熱黏性聲學仿真
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
熱黏性聲學仿真的實例教程
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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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 新版本中，優化、湍流及力學接觸等新算法的加入，進一步加強了軟件仿真分析的底層能力。
流體和力學仿真
COMSOL® 6.1 版本為流體流動和力學仿真相關產品帶來重要的性能提升。CFD 模塊現在可以通過分離渦（DES）湍流模型對湍流進行高保真模擬。這種方法的計算精度與大渦模擬（LES）相似，但是大幅減少了計算量。結構力學模塊和 MEMS 模塊中新增了一種更快捷的接觸分析方法，支持對固體、殼和膜進行表面自接觸分析。新版本中可以對薄結構指定材料參數，使得對含有墊圈、粘合層和鍍層結構的力學分析更加便捷。
在 COMSOL® 6.1 版本中使用新方法進行接觸分析。
仿真結果顯示了兩個金屬管的應力和變形。
音頻產品中的換能器設計
COMSOL® 6.1 版本增加了熱黏性聲學的仿真功能，進一步擴展了對消費類電子產品中揚聲器和麥克風的分析能力。"在行業領先的音頻技術開發企業中，我們擁有一個不斷增長的龐大用戶群體。他們使用 COMSOL 軟件分析包括智能手機揚聲器、入耳式耳機和助聽器在內的各種音頻產品。針對微型換能器和微型聲學系統中的電振聲學問題，6.1 版本完善了相關功能，進一步提升了仿真能力。" 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。
汽車電氣化的仿真分析工具
COMSOL 持續致力于為從事汽車電氣化的工程師提供功能強大的仿真工具。在評估電池運行的可靠性和安全性時，電池模塊的用戶將會用到幾個重要的新增功能，其中包括設置熱失控傳播的模型等。
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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
音頻產品中的換能器設計
COMSOL® 6.1 版本增加了熱黏性聲學的仿真功能，進一步擴展了對消費類電子產品中揚聲器和麥克風的分析能力。"在行業領先的音頻技術開發企業中，我們擁有一個不斷增長的龐大用戶群體。他們使用 COMSOL 軟件分析包括智能手機揚聲器、入耳式耳機和助聽器在內的各種音頻產品。
