COMSOL壓力聲學
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-04-12
COMSOL壓力聲學的視頻教程
COMSOL 聲學仿真
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COMSOL壓力聲學的實例教程
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 在COMSOL中，可以用固體力學或壓力聲學模塊仿真聲子晶體。
首先以一維聲子晶體為例：
如上圖，模型左右兩部分是不同的材料，并且在左右方向具有周期排列特征。
在物理場中設置周期性邊界條件：
在周期邊界上設置一致的網格點，以提高數值穩定性：
仿真得到的一維聲子晶體能帶圖：
對于實際的準周期性模型，可以計算透射譜，以驗證聲子晶體能帶中存在的禁帶現象：
上圖可以明顯看到頻率對透射率的影響。特定的頻率下，聲波很難從一端傳播到另一端，就是對應的能帶圖中所謂的禁帶。
對于二維、三維模型，需要根據對稱性，建立合適的周期性模型及添加合適的周期性邊界條件。一些二維、三維結構的布里淵區：
二維聲子晶體能帶：
三維FCC聲子晶體能帶，以及這里選取的周期性結構：
得到的聲子能帶圖：
也可以按實際路徑長度，設定高對稱點分割，以便后續添加高對稱點標記：
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。
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image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p><br></p><p> <span style="color: rgb(0, 16, 0);">聲聚焦是指 </span><span style="color: rgb(0, 16, 0); background-color: transparent;">聲波形成集中反射，使反射聲聚焦于某個區域，造成聲音在該區域強度特別強的現象。</span></p><p><span style="color: rgb(0, 16, 0);"> </span></p><p><span style="color: rgb(0, 16, 0);"> </span><span style="color: rgb(0, 16, 0); background-color: transparent;"> 此次使用comsol壓力聲學模塊對惰性氣體柱進行參數掃描，分別掃描柱間隔、等效聲學聚焦透鏡的寬度，分析幾何尺寸對聚焦的影響。
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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
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
對于瞬態聲學問題，有不同的聲壓級度量，一些文獻和測量標準中對它們進行了定義。
在將瞬態聲學仿真的結果與聲級計的測量結果進行比較時，或為了使瞬態仿真結果更容易在對數尺度上解釋，了解這些指標非常重要。
這篇文章，讓我們來看看這些不同的指標是什么，何時以及如何計算它們。
定義聲壓級
對于穩態諧波噪聲，聲壓級()定義為：
式中， 是均方根(RMS)聲壓， 是參考聲壓(例如
研究背景：
隨著社會的進步和制造業不斷發展，各種類型的噪聲對周邊的人類生活帶來不可逆轉的破壞。尤其是低頻噪聲（聲波頻率低于 1000Hz），據有關低頻噪聲煩惱度研究表明，人類長期生活在低頻聲波環境周圍受噪聲干擾，會造成惡心、耳鳴、視覺模糊等諸多身體不良反應。但是目前對低頻噪聲尚不能有效控制。
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
