COMSOL聲學
關注創建者：甄工 創建時間：2019-11-14
COMSOL聲學的視頻教程
COMSOL 聲學仿真
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Comsol聲學仿真小白零基礎入門課程
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COMSOL聲學的實例教程
COMSOL多物理場仿真軟件以高效的計算性能和杰出的多場耦合分析能力實現了精確的數值 仿真，已被廣泛應用于各個領域的科學研究以及工程計算，為工程界和科學界解決了復雜的多物 理場建模問題。COMSOL內嵌的聲學模塊可以方便地進行多孔聲學和粘熱聲學的模擬仿真。軟件數 值計算得到的云圖，可以將聲壓、速度、聲強以及聲能耗散等結果可視化，十分有利于學生對聲 學的學習和理解。結合目前許多學生對實驗開展的痛難點，將COMSOL仿真引入實驗當中，通過軟 件的可視化處理有效直觀的展示復雜物理場和集合模型仿真的流程，與實驗數據結合，使得文章 內容具有說服力、預見性和新穎性。為促進大家理論知識學習和軟件仿真學習，開拓創新性思維， 解決大家在COMSOL仿真學習過程中遇到的問題，特舉辦“COMSOL Multiphysics多物理場仿真技 術與應用”聲學專題培訓班，本次培訓主辦方為北京軟研國際信息技術研究院，承辦方互動派 （北京）教育科技有限公司，相關事宜通知如下：
二、培訓特色： 1. 本次課程共 3 天，采用線下面對面授課、Step by step 的教學方式、課后提供無限次回放 視頻，發送全部案例模型文件，建立永不解散的課程群，長期互動交流；以具體案例和 科研論文為實例，討論在處理具體問題時如何應用 comsol 以及如何做出能夠發表的結果； 2. 基礎入門階段采用Step by step的教學方式帶著做具體的案例，在案例中學習COMSOL應 用必備技能，幫助學員快速掌握COMSOL的仿真框架，建立正確的仿真思路。 3. 通過分模塊詳解：掌握各種邊界條件和域條件的設置方法和技巧，區分每個邊界條件或 域條件應該在什么場景中應用；掌握網格劃分標準及優化技巧，深入探索從模擬中獲得 的結果，對單聲換能器、聲表面波傳感器、聲學超材料、聲子晶體等的 設計進行優化。 4.
展開 研究內容：
基于目前學者所設計的超材料結構設計了一種薄膜型聲學超材料的單元模型，支撐框架、彈性薄膜和空心質量塊。支撐框架是固定并張緊薄膜類似彈簧的作用。
圖1.薄膜型聲學超材料的結構示意圖
技術路線：
在comsol中對薄膜聲學超材料低頻降噪進行仿真分析。
1.添加固體力學和壓力聲學多物理場耦合：
圖2.物理場的選擇
2.建立薄膜聲學超材料的幾何模型并完成網格的劃分：
圖3.幾何模型的構建
圖4.網格的劃分
3.變量定義以及材料屬性的添加：
定義吸聲系數的變量，添加薄膜和質量塊的材料屬性如下圖5.6。
圖5.變量定義
圖6.質量塊和薄膜材料屬性的定義
4.邊界條件的添加：
在入射聲場和透射聲場的端面添加平面波輻射邊界條件，以防止聲波的反射。同時在薄膜的四周添加固定約束邊界條件，用于模擬薄膜被支撐框架固定的邊界條件。
5.添加研究，對吸聲系數的頻率分析：
圖7.薄膜聲學超材料的吸聲系數
圖8.論文中的吸聲曲線
基于以上分析，可改變參數對其參數化掃描，即可得到薄膜型聲學超材料的結構化參數的影響。
最后,有相關需求,歡迎通過公眾號聯系我們.
公眾號:320科技工作室
展開 研究內容：
傳統的聲學吸收器被用于具有與工作波長相當的厚度的結構，這在低頻范圍的實際應用中造成了主要障礙。我們提出了一種基于超表面的完美吸收體，能夠在極低頻區域實現聲波的完全吸收。具有深亞波長厚度至特征尺寸k＝223的超表面由多孔板和螺旋共面氣室組成。基于完全耦合的聲學熱力學方程和理論阻抗分析的模擬被用于揭示基礎物理和聲學性能，顯示出極好的一致性。
圖1.傳統微穿孔板與聲學超表面的結構示意圖
圖2.論文中阻抗分析和數值模擬的吸聲系數曲線
數值模擬：
在comsol中利用熱黏性聲學接口對聲學超材料的聲學特性進行仿真分析。建立的幾何模型如下所示。
圖3.幾何模型的構建
吸聲系數曲線的數值模擬值如下所示：
圖4.數值模擬中的吸聲系數
理論計算：
通過聲電類比法計算得到聲學超表面的吸聲系數，其理論計算如下：
首先由經典的微穿孔理論得到吸聲結構的聲阻抗和吸聲系數：
yc為環繞型腔體的等效聲阻抗：
在計算軟件中導入吸聲系數理論計算的公式，從而計算出吸聲系數曲線
吸聲系數曲線的理論計算值如下所示
圖5.理論計算得到的吸聲系數
綜上，理論計算和數值分析的吸聲系數曲線具有很好的一致性，同時與論文中的結果完全相同。
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”聯系我們
展開 近年來，聲學超材料發展迅速，具有前所未有的優異低頻性能。已經設計了一系列亞波長厚度的超材料，以實現對低頻聲音的100%吸收。例如，由彈性膜和剛性盤組成的膜型超材料可以吸收某些頻率下幾乎所有的入射聲能，其厚度甚至比峰值吸收波長小兩個數量級。然而，由于薄膜柔軟，它很容易受到機械損傷。卷曲空間超材料是另一種重要的聲學超材料，它可以通過增加聲路來實現極端的吸聲性能。然而，由于諧振特性，大多數超材料只能在窄頻帶內獲得良好的吸收性能，這限制了實際應用。
研究內容：
我們提出了一種具有多級吸聲的薄多單元超表面的理論和實驗實現，該超表面在450 Hz–1360 Hz的寬帶范圍內表現出連續的近乎完美的吸收光譜。超表面單元是穿孔復合亥姆霍茲諧振器（PCHR），其通過將一個或多個帶有小孔的分離板插入亥姆霍茨諧振器（HR）的內部來構造。可以實現多階吸聲機制，使得在原始吸收峰值和結構尺寸不變的情況下，通過PCHR單元在更高的頻率下獲得多個接近完美的峰值。
圖1.PCHR裝置的三維視圖及xy平面截面圖
圖2.二階PCHR單元（藍色）和原始HR（紅色）的吸聲系數
數值模擬：
為了驗證這一理論模型，使用商業軟件COMSOL Multiphysics開發了一個數值模擬模型。由于粘性摩擦和熱傳導對聲能量耗散有很大影響，本模型采用壓力聲學-熱黏性聲學相互作用模塊。
（1）建立幾何模型
圖3.幾何模型的構建
（2）設置物理場
圖4.物理場的設置
（3）吸聲系數計算
圖5顯示了PCHR仿真復現的吸聲系數，數值模型計算的吸聲系數與原文中結果相比顯示出了良好的一致性。
展開 這篇文章我們介紹了如何計算各種瞬態聲學指標，包括頻率權重、時間權重和時間平均。這里概述的定義和主要后處理步驟可用于任何瞬態聲學仿真。
本文來自：COMSOL博客
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混合超材料吸收器示意圖
圖2.論文中數值模擬的吸聲系數曲線
數值模擬：
在comsol中利用壓力聲學接口對聲學超材料的聲學特性進行仿真分析。仿真分析的步驟如下所示。
薄膜型聲學超材料的隔聲原理主要涉及到聲波在材料中的傳播和反射。 當聲波進入薄膜型聲學超材料時，它們會遇到由多層薄膜構成的結構單元。由于這些單元的尺寸接近于聲波波長，聲波會產生與材料中的結構單元相互作用的效應，這種效應會產生反射、衍射和干涉等現象。 通過合理設計和優化材料結 構，薄膜型聲學超材料可以實現對特定頻率范圍內聲波的反射和吸收，從而達到隔聲的效果。具體來說，當聲波遇到薄膜型聲學超材料時
研究背景：
在隔聲領域，高頻噪聲屬于易于隔離的頻段噪聲，使用隔音板或隔音墻便可達到良好的隔聲效果。而低頻噪聲由于具有波長大、穿透性強、傳播距離遠等特點，根據質量作用定律，傳統的隔聲材料需要通過不斷增加材料的重量、體積來提升低頻隔聲效果，一方面顯著增加了隔聲成本，另一方面也占用了大量有效空間，因此，如何在不顯著增加材料重量和體積的前提下提升低頻隔聲效果
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研究內容：
傳統的聲學吸收器被用于具有與工作波長相當的厚度的結構，這在低頻范圍的實際應用中造成了主要障礙。我們提出了一種基于超表面的完美吸收體，能夠在極低頻區域實現聲波的完全吸收。具有深亞波長厚度至特征尺寸k＝223的超表面由多孔板和螺旋共面氣室組成。基于完全耦合的聲學熱力學方程和理論阻抗分析的模擬被用于揭示基礎物理和聲學性能，顯示出極好的一致性。
研究背景：
由于傳統材料的能量耗散較弱，低頻吸聲一直是研究人員面臨的一個具有挑戰性的課題。近年來，聲學超材料發展迅速，具有前所未有的優異低頻性能。已經設計了一系列亞波長厚度的超材料，以實現對低頻聲音的100%吸收。例如，由彈性膜和剛性盤組成的膜型超材料可以吸收某些頻率下幾乎所有的入射聲能，其厚度甚至比峰值吸收波長小兩個數量級。然而，由于薄膜柔軟，它很容易受到機械損傷。卷曲空間超材料是另一種重要的聲學超材料
設置物理場：選擇COMSOL中的聲學物理場和結構力學物理場模塊，將它們耦合起來以模擬超聲波在鋼管中的傳播和反射過程。
4. 定義邊界條件：設置超聲波的入射角度、頻率和振幅等參數，并將其作為邊界條件施加在鋼管模型的表面。可以根據實際情況選擇合適的邊界條件。
5. 運行仿真：使用COMSOL的求解器運行仿真計算，模擬超聲波在鋼管中的傳播和與裂紋的相互作用。
研究背景：
從聲學超材料出現到薄膜型和薄板型聲學超材料局域共振隔聲機理的廣泛研究，其負等效質量和負等效密度特性打破了傳統吸隔聲材料質量定律的限制，為低頻吸隔聲提供了新途徑。由吸聲系數理論模型可知，薄膜型結構的吸聲性能與振型模態、相對聲阻抗率有關。對有無附加質量塊的薄膜型結構進行預應力模態分析，探討振型模態與吸聲系數曲線的對應關系。
研究內容：
由吸聲系數理論模型可知
COMSOL內嵌的聲學模塊可以方便地進行多孔聲學和粘熱聲學的模擬仿真。軟件數 值計算得到的云圖，可以將聲壓、速度、聲強以及聲能耗散等結果可視化，十分有利于學生對聲 學的學習和理解。結合目前許多學生對實驗開展的痛難點，將COMSOL仿真引入實驗當中，通過軟 件的可視化處理有效直觀的展示復雜物理場和集合模型仿真的流程，與實驗數據結合，使得文章 內容具有說服力、預見性和新穎性。
COMSOL 聲學技術經理 Mads Herring Jensen 介紹說。
智能手機中微型揚聲器的聲輻射強度仿真結果圖。
該仿真使用了COMSOL® 6.1版本的熱黏性聲學新功能。
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