COMSOL聲學(xué)模擬
關(guān)注創(chuàng)建者：甄工 創(chuàng)建時(shí)間：2019-11-14
COMSOL聲學(xué)模擬的視頻教程
COMSOL 聲學(xué)仿真
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COMSOL聲學(xué)模擬的實(shí)例教程
近年來，聲學(xué)超材料發(fā)展迅速，具有前所未有的優(yōu)異低頻性能。已經(jīng)設(shè)計(jì)了一系列亞波長厚度的超材料，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)。然而，由于薄膜柔軟，它很容易受到機(jī)械損傷。卷曲空間超材料是另一種重要的聲學(xué)超材料，它可以通過增加聲路來實(shí)現(xiàn)極端的吸聲性能。然而，由于諧振特性，大多數(shù)超材料只能在窄頻帶內(nèi)獲得良好的吸收性能，這限制了實(shí)際應(yīng)用。
研究內(nèi)容：
我們提出了一種具有多級(jí)吸聲的薄多單元超表面的理論和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，該超表面在450 Hz–1360 Hz的寬帶范圍內(nèi)表現(xiàn)出連續(xù)的近乎完美的吸收光譜。超表面單元是穿孔復(fù)合亥姆霍茲諧振器（PCHR），其通過將一個(gè)或多個(gè)帶有小孔的分離板插入亥姆霍茨諧振器（HR）的內(nèi)部來構(gòu)造。可以實(shí)現(xiàn)多階吸聲機(jī)制，使得在原始吸收峰值和結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，通過PCHR單元在更高的頻率下獲得多個(gè)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(lán)色）和原始HR（紅色）的吸聲系數(shù)
數(shù)值模擬：
為了驗(yàn)證這一理論模型，使用商業(yè)軟件COMSOL Multiphysics開發(fā)了一個(gè)數(shù)值模擬模型。由于粘性摩擦和熱傳導(dǎo)對(duì)聲能量耗散有很大影響，本模型采用壓力聲學(xué)-熱黏性聲學(xué)相互作用模塊。
（1）建立幾何模型
圖3.幾何模型的構(gòu)建
（2）設(shè)置物理場
圖4.物理場的設(shè)置
（3）吸聲系數(shù)計(jì)算
圖5顯示了PCHR仿真復(fù)現(xiàn)的吸聲系數(shù)，數(shù)值模型計(jì)算的吸聲系數(shù)與原文中結(jié)果相比顯示出了良好的一致性。
展開 研究內(nèi)容：
傳統(tǒng)的聲學(xué)吸收器被用于具有與工作波長相當(dāng)?shù)暮穸鹊慕Y(jié)構(gòu)，這在低頻范圍的實(shí)際應(yīng)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(qū)域?qū)崿F(xiàn)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?；谕耆詈系?em>聲學(xué)熱力學(xué)方程和理論阻抗分析的模擬被用于揭示基礎(chǔ)物理和聲學(xué)性能，顯示出極好的一致性。
圖1.傳統(tǒng)微穿孔板與聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2.論文中阻抗分析和數(shù)值模擬的吸聲系數(shù)曲線
數(shù)值模擬：
在comsol中利用熱黏性聲學(xué)接口對(duì)聲學(xué)超材料的聲學(xué)特性進(jìn)行仿真分析。建立的幾何模型如下所示。
圖3.幾何模型的構(gòu)建
吸聲系數(shù)曲線的數(shù)值模擬值如下所示：
圖4.數(shù)值模擬中的吸聲系數(shù)
理論計(jì)算：
通過聲電類比法計(jì)算得到聲學(xué)超表面的吸聲系數(shù)，其理論計(jì)算如下：
首先由經(jīng)典的微穿孔理論得到吸聲結(jié)構(gòu)的聲阻抗和吸聲系數(shù)：
yc為環(huán)繞型腔體的等效聲阻抗：
在計(jì)算軟件中導(dǎo)入吸聲系數(shù)理論計(jì)算的公式，從而計(jì)算出吸聲系數(shù)曲線
吸聲系數(shù)曲線的理論計(jì)算值如下所示
圖5.理論計(jì)算得到的吸聲系數(shù)
綜上，理論計(jì)算和數(shù)值分析的吸聲系數(shù)曲線具有很好的一致性，同時(shí)與論文中的結(jié)果完全相同。
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展開 COMSOL多物理場仿真軟件以高效的計(jì)算性能和杰出的多場耦合分析能力實(shí)現(xiàn)了精確的數(shù)值 仿真，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算，為工程界和科學(xué)界解決了復(fù)雜的多物 理場建模問題。COMSOL內(nèi)嵌的聲學(xué)模塊可以方便地進(jìn)行多孔聲學(xué)和粘熱聲學(xué)的模擬仿真。軟件數(shù) 值計(jì)算得到的云圖，可以將聲壓、速度、聲強(qiáng)以及聲能耗散等結(jié)果可視化，十分有利于學(xué)生對(duì)聲 學(xué)的學(xué)習(xí)和理解。結(jié)合目前許多學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)開展的痛難點(diǎn)，將COMSOL仿真引入實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，通過軟 件的可視化處理有效直觀的展示復(fù)雜物理場和集合模型仿真的流程，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合，使得文章 內(nèi)容具有說服力、預(yù)見性和新穎性。為促進(jìn)大家理論知識(shí)學(xué)習(xí)和軟件仿真學(xué)習(xí)，開拓創(chuàng)新性思維， 解決大家在COMSOL仿真學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，特舉辦“COMSOL Multiphysics多物理場仿真技 術(shù)與應(yīng)用”聲學(xué)專題培訓(xùn)班，本次培訓(xùn)主辦方為北京軟研國際信息技術(shù)研究院，承辦方互動(dòng)派 （北京）教育科技有限公司，相關(guān)事宜通知如下：
二、培訓(xùn)特色： 1. 本次課程共 3 天，采用線下面對(duì)面授課、Step by step 的教學(xué)方式、課后提供無限次回放 視頻，發(fā)送全部案例模型文件，建立永不解散的課程群，長期互動(dòng)交流；以具體案例和 科研論文為實(shí)例，討論在處理具體問題時(shí)如何應(yīng)用 comsol 以及如何做出能夠發(fā)表的結(jié)果； 2. 基礎(chǔ)入門階段采用Step by step的教學(xué)方式帶著做具體的案例，在案例中學(xué)習(xí)COMSOL應(yīng) 用必備技能，幫助學(xué)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(shè)置方法和技巧，區(qū)分每個(gè)邊界條件或 域條件應(yīng)該在什么場景中應(yīng)用；掌握網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)及優(yōu)化技巧，深入探索從模擬中獲得 的結(jié)果，對(duì)單聲換能器、聲表面波傳感器、聲學(xué)超材料、聲子晶體等的 設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。 4.
展開 這些指標(biāo)很有用，例如，如果你想使瞬態(tài)模擬的結(jié)果更容易在對(duì)數(shù)尺度上解釋，將結(jié)果與聲壓級(jí)計(jì)的測量結(jié)果進(jìn)行比較，或者對(duì)瞬態(tài)信號(hào)將如何被人耳感知感興趣。
這篇文章我們介紹了如何計(jì)算各種瞬態(tài)聲學(xué)指標(biāo)，包括頻率權(quán)重、時(shí)間權(quán)重和時(shí)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(tài)聲學(xué)仿真。
本文來自：COMSOL博客
研究背景：
從聲學(xué)超材料出現(xiàn)到薄膜型和薄板型聲學(xué)超材料局域共振隔聲機(jī)理的廣泛研究，其負(fù)等效質(zhì)量和負(fù)等效密度特性打破了傳統(tǒng)吸隔聲材料質(zhì)量定律的限制，為低頻吸隔聲提供了新途徑。由吸聲系數(shù)理論模型可知，薄膜型結(jié)構(gòu)的吸聲性能與振型模態(tài)、相對(duì)聲阻抗率有關(guān)。對(duì)有無附加質(zhì)量塊的薄膜型結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，探討振型模態(tài)與吸聲系數(shù)曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
研究內(nèi)容：
由吸聲系數(shù)理論模型可知，薄膜型結(jié)構(gòu)的吸聲性能與振型模態(tài)、相對(duì)聲阻抗率有關(guān)，對(duì)有無附加質(zhì)量塊的薄膜型結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，探討振型模態(tài)與吸聲系數(shù)曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
圖1.薄膜型結(jié)構(gòu)
圖2.無中心質(zhì)量塊薄膜型結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)分析
圖3. 含中心質(zhì)量塊薄膜型結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)分析
數(shù)值模擬：
分別對(duì)有無附加質(zhì)量塊的薄膜型結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，預(yù)應(yīng)力模態(tài)仿真選取的聚酰亞胺薄膜彈性模量為 2.35GPa，泊松比為 0.38，選取的結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量塊彈性模量為 200GPa，泊松比為 0.30。進(jìn)行COMSOL 預(yù)應(yīng)力模態(tài)仿真時(shí)，圓形薄膜結(jié)構(gòu)采用膜單元(Membrane)，薄膜中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行添加質(zhì)量處理，除邊界條件的設(shè)置外，還需在薄膜表面施加初始面應(yīng)力 200N/m。仿真分析的步驟如下所示。
（1）建立幾何模型
圖4.幾何模型的構(gòu)建
（2）設(shè)置物理場
圖5.物理場的設(shè)置
（3）模態(tài)分析
無附加質(zhì)量塊張緊圓膜結(jié)構(gòu)和附加圓形質(zhì)量塊薄膜型結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率和模態(tài)振型仿真結(jié)果如圖?？梢钥闯鲈?em>comsol中利用膜單元對(duì)薄膜型結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)分析結(jié)果與原文中對(duì)應(yīng)的十分準(zhǔn)確。
圖6. 復(fù)現(xiàn)無中心質(zhì)量塊薄膜型結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)
圖7.
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COMSOL聲學(xué)模擬的最新內(nèi)容
基于comsol漸變光纖的模擬2個(gè)月前
朋友們，好久不見啦。今天我給大家介紹一種利用comsol進(jìn)行可編輯優(yōu)化設(shè)置的漸變光纖模擬。具體如下：
首先，構(gòu)建出四層芯包結(jié)構(gòu)，為溝道形漸變光纖，其中最中間的纖芯為漸變芯。第二圈為溝道包層。依此類推對(duì)每個(gè)光纖區(qū)域的材料參數(shù)進(jìn)行配置。如下：
其次，我們需要考慮插入漸變函數(shù)，因此需要再定義中引入?yún)⒆兞浚?需要注意的是，該函數(shù)為關(guān)于半徑
COMSOL模擬巖石破裂7個(gè)月前
在COMSOL中采用連續(xù)損傷力學(xué)方法實(shí)現(xiàn)巖石破裂系列案例介紹
采用COMSOL with matlab功能模擬巖石破裂，使用張拉剪切破壞準(zhǔn)則和威布爾非均質(zhì)材料屬性分布?？蓪?shí)現(xiàn)的功能如下：
1、完整巖石單軸，三軸破裂
2、預(yù)制裂隙巖石單軸，三軸破壞
3、流固耦合，熱流固耦合實(shí)現(xiàn)巖石的水力壓裂，超臨界CO2壓裂破壞
4、采用零厚度DFN方法，實(shí)現(xiàn)含復(fù)雜天然裂隙巖石中注水壓裂模擬
5、結(jié)合自己方向再開發(fā)
COMSOL多邊形骨料堆積混凝土水化熱傳熱模擬11個(gè)月前
混凝土水化熱溫降研究對(duì)保障結(jié)構(gòu)安全與耐久性至關(guān)重要，溫升后溫差易引發(fā)溫度應(yīng)力，導(dǎo)致裂縫。本案例介紹在COMSOL內(nèi)建立多邊形骨料堆積混凝土細(xì)觀模型，并對(duì)水化熱產(chǎn)生后的傳熱及溫度變化進(jìn)行仿真模擬。
骨料堆積混凝土細(xì)觀模型采用CAD多邊形密堆積2D插件建立，插件內(nèi)置動(dòng)力學(xué)算法，可模擬多邊形骨料顆粒在重力作用下的堆積模型。
三維梯度多孔結(jié)構(gòu)（FGM）是一種孔隙率、孔徑等參數(shù)在三維空間內(nèi)呈梯度分布的多孔材料。梯度孔隙結(jié)構(gòu)的研究可優(yōu)化傳熱傳質(zhì)效率，調(diào)控流動(dòng)路徑，提升能源存儲(chǔ)與材料性能，為復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵理論支持。本案例介紹在COMSOL內(nèi)建立三維球體梯度孔隙結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行滲流仿真模擬。
梯度多孔介質(zhì)FGM模型采用CAD球體功能梯度材料3D插件建立，模型在AutoCAD
基于粗糙度表面的裂隙流研究對(duì)于理解地下水的流動(dòng)、污染物傳輸以及與之相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害（如滑坡）等方面具有重要意義。本研究通過蒙特卡洛方法生成隨機(jī)表面形貌，并利用COMSOL Multiphysics對(duì)隨機(jī)參數(shù)化表面的微尺度流體流動(dòng)進(jìn)行模擬。
參數(shù)化表面模型采用CAD隨機(jī)粗糙度表面插件建立，插件可設(shè)置不同的表面起伏形態(tài)，以匹配相應(yīng)的地形或研究不同表面參數(shù)下的流動(dòng)特性
多孔結(jié)構(gòu)傳熱模擬涉及對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)部復(fù)雜的熱量傳遞過程進(jìn)行建模和分析，這類模擬對(duì)于優(yōu)化材料設(shè)計(jì)、提高能源效率以及解決環(huán)境問題等方面具有重要意義。本案例介紹在COMSOL內(nèi)建立全連通多孔結(jié)構(gòu)幾何模型，并將孔隙及基體劃分兩相材料，進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)的傳熱仿真模擬。
多孔結(jié)構(gòu)幾何模型采用AbyssFish單連通周期邊界多孔結(jié)構(gòu)2D軟件隨機(jī)生成png格式的圖片
1980 年，Bell Communication Research 的 Eli Yablonovitch 提出了一個(gè)思考：如何減少特定頻率范圍內(nèi)半導(dǎo)體激光器的損耗？他在透明介質(zhì)中切割出周期性圓孔，并觀察到一定頻率范圍內(nèi)的光發(fā)生了損耗，無法穿透。Yablonovitch 發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)與具有傳導(dǎo)和價(jià)帶的半導(dǎo)體類似，并將它們命名為光子晶體（與普林斯頓大學(xué)的 Sajeev John 合作）。光子晶體即光子禁帶材料
研究背景：
具有深亞波長厚度（5cm）的吸收器對(duì)低頻聲音（<500Hz）的衰減在噪聲控制工程中引起了極大的興趣。然而，由于低頻聲音的強(qiáng)穿透性和普通材料的弱固有分散性，這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。傳統(tǒng)的吸聲材料，如多孔材料，已被證明對(duì)高頻吸聲（>1000Hz）有效，但如果厚度有限，在低頻時(shí)會(huì)有缺點(diǎn)。近年來，聲學(xué)超材料的概念為低頻吸聲器的設(shè)計(jì)提供了新的思路。許多亞波長吸聲材料或設(shè)備是基于諧振結(jié)構(gòu)開發(fā)的
<p class="ql-align-center">二維視圖</p><div contenteditable="false" width="100%">
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薄膜型聲學(xué)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(dāng)聲波進(jìn)入薄膜型聲學(xué)超材料時(shí)，它們會(huì)遇到由多層薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元。由于這些單元的尺寸接近于聲波波長，聲波會(huì)產(chǎn)生與材料中的結(jié)構(gòu)單元相互作用的效應(yīng)，這種效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生反射、衍射和干涉等現(xiàn)象。 通過合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化材料結(jié) 構(gòu)，薄膜型聲學(xué)超材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率范圍內(nèi)聲波的反射和吸收，從而達(dá)到隔聲的效果。具體來說，當(dāng)聲波遇到薄膜型聲學(xué)超材料時(shí)
