熱黏性聲學(xué)仿真的案例
基于comsol熱黏性聲學(xué)模塊仿真聲學(xué)超材料的聲學(xué)特性
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。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 基于comsol的壓力聲學(xué)-熱黏性聲學(xué)模塊模擬一種具有多階吸聲的低頻寬帶薄超表面
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 專為高校教學(xué)提供專業(yè)仿真工具——COMSOL多物理場仿真軟件
新版本中，優(yōu)化、湍流及力學(xué)接觸等新算法的加入，進(jìn)一步加強(qiáng)了軟件仿真分析的底層能力。
流體和力學(xué)仿真
COMSOL® 6.1 版本為流體流動(dòng)和力學(xué)仿真相關(guān)產(chǎn)品帶來重要的性能提升。CFD 模塊現(xiàn)在可以通過分離渦（DES）湍流模型對(duì)湍流進(jìn)行高保真模擬。這種方法的計(jì)算精度與大渦模擬（LES）相似，但是大幅減少了計(jì)算量。結(jié)構(gòu)力學(xué)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(duì)固體、殼和膜進(jìn)行表面自接觸分析。新版本中可以對(duì)薄結(jié)構(gòu)指定材料參數(shù)，使得對(duì)含有墊圈、粘合層和鍍層結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析更加便捷。
在 COMSOL® 6.1 版本中使用新方法進(jìn)行接觸分析。
仿真結(jié)果顯示了兩個(gè)金屬管的應(yīng)力和變形。
音頻產(chǎn)品中的換能器設(shè)計(jì)
COMSOL® 6.1 版本增加了熱黏性聲學(xué)的仿真功能，進(jìn)一步擴(kuò)展了對(duì)消費(fèi)類電子產(chǎn)品中揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的分析能力。"在行業(yè)領(lǐng)先的音頻技術(shù)開發(fā)企業(yè)中，我們擁有一個(gè)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(jī)揚(yáng)聲器、入耳式耳機(jī)和助聽器在內(nèi)的各種音頻產(chǎn)品。針對(duì)微型換能器和微型聲學(xué)系統(tǒng)中的電振聲學(xué)問題，6.1 版本完善了相關(guān)功能，進(jìn)一步提升了仿真能力。" COMSOL 聲學(xué)技術(shù)經(jīng)理 Mads Herring Jensen 介紹說。
智能手機(jī)中微型揚(yáng)聲器的聲輻射強(qiáng)度仿真結(jié)果圖。
該仿真使用了COMSOL® 6.1版本的熱黏性聲學(xué)新功能。
汽車電氣化的仿真分析工具
COMSOL 持續(xù)致力于為從事汽車電氣化的工程師提供功能強(qiáng)大的仿真工具。在評(píng)估電池運(yùn)行的可靠性和安全性時(shí)，電池模塊的用戶將會(huì)用到幾個(gè)重要的新增功能，其中包括設(shè)置熱失控傳播的模型等。
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