COMSOL聲學(xué)教程
關(guān)注創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時(shí)間：2023-04-12
COMSOL聲學(xué)教程的視頻教程
COMSOL 聲學(xué)仿真
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COMSOL聲學(xué)教程的實(shí)例教程
研究?jī)?nèi)容：
傳統(tǒng)的聲學(xué)吸收器被用于具有與工作波長(zhǎng)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(zhǎng)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(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(guò)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 近年來(lái)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)增加聲路來(lái)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?jī)?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(guò)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(lái)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(guò)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(chǎng)
圖4.物理場(chǎng)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 COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件以高效的計(jì)算性能和杰出的多場(chǎng)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(chǎng)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(guò)軟 件的可視化處理有效直觀的展示復(fù)雜物理場(chǎng)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(shuō)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(guò)程中遇到的問題，特舉辦“COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)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(guó)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(wú)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(zhǎng)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(guò)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(chǎng)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(lái)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(wú)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?jī)?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(wú)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(wú)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(wú)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(chǎng)
圖5.物理場(chǎng)的設(shè)置
（3）模態(tài)分析
無(wú)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。可以看出在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(wú)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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對(duì) COMSOL MULTIPHYSICS 有基本的了解
使用 COMSOL MULTIPHYSICS 的設(shè)置問題
如何創(chuàng)建或?qū)霂缀螆D形
設(shè)置定義
添加適當(dāng)?shù)奈锢硖匦?添加材質(zhì)
添加模型的網(wǎng)格劃分
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(zhǎng)，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(guò)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(lái)說(shuō)，當(dāng)聲波遇到薄膜型聲學(xué)超材料時(shí)
研究背景：
在隔聲領(lǐng)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(dá)到良好的隔聲效果。而低頻噪聲由于具有波長(zhǎng)大、穿透性強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，根據(jù)質(zhì)量作用定律，傳統(tǒng)的隔聲材料需要通過(guò)不斷增加材料的重量、體積來(lái)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
<h1>研究背景</h1><p>COMSOL Multiphysics作為多物理場(chǎng)仿真領(lǐng)域的高端軟件，可允許用戶通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬和預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)世界中的各種物理現(xiàn)象。將圖片導(dǎo)入COMSOL軟件進(jìn)行建模，根植于現(xiàn)代科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)對(duì)高效、準(zhǔn)確模擬技術(shù)日益增長(zhǎng)的需求，它允許用戶基于圖像數(shù)據(jù)快速創(chuàng)建復(fù)雜幾何模型，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)模擬、熱傳導(dǎo)研究等。利用照片或CT掃描圖像來(lái)重建有限元模型，不僅提升了研究與設(shè)計(jì)的精度和效率
模型預(yù)覽
COMSOL石墨烯三維幾何模型及網(wǎng)格劃分。
建模教程
采用CAD石墨烯生成器進(jìn)行建模，并將模型導(dǎo)入COMSOL內(nèi)，具體建模步驟如下。
1.CAD模型生成后將兩個(gè)圖層內(nèi)容利用并集命令分別進(jìn)行合并。
2.將球體圖層內(nèi)容導(dǎo)出為sat格式。
3.運(yùn)用差集命令將紅色化學(xué)鍵與藍(lán)色原子進(jìn)行差集操作
聲學(xué)超材料，拓?fù)渎曌泳w，高斯波束，聲學(xué)超通，壓電，微流體，能帶、帶隙 部分課程視頻+案例 【閑魚】https://m.tb.cn/h.g0GQqLC?tk=JNVxWsRPl66 CZ3452
研究?jī)?nèi)容：
傳統(tǒng)的聲學(xué)吸收器被用于具有與工作波長(zhǎng)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(zhǎng)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(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。
研究背景：
由于傳統(tǒng)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(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。近年來(lái)，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(zhǎng)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(zhǎng)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
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(wú)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?jī)?nèi)容：
由吸聲系數(shù)理論模型可知
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