Akustik und Vibrationen mit dem Acoustics Module analysieren

Software zur Modellierung des akustischen Verhaltens von Produkten und Designs

Bei Produkten und Designs auftretende akustische Phänomene werden modelliert, um Faktoren wie die Klangqualität und die Lärmminderungsleistung zu untersuchen und vorherzusagen. Das Acoustics Module ist ein Add-On für die COMSOL Multiphysics® Software, das Werkzeuge für die Modellierung von Akustik und Vibrationen für Anwendungen wie Lautsprecher, mobile Geräte, Mikrofone, Schalldämpfer, Sensoren, Sonar, und Durchflussmesser bereitstellt. Sie können die speziellen Features verwenden, um akustische Felder zu visualisieren und virtuelle Prototypen von Geräten oder Komponenten zu erstellen.

Für detaillierte Studien kann die Akustik mit anderen physikalischen Effekten gekoppelt werden, einschließlich Strukturmechanik, Piezoelektrizität und Fluidströmung. Die Software enthält Multiphysik-Kopplungen, die es Ihnen ermöglichen, die Leistung eines Produkts oder Designs in einer Umgebung zu bewerten, die der realen Welt so nahe wie möglich kommt.

Das Acoustics Module enthält außerdem viele spezielle Formulierungen und Materialmodelle, die für bestimmte Anwendungsbereiche verwendet werden können, wie z.B. thermoviskose Akustik in Miniaturwandlern und mobilen Geräten oder Biot's Gleichungen zur Modellierung poroelastischer Wellen. Die multiphysikalische Umgebung wird durch mehrere dedizierte numerische Methoden erweitert, darunter die Finite-Elemente-Methode (FEM), die Boundary-Element-Methode (BEM), die Raytracing-Methode und die diskontinuierliche Galerkin-Finite-Elemente-Methode (dG-FEM).

Was Sie mit dem Acoustics Module modellieren können

Wenn Sie die Plattform COMSOL Multiphysics® mit dem Acoustics Module erweitern, haben Sie neben der Kernfunktionalität der Software COMSOL® auch Zugriff auf Funktionen für spezielle Akustik- und Schwingungsanalysen.

Das Acoustics Module enthält Werkzeuge zum Modellieren:

  • Absorber
  • Akustische Tarnung
  • Akustische Strahlung
  • Akustische Übertragung
  • Mikrofone
  • Mobile Geräte
  • Modalverhalten von Räumen
  • Schalldämpfer
  • Akustik in Fahrzeugkabinen
  • Bioakustische Anwendungen
  • Bulk Acoustic Waves (BAW)
  • Coriolis-Durchflussmesser
  • Diffusoren
  • Durchflussmesser
  • Elektroakustische Wandler
  • Fluid-Struktur-Wechselwirkung (FSI) im Frequenzbereich
  • Hörhilfen
  • Impulsantwort
  • Konzerthallenakustik
  • Konvektive Akustik
  • Körperschall
  • Lautsprecher
  • Lärm und Vibrationen von Maschinen
  • Lärmreduzierende Materialien und Isolierungen
  • MEMS Akustiksensoren
  • MEMS Mikrofone
  • Musikinstrumente
  • Oberflächenwellen (SAW)
  • Öl- und Gasexploration
  • Piezoakustische Wandler
  • Raum- und Bauakustik
  • Reaktive und absorptive Schalldämpfer
  • Sensoren und Empfänger
  • Sonargeräte
  • Schalldämmung
  • Tieftöner und Subwoofer
  • Turbinenlärm
  • Ultraschall
  • Ultraschall-Durchflussmesser
  • Ultraschallwandler
  • Unterwasserakustik
  • Verbrennungsinstabilitäten
  • Vibroakustik
  • Wandler
  • Zerstörungsfreie Prüfung (NDT)
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Multiphysikalische Kopplungen

Im Acoustics Module enthalten:

  • Akustik-Struktur-Wechselwirkung
  • Akustik-Struktur-Wechselwirkung in piezoelektrischen Materialien
  • Akustisch-Poroelastische Wellen-Wechselwirkung
  • Poroelastik-Struktur-Wechselwirkung
  • Kopplung akustischer FEM und BEM Gebiete
  • Wechselwirkung zwischen Akustik und thermoviskoser Akustik
  • Thermoviskose Akustik-Struktur-Wechselwirkung
  • Aeroakustik-Struktur-Wechselwirkung

Mit zusätzlichen Modulen verfügbar:

  • Akustik-Schalen-Wechselwirkung
  • Thermoviskose Akustik-Schalen-Wechselwirkung
  • Schallausbreitung in Rohrleitungssystemen
  • Elektrisches Verhalten Wandlern über Ersatzschaltmodelle
  • Elektrisches Verhalten von Magneten, Spulen und Weicheisenwerkstoffen in Wandlern
  • Hintergrund Mittelwertströmung in der Aeroakustik
  • Poroelastische Wellen-Schalen-Wechselwirkung
Ein Raumakustikmodell zur Analyse des modalen Verhaltens eines Raumes in COMSOL Multiphysics®. Das modale Verhalten eines Raumes wird anhand einer Eigenfrequenzanalyse untersucht. Das Modell enthält komplexe Impedanzbedingungen, um absorbierende Oberflächen zu modellieren.
Ein COMSOL-Modell zur Analyse der Akustik in einer Fahrzeugkabine. Die Schalldruckpegelverteilung in einer Kabine wird von einem kleinen Lautsprecher im Armaturenbrett erzeugt. Das Druckakustikmodell umfasst eine komplexwertige Oberflächenimpedanz des Belags, des Teppichs, der Kunststoffoberfläche und der Sitze.
Ein Multiphysik-Modell für den Entwurf und die Analyse eines Tonpilz-Wandlers. Entwurf und Analyse eines Tonpilz-Wandler-Arrays, das in Sonar-Anwendungen verwendet wird. Das Modell koppelt piezoelektrische Materialstrukturen und mit Randelementen modellierte Akustik im Wasser. Die räumliche Empfindlichkeit wird einfach berechnet und visualisiert.

Um druckakustische Effekte wie Streuung, Beugung, Emission, Strahlung und Schallübertragung zu modellieren, können Sie die Druckakustik-Interfaces verwenden. Problemstellungen werden im Frequenzbereich über die Helmholtz-Gleichung oder im Zeitbereich über die klassische Skalarwellengleichung modelliert.

Es gibt viele Möglichkeiten, Ränder in Akustikmodellen zu berücksichtigen. Beispielsweise können Sie eine Randbedingung für eine Wand oder eine Impedanzbedingung für eine poröse Schicht hinzufügen. Bedingungen wie eine vorgeschriebene Beschleunigung, Geschwindigkeit, Verschiebung oder Druck können auf äußere oder innere Ränder angewendet werden. Darüber hinaus können Sie mit Hilfe von Strahlungs- oder periodischen Floquet-Randbedingungen offene oder periodische Ränder modellieren.

Mit den physikalischen Interfaces für die Druckakustik kann das Verhalten der Schallausbreitung in komplexen Medien, wie z.B. porösen Materialien, modelliert werden. Verschiedene poroakustische Fluidmodelle, wie Delany-Bazley oder Johnson-Champoux-Allard (JCA), bestimmen Verluste in porösen oder faserigen Materialien. Kleinräumige Akustikmodelle berücksichtigen die thermoviskosen Verluste, die mit harten Rändern in kleinen Hohlleitern mit konstantem Querschnitt einhergehen.

Sie können das Außenfeld auch in einem vom Nah- bis zum Fernfeld umfassenden Modell mit offenen Rändern berechnen und visualisieren. Die Richtungsempfindlichkeit und die räumliche Reaktion können mit Polar- und Richtdiagrammen visualisiert werden.

Druckakustik-Interfaces:

  • Druckakustik, Frequenzbereich
    • Lösen Sie Probleme, die durch die Helmholtz-Gleichung beschrieben werden, und schließen Sie viele ingenieurtechnische Beziehungen für Randbedingungen und Strömungsmodelle ein.
    • Verwenden Sie eine Eigenfrequenzanalyse, um akustische Modi und Formen zu finden.
  • Druckakustik, Zeitabhängig
    • Untersuchung der transienten Ausbreitung akustischer Wellen unter Verwendung beliebiger zeitabhängiger Eingangssignale
  • Druckakustik, Randmoden-Akustik
    • Identifizieren und untersuchen Sie propagierende und nicht-propagierende Modi in Wellenleitern und Kanälen
  • Druckakustik, Randelemente
    • Verwenden Sie die Randelementmethode, um Strahlungs- und Streuprobleme effizient zu lösen.
    • Nahtlose Kopplung an die FEM-basierte Physik wie elastische Strukturen und piezoelektrische Materialien Druckakustik, Zeit explizit
    • Verwenden Sie die dG-Methode, um die transiente Schallausbreitung in der Raumakustik zu modellieren oder große Streuprobleme mit rechnerischer Effizienz zu modellieren.

Anwendungsbereiche:

  • Schalldämpfer
  • Lautsprecher
  • Geräuschentwicklung von Maschinen
  • Akustik in Fahrzeugkabinen
  • Modalverhalten in der Raumakustik
  • Absorber und Diffusoren
  • Streuungsprobleme
 

Mit dem Acoustics Module können Sie die Wechselwirkung zwischen Akustik und Strukturmechanik innerhalb eines Produktes oder Designs simulieren. Vordefinierte Interfaces ermöglichen die Untersuchung der Vibroakustik und die automatische Kopplung von Fluid- und Strukturgebieten. Das Solid Mechanics Interface verwendet eine vollständige Strukturdynamikformulierung, die die Effekte von Scher- und Druckwellen in Festkörpern berücksichtigt und elastische Wellen analysiert. Ein spezielles Poroelastische Wellen Interface wird verwendet, um die gekoppelte Ausbreitung von elastischen- und Druckwellen in porösen Materialien durch lösen der Biot-Gleicheungen zu modellieren.

Multiphysikalische Kopplungen können leicht poröse Bereiche, Festkörper, piezoelektrische Materialien und Strömungsgebiete verbinden, um das Verhalten realer Bauteile zu modellieren. Strukturen können vorgespannt und ihr harmonisches Verhalten analysiert werden, während sie vollständig an die Akustik gekoppelt sind.

Anwendungsbereiche:

  • Fahrzeug-Abgasanlagen in Wechselwirkung mit strukturellen Schwingungen
  • Lautsprecherkomponenten
    • Gehäuse
    • Treiber
  • Maschinen
  • Vibroakustik
  • Kopfhörer
  • Schalldämmung und -übertragung in Baustoffen
  • Piezowandler
    • Ultraschallwandler
    • Lineare Arrays
    • Sonar-Wandler
    • Sonar-Arrays
  • Detaillierte Modellierung von porösen Materialien mit poroelastischen Wellen (Biot)
  • Rückkopplungen
Ein Akustik-Struktur-Wechselwirkungsmodell eines Bassreflex-Lautsprechergehäuses. Frequenzbereichsanalyse eines Bassreflex-Lautsprechers zur Bestimmung der senkrechten und der räumlichen Empfindlichkeit. Das Modell kombiniert Strukturmechanik und Akustik und wird mit einer vordefinierten Multiphysik-Kopplung aufgebaut.
Ein COMSOL-Modell zur Analyse des Frequenzgangs eines Tonpilz-Wandlers. Die Frequenzantwort eines Tonpilz-Wandlers wird untersucht, um strukturelle/akustische Resonanzen zu finden: Verformung, Spannungen, Strahlungsdruck, SPL, Fernfeld-Abstrahlmuster, Spannungsübertragungs-Resonanz-Kurve und Richtwirkungsindex des Schallstrahls.
Die Fähigkeiten von COMSOL® in der geometrischen Akustik können verwendet werden, um Hochfrequenzsysteme auszuwerten, bei denen die akustische Wellenlänge kleiner ist als die charakteristischen geometrischen Merkmale. Diese Fähigkeiten sind nützlich für Akustikanalysen von Fahrzeugkabinen, Räumen und Gebäuden wie Konzerthallen sowie für die Modellierungen in der Unterwasser- und der atmosphärischen Akustik.

Geometrische Akustik Interfaces:

  • Strahlenakustik
    • Berechnen der Trajektorien, Phase, und Intensität von akustischen Strahlen und Berechnen der Impulsantworten und Energie-Abklingkurven mit einem spezialisierten Empfängerdatensatz und Postprocessing-Werkzeugen
    • Die Strahlen können sich in abgestuften Medien ausbreiten, was für akustische Unterwasseranwendungen notwendig ist
  • Akustische Diffusionsgleichung
    • Bestimmen der Schalldruckpegelverteilung in gekoppelten Räumen sowie der Nachhallzeiten an verschiedenen Orten
    • Die Akustik wird durch eine Diffusionsgleichung ausgedrückt, um die akustische Energiedichte vereinfacht zu modellieren

Anwendungbereiche:

  • Raumakustik
  • Konzerthallenakustik
  • Unterwasserakustik
  • Fahrzeugkabinenakustik
  • Schallübertragung im Freien
  • Atmosphärische Akustik
Ein Beispiel für die Simulation der Strahlakustik in einem Konzertsaal mit COMSOL Multiphysics® und dem Acoustics Module.

Simulation der Akustik eines kleinen Konzertsaales mit dem Strahlakustik Interface. Randbedingungen umfassen frequenzabhängige Absorptions- und Streuungseigenschaften. Impulsantwort rekonstruiert mit der dedizierten Postprocessing-Funktionalität.

Ein Beispiel für das Studium der Raumakustik mit der COMSOL-Software.

Das Interface Akustische Diffusionsgleichung löst die stationäre SPL-Verteilung (akustische Energiedichte) für eine gegebene Schallquelle in einem zweistöckigen Haus. Ein Eigenwertlöser findet Raum-Nachhallzeiten. Eine zeitabhängige Studie berechnet Energieabfallkurven.

Mit einem entkoppelten zweistufigen Ansatz im Acoustics Module können Sie Fragestellungen der Computational Aeroacoustics (CAA) effizient lösen. Zuerst definieren Sie die Hintergrundströmung mit Hilfe von Werkzeugen aus dem CFD Module oder einem benutzerdefinierten Strömungsprofil; dann lösen Sie das Problem der akustischen Ausbreitung. Dies wird manchmal auch als Konvektionsakustik oder Strömungsgeräuschsimulation bezeichnet.

Vordefinierte Interfaces können akustische Variationen von Druck, Dichte, Geschwindigkeit und Temperatur in Gegenwart einer beliebigen stationären isothermen oder nicht-isothermen Hintergrundströmung berechnen.

Es gibt stabilisierte Finite-Elemente-Formulierungen für:

  • Linearisierte Navier-Stokes-Gleichungen
  • Linearisierter Euler-Gleichungen
  • Linearisierte Potentialströmungen

Die Formulierungen berücksichtigen problemlos den Schall, die Konvektion, die Dämpfung, die Reflexion und die Beugung akustischer Wellen durch die Strömung. Es gibt auch die Möglichkeit für FSI-Analysen im Frequenzbereich mit vordefinierten Kopplungen an elastische Strukturen.

Anwendungsbereiche:

  • Triebwerksgeräusche
  • Schalldämpfer mit Hintergrundströmung
  • Durchflussmesser
  • Coriolis-Durchflussmesser
  • Analyse von Linern und Perforaten in Gegenwart von Strömung
  • Verbrennungsinstabilitäten
 
Ein aeroakustisches Modell zur Analyse eines Helmholtz-Resonators.

Akustikanalyse eines Helmholtz-Resonators und der Effekt der mittleren Strömung im System, modelliert mit dem Interface Linearisierte Navier-Stokes-Gleichungen, Frequenzbereich. Das Modell erfasst die konvektiven Effekte der Strömung und Dämpfung aufgrund von Turbulenzen.

Ein Modell eines Flugzeugtriebwerks, das mit der Software COMSOL Multiphysics erstellt wurde. Das akustische von einer Lärmquelle am Rand erzeugte Feld eines achsensymmetrischen Flugzeugtriebwerks wird modelliert. Simulationsergebnisse werden für Kanäle mit und ohne kompressibler, nicht rotierender Hintergrundströmung und harten und ausgekleideten Kanalwänden berechnet.

Für eine genaue Analyse der akustischen Ausbreitung in Geometrien mit kleinen Abmessungen müssen Sie die Verluste beachten, die mit der Viskosität und der Wärmeleitung einher gehen, insbesondere die Verluste in den viskosen und thermischen Grenzschichten. Diese Effekte werden vollständig berücksichtigt und automatisch in die Gleichungen der thermoviskosen Akustik-Interfaces einbezogen.

Diese Interfaces eignen sich hervorragend für die Modellierung der Vibroakustik in miniaturisierten elektroakustischen Wandlern wie Mikrofonen, mobilen Geräten, Hörgeräten und MEMS-Geräten. Zur detaillierten Modellierung dieser Wandler können Sie die eingebauten Multiphysik-Kopplungen zwischen Festkörpern und thermoviskosen akustischen Gebieten verwenden.

Das Interface berücksichtigt zusätzliche Effekte, einschließlich des vollständigen Übergangsverhaltens von adiabatischem zu isothermem Verhalten bei sehr niedrigen Frequenzen. Es gibt auch ein spezielles Interface für die Berechnung und Identifizierung von propagierenden und nicht-propagierenden Modi in engen Hohlleitern und Kanälen.

Anwendungsbereiche:

  • Mobile Geräte
  • Miniaturwandler
  • MEMS
  • Hörgeräte
  • Mikrofone
  • Perforationen und Lochbleche
Ein Screenshot der Benutzeroberfläche von COMSOL Multiphysics, der ein thermoviskoses Akustikmodell zeigt. Resonanz eines Knowles ED23146 Balanced Armature Receivers (Miniaturlautsprecher) in einem standardisierten Messaufbau. Die Modellresultate sind viel genauer und näher an dem Knowles-Setup, wenn akustische Verluste berücksichtigt werden.

Die Ultraschall Interfaces werden verwendet, um die transiente Ausbreitung akustischer Wellen über große Entfernungen relativ zu den Wellenlängen zu berechnen. Akustische Störungen mit Frequenzen, die für den Menschen nicht hörbar sind, werden als Ultraschall klassifiziert. Das bedeutet, dass Ultraschallwellen eine kurze Wellenlänge haben.

Das Interface Konvektive Wellengleichung, Zeit-explizit wird verwendet, um große transiente lineare akustische Probleme mit vielen Wellenlängen in einer stationären Hintergrundströmung zu lösen. Es eignet sich für zeitabhängige Simulationen mit beliebigen zeitabhängigen Quellen und Feldern.

Die Schnittstelle basiert auf der dG-Methode und verwendet einen zeitexpliziten Löser, der eine sehr speicherarme Methode darstellt.

Anwendungsbereiche:

  • Ultraschall-Durchflussmesser
  • Ultraschallsensoren mit Laufzeitberechnung
  • Transiente Ausbreitung von Schallsignalen in Gegenwart von Strömung
 

Im Acoustics Module enthalte Möglichkeiten und Funktionalitäten

Erkunden Sie in den folgenden Abschnitten einige der wichtigsten Features und Funktionen des Acoustics Modules.

Intuitiver Modellierungs-Workflow

Die COMSOL®-Software bietet einen konsistenten und leicht verständlichen Workflow, unabhängig davon, ob Sie nur mit COMSOL Multiphysics® und dem Acoustics Module arbeiten oder ob Sie mit zusätzlichen Produkten aus der Produktpalette kombinieren. Die Modellierungsschritte sind einfach und umfassen:

  • Definieren der Geometrie
  • Auswählen der Materialien
  • Auswählen der geeigneten Physik-Interfaces
  • Definieren der Ränder und Anfangsbedingungen
  • Automatische Erstellung des Finite Elemente Netzes
  • Lösen der Physik
  • Visualisierung der Ergebnisse

Schnittstellen zu anderen Software Plattformen

Unabhängig davon, ob Sie Tabellenkalkulationsdaten in Ihrem Modell verwenden oder eine komplexe CAD-Geometrie importieren möchten - es gibt für alles ein Schnittstellen-Produkt. Sie können die COMSOL Multiphysics®-Software mit einer Reihe von Drittanbieterprogrammen verbinden, wie z.B. mit MATLAB®-Software, Microsoft® Excel®-Tabellenkalkulationssoftware, Inventor®-Software und mehr mittels zahlreicher LiveLink™ Produkte.

Numerische Methoden und Studien

Die Löser und Methoden, die zur Durchführung von Analysen in der COMSOL®-Software verwendet werden, sind sowohl flexibel als auch effizient. Probleme in der Akustik erstrecken sich über viele Frequenzdekaden. Die Berechnungskomplexität kann stark von der akustischen Formulierung abhängen. Folglich ist nicht eine einzige Methode oder numerische Technik für alle akustischen Probleme geeignet.

Das Acoustics Module beinhaltet vier verschiedene Berechnungsmethoden: FEM, BEM, Raytracing und dG-FEM, wie unten beschrieben. Verschiedene Studientypen ergänzen die verschiedenen numerischen Formulierungen, um alle notwendigen Analysetypen zu ermöglichen. Dies beinhaltet unter anderem Frequenzbereichs-, Eigenfrequenz- und Eigenmoden- sowie transiente Studien. Spezielle iterative Methoden ermöglichen die Modellierung großer multiphysikalischer und multimethodischer Aufgaben mit vielen Millionen Freiheitsgraden.

Das Acoustics Module enthält Formulierungen auf Basis von:

  • FEM
    • Die gebräuchlichste und vielseitigste Methode, die eine Diskretisierung von Elementen höherer Ordnung beinhaltet.
    • Frequenzbereich und Zeitbereich-implizite Formulierungen
  • BEM
    • Integrale Formulierung der maßgebenden Gleichungen, welche nur Oberflächennetze erfordert
    • Bietet volle Multiphysik-Fähigkeiten für die nahtlose Kopplung an Strukturen (Festkörper, Schalen, Membrane) und an akustische FEM-Bereiche.
  • dG-FEM
    • Zeitlich explizite dG-Methode
    • Speichereffiziente Technik für transiente Simulationen großer Modelle mit vielen Millionen Freiheitsgraden
  • Strahlenmethoden
    • Modellierung der Hochfrequenzakustik, z.B. für Unterwasser- und Raumakustiksimulationen

Das Acoustics Module beinhaltet folgende Studien:

  • Frequenzbereich
    • Berechnen akustischer Antworten und Verhalten über einen Frequenzbereich
  • Transient
    • Laufzeitberechnung * Transiente Einschwingzeiten simulieren * Breitbandige akustische Signale analysieren * Simulieren nichtlinearen Verhaltens
  • Eigenfrequenz
    • Berechnen von Moden und Resonanzfrequenzen von geschlossen Räume und Strukturen
    • Güte- und Verlustfaktoren extrahieren
  • Modalanalyse
    • Berechnen und Identifizieren von sich ausbreitenden und nicht ausbreitenden Moden in Wellenleitern und Kanälen

Akustische Verluste

Es ist einfach, akustische Verluste in einem Modell zu berücksichtigen. So können Sie z.B. poröse und faserige Materialien modellieren, indem Sie die Biot-Theorie über das Interface Poroelastische Wellen lösen. Alternativ können poröse Domänen mit einem äquivalenten Fluidansatz mit Hilfe des Poroakustik Materialmodells in der Druckakustik modelliert werden. Die Poroakustik umfasst beispielsweise die Modelle Delany-Bazley, Miki und Johnson-Champoux-Allard. Verluste und Dämpfung können auch als benutzerdefinierte Ausdrücke, analytische Modelle oder Daten auf der Grundlage von Messungen einbezogen werden.

Detaillierte Modelle mit thermischen und viskosen Verlusten können mit dem Interface Thermoviskose Akustik erstellt werden. Dazu gehören alle Effekte, die mit den akustisch viskosen und/oder thermischen Grenzschichten verbunden sind. Um ihre Dämpfung zu modellieren, können Sie mit Hilfe der eingebauten Multiphysik-Kopplungen an schwingende Strukturen koppeln. In Hohlleitern oder Strukturen mit konstantem Querschnitt kann ein vereinfachter Ansatz, basierend auf der Homogenisierung der Grenzschichtverluste, mit Hilfe des Materialmodells Akustik in engen Bereichen bei druckakustischen Fragestellungen erreicht werden. Die Dämpfung von akustischen Signalen, welche durch ein Fluid mit hohen Strömungsgradienten, Temperaturgradienten oder Turbulenzen laufen, kann mit dem Interface Linearisierte Navier-Stokes-Gleichungen detailliert modelliert werden. Die Hintergrundströmung kann mit allen Möglichkeiten des CFD-Modules berechnet werden.

 

Elektroakustische Möglichkeiten

Bei der Modellierung von Schallwandlern aller Art werden die Fähigkeiten des Acoustics Modules mit denen des AC/DC Modules oder des MEMS Modules kombiniert, um vollständig gekoppelte multiphysikalische FEM-Modelle zu erstellen. Dazu gehören die detaillierte Modellierung von Magneten und Schwingspulen in Lautsprechertreibern oder die elektrostatischen Kräfte in Kondensatormikrofonen. In elektro-mechanisch-akustischen Wandlersystemen ist es einfach, die elektrischen und mechanischen Komponenten durch die Verwendung von Ersatzschaltbildern zu vereinfachen. Beide Ansätze werden mit einer vollwertigen Zwei-Wege-Kopplung gelöst.

Zu den Anwendungen gehören unter anderem:

  • Vollständig gekoppelte Lautsprechermodellierung
  • Lautsprechertreiber
  • Kopplung von Modellen mit Ersatzschaltbildern an FEM-Bereiche
  • Einsatz des AC/DC Modules zur Optimierung magnetischer Komponenten
  • Mikrofone
  • MEMS-Mikrofone

Offene Gebiete und Strahlungsprobleme

In der Akustik ist es üblich, offene Gebiete zu simulieren, bei denen akustische Wellen reflexionsfrei ausstrahlen sollen. Dazu gehört die Modellierung der räumlichen Sensitivität von Schallwandlern oder von Streuproblemen in Sonaranwendungen. Die Modellierung nicht-reflektierender Ränder wird mit verschiedenen Techniken und Merkmalen erreicht. Für eher einfache Probleme gibt es Impedanz- und Strahlungsbedingungen. Für komplexere Abstrahlmuster oder ausgefeiltere physikalische Vorgänge kann es vorteilhaft sein, eine absorbierende Schicht zu verwenden.

Das Akustikmodul enthält für diesen Zweck mehrere Formulierungen:

  • Perfekt aufeinander abgestimmte Schichten (PMLs), die in allen Frequenzbereichsmodellen angewendet werden können
  • Für den Zeitbereich formulierte PMLs für das Interface Druckakustik, Zeitabhängig
  • Sogenannte Absorbing Layers (ALs), die es für alle Interfaces auf Basis der dG-FEM-Formulierung und für das Linearisierte Euler Interface gibt

Mit Hilfe der Multiphysik-Fähigkeiten für die Modellierung mit dem hybriden FEM-BEM-Ansatz werden offene Gebiete effizient mit BEM und dem Interface Druckakustik, Randelemente behandelt.

 

Gleichungsbasierte Modellierung: Modifizieren der Gleichungen oder Erstellen eigener Multiphysik-Kopplungen

Um die volle Kontrolle über die Simulationen zu haben, können Sie mit Hilfe der gleichungsbasierten Modellierung die maßgebenden Gleichungen und Randbedingungen direkt in der Software modifizieren und weitere Modelle für Ihre eigenen Analysen anpassen. Beispielsweise können Sie physikalische Phänomene modellieren, die nicht im Acoustics Module vordefiniert sind, oder neue Multiphysik-Kopplungen einrichten. Dazu gehört die Modifikation von Materialmodellen zur Modellierung nichtlinearer Effekte durch Hinzufügen oder Modifizieren konstitutiver Beziehungen. Auch Nicht-Standard-Kopplungen physikalischer Effekte sind möglich. Beispiele hierfür sind die Kopplung von Akustik und CFD zur Modellierung von akustischen Strömungen oder die nichtlinearen Effekte der Wirbelablösung durch akustische Wellen.

Als zusätzlichen Vorteil können Sie durch die Verwendung der gleichungsbasierten Modellierung dank des Wegfalls der Notwendigkeit grundlegender Programmierung die Flexibilität in Ihren Modellierungsvorhaben erheblich erhöhen und dabei den Zeitaufwand für die Einrichtung der Simulationen reduzieren.

Simulations-Apps: Vereinfachter Modellierungs-Workflow

Denken Sie an die Zeit und Energie, die Sie neuen Projekten widmen könnten, wenn Sie keine wiederholten Simulationstests für Kollegen in Ihrem Team durchführen müssten. Mit dem in COMSOL Multiphysics® integrierten Application Builder können Sie Simulations-Apps erstellen, die den Simulationsworkflow weiter vereinfachen: Sie können die Modelleingaben einschränken und die Ausgaben steuern, sodass Kollegen eigene Analysen durchführen können.

Mit Apps können Sie einfach einen Design-Parameter ändern, wie z.B. die akustische Impedanz, und die Änderungen dann beliebig oft testen, ohne die gesamte Simulation neu erstellen zu müssen. Sie können Apps verwenden, um Ihre eigenen Simulationen schneller auszuführen, oder verteilen die Apps an Teammitglieder, damit diese die Durchführung selbst in die Hand nehmen können und somit Ihre Zeit und Ihre Ressourcen für andere Projekte frei werden.

Der Prozess ist einfach:

  • Ergänzen Sie Ihr komplexes Akustikmodell um eine einfache Benutzeroberfläche (eine App)
  • Passen Sie die App an Ihre Bedürfnisse an, indem Sie die Ein- und Ausgaben für die App-Benutzer auswählen
  • Verwenden Sie das Produkt COMSOL Server™, um Apps zu katalogisieren und anderen Teammitgliedern zugänglich zu machen
  • Ermöglichen Sie Ihrem Team, ohne Ihre weitere Unterstützung eigene Designanalysen durchzuführen.

Sie erweitern die Möglichkeiten der Simulation in Ihrem Team, Ihrer Organisation, Ihrem Schulungsraum oder Ihrem Kundenstamm, indem Sie Simulations-Apps erstellen und verwenden.

Ein Beispiel für eine Simulations-App, die mit COMSOL Multiphysics und dem Acoustics Module erstellt wurde. Eine Simulations-App zur Analyse akustischer Reflektionen, die mit dem Application Builder in COMSOL Multiphysics und dem Add-on Acoustics Module erstellt wurde.

Nächster Schritt:
Eine Software Demonstration
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Jedes Geschäftsfeld und jeder Simulationsbedarf ist anders. Um zu beurteilen, ob die Software COMSOL Multiphysics® Ihren Anforderungen entspricht, sollten Sie sich mit uns in Verbindung setzen. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie personalisierte Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen dabei helfen, eine qualifizierte Bewertung treffen zu können. Sie werden außerdem bei der Auswahl der passenden Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse unterstützt. Klicken Sie einfach auf die Schaltfläche "COMSOL kontaktieren", geben Sie Ihre Kontaktdaten sowie Ihre spezifischen Kommentare und Fragen ein und senden Sie diese ab. Sie erhalten innerhalb eines Arbeitstages eine Antwort von einem Vertriebsmitarbeiter.