Zwei-Schritt-Ansatz verwendet: Zuerst wird nach der mittleren Hintergrundströmung gelöst, dann die akustischen Störungen der Strömung. Diese sehr wichtige einseitige Interaktion zwischen einer Hintergrundströmung und mit einem akustischen Feld ist auch als Fluidschall bekannt.

Das wichtigste Werkzeug für Fluidschall sind die Physikinterfaces Linearisiert Euler des Acoustics Modules. Diese werden verwendet, um die akustischen Schwankungen von Druck, Geschwindigkeit und Dichte für einen gegebenen mittleren Hintergrundstrom zu berechnen. Sie lösen die linearisierte Euler-Gleichungen, einschließlich der Energiegleichung mit den Annahmen, dass die Hintergrundströmung ein ideales Gas ist (oder gut durch ein ideales Gas angenähert wird) und dass es keine thermischen oder viskosen Verluste gibt. Die Physikinterfaces Linearisiert Euler stehen für Zeitbereich-, Frequenzbereich- und Eigenfrequenzstudien zur Verfügung. Anwendungsbeispiele in der Aeroakustik mit der linearistieren Euler-Gleichung beinhalten die Analyse der Ausbreitung von Geräuschen einen Strahltriebwerks, die Modellierung der Dämpfungseigenschaften von Schalldämpfer in Gegenwart von nicht-isothermen Strömung und die Untersuchung von Gasdurchflussmessern. Dies sind alles Situationen, in denen eine Hintergrundgasströmung die Ausbreitung von akustischen Wellen beeinflusst.

Zur vereinfachten Ein-Weg-Wechselwirkungen sind Formulierungen basierend auf dem Geschwindigkeitspotential, die Linearisierte Potentialströmung-Physikinterfaces, auch im Frequenz- und Zeitbereich verfügbar. Das Kompressible Potentialströmung-Interface dient zur Modellierung der mittleren Hintergrundströmung einer reibungsfreien, kompressiblen Flüssigkeit, die keine Verwirbelungen hat, da sie von Natur aus wirbelfrei ist. Das Randmodal-Akustik-Interface dient zur Randmodalanalye in Hintergrundströmungsfelder von Akustikanwendungen und wird normalerweise verwendet, um Quellen an Einlässen zu spezifizieren.

Thermoakustik

Das Acoustics Module bietet modernste Modellierungsfähigkeiten für die Thermoakustik (auch thermoviskose Akustik genannt), die eine genaue Akustiksimulation bei Geometrien mit geringen Abmessungen ermöglichen. In der Nähe von Wänden wird eine viskose und thermische Grenzschicht erzeugt, die zu signifikanten Verlusten führt. Daher müssen Wärmeleitungseffekte und Viskositätsverluste in den entsprechenden Gleichungen berücksichtigt werden. In den Thermoakustik-Interfaces werden die linearisierten Gleichungen für kompressible Strömungen gelöst. Dazu zählen die linearisierten Navier-Stokes-, Kontinuitäts- und Energiegleichungen. Da eine detaillierte Beschreibung zur Modellierung von Thermoakustik nötig ist, lösen alle Interfaces gleichzeitig den Schalldruck, die Partikelgeschwindigkeit und die akustische Temperaturschwankungen.

Im Thermoakustik-Interface sind die zugrundeliegenden Gleichungen zeitharmonisch implementiert und werden im Frequenzbereich gelöst. Es stehen sowohl Mechanik- als auch Wärmerandbedingungen zur Verfügung. Der Thermoakustikbereich kann mithilfe einer vordefinierten Randbedingung mühelos mit dem Druckakustikbereich gekoppelt werden. Mithilfe des Thermoakustik-Festkörper-Wechselwirkung-Interface können auf einfache Weise gekoppelte Vibrations-Akustik-Modelle analysiert werden. Sie können mit diesem Interface beispielsweise kleine akustoelektrische Wandler oder die Dämpfung in Mikrosystemen modellieren. Zwischen Festkörper- und Fluidbereich existieren vordefinierte Randbedingungen. Das Thermoakustik-Schale-Wechselwirkung-Interface ermöglicht die Modellierung der Wechselwirkung zwischen Schalenelementen und Akustik in Systemen mit kleinen Abmessungen. Mithilfe dieses Interface können gedämpfte Schwingungen von Schalen in Hörgeräten analysiert und Rückkopplungsprobleme beseitigt werden.

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