COMSOL Acoustics Module 6.1

5.4

NOVEDADES

Las siguientes nuevas funcionalidades están disponibles:

• La nueva condición de contorno de Port se utiliza para exictar y absorber ondas acústicas que entran o salen de estructuras guías de ondas, como conductos y canales. La condición está disponible en la interfaz Presión acústica, frecuencia.
• Una nueva funcionalidad Nonlinear Acoustics Westervelt está disponible con la interfaz Presión acústica, tiempo. Esta funcionalidad puede utilizarse para modelar acústica de gran amplitud en el dominio del tiempo como ocurre en algunos transductores, bocinas acústicas y aplicaciones de ultrasonidos. La nueva funcionalidad también incluhye estabilización de captura de choque y manejo de resolvedores especializados.
• Los modelos de fluidos con atenuación de la Atmósfera y atenuación del Océano se utilizan para modelar la atenuación por aire atmosférico y por el agua del mar. Se incluyen en las interfaces de Presión acústica en el dominio de la frecuencia y en la interfaz de Rayos acústicos.
• La nueva funcionalidad Exterior Field Calculation representa una actualización de la funcionalidad existente de Cálculo en campo lejano.
• La funcionalidad Exterior Field Calculation ahora puede utilizarse en todas las interfaces de Presión Acústica transitoria cuando se combina con un paso de estudio Time to Frequency FFT.
• La interfaz Pressure Acoustics, Boundary Element ahora tiene acoplamientos multifísicos con Ondas acústicas termoviscosas y poroelásticas así como con las condiciones de contorno Velocidad interna y Desplazamiento interno. Además, todas los modelos de impedancia disponibles para la interfaz FEM también están disponibles para la interfaz BEM.
• La interfaz física Navier-Stokes y Thermoviscous Acoustics linealizada ahora tiene una opción para utilizar una formulación adiabática para las ecuaciones gobernantes.
• Ahora la estabilización de la supresión del término de gradiente (GTS) está disponible para las interfaces físicas de Ecuación de Navier-Stokes linealizada.
• Varias actualizaciones de los gráficos por defecto generados por la interfaz física del módulo Acoustics: Nuevos esquemas de colores, lista de frecuencias propias para estudios de frecuencias propias, nuevo y actualizado gráfico por defecto de campo exterior. El gráfico de Campo lejano se ha renombrado a gráfico de Patrón de radiación.
• Una nueva opción de Pulso Gaussiano Modulado está disponible para campos de fondo e incidente en las interfaces de Presión acústica transitorio.
• Los materiales Aire, Agua y Líquido se han actualizado con valores específicos para acústica como el valor para la viscosidad de masa preparada y el coeficiente de no linealidad.
• La interfaz Acústica de rayos ahora incluye un método de cálculo de absorción/atenuación actualizado en dominios, comportamiento mejorado de la rugosidad Rayleigh, nueva entrada para datos de materiales Exterior y Dominios no mallados, y dos nuevas opciones para la funcionalidad Compute Intensity.

Modelando de vibración y ruido en un caja de cambios sincronizada de 5 velocidades. Un análisis multicuerpo transitorio calcula las vibraciones de la caja de cambios para la velocidad del motor especificada y la carga externa. Un análisis acústico encuentra el SPL en los campos cercano, lejano y exterior.

5.3a

NOVEDADES

Esta versión incluye una interfaz física para modelar elementos de contorno que también tiene la capacidad de combinarse con elementos finitos en el mismo modelo, gráficos de respuesta impulsional para acústica de rayos y una nueva interfaz física para modelar acústica de presión con la formulación de Galerkin discontinua.

Nueva interfaz de elementos de contorno para acústica

Ahora se ha incluido el método de los elementos de contorno (BEM) en el Acoustics Module en la forma de una nueva interfaz Pressure Acoustics, Boundary Elements. La nueva interfaz, disponible en 2D y 3D, es muy adecuada para simulaciones en el dominio de la frecuencia que resuelven la ecuación de Helmholtz con propiedades del material de valor constante. Adicionalmente, se ha implementado como una formulación de campo disperso con la opción de añadir un Campo de presión en segundo plano para los problemas de modelado de dispersión.

Adicionalmente, con la versión 5.3a se puede acoplar sencillamente la interfaz de elementos de contorno con las interfaces físicas que estén basadas en el método de los elementos finitos (FEM). Esto incluye el acoplamiento a estructuras vibrantes, por medio del acoplamiento multifísico Acoustic-Structure Boundary, y el acoplamiento con dominios de acústica FEM, a través del nuevo acoplamiento multifísico Acoustic BEM-FEM Boundary. Con este enfoque híbrido se puede utilizar el más adecuado método, FEM o BEM, donde se necesite. Por ejemplo, el interior de una estructura vibrante puede modelarse con FEM, lo que permite propiedades del material más general, mientras que el dominio exterior puede modelarse con BEM, que es mejor para modelar dominios grandes o infinitos.

Cuando se utilice BEM, únicamente se necesitan mallar las superficies adyacentes al dominio de interés del modelado. Esto reduce significativamente la necesidad de crear mallas volumétricas grandes, haciendo que las interfaces basadas en BEM sean especialmente útiles para modelar problemas de radiación y dispersión con geometrías CAD complejas.

Casos típicos donde el uso de las nuevas interfaces basadas en BEM es ventajoso:

• Grandes dominios de fluidos que de otra manera necesitaría una malla volumétrica basada en FEM
• Como reemplazo de una condición de radiación basada en FEM o una capa perfectamente adaptada (PML) basada en FEM
• Modelos que incluyan una pared infinita o una contorno blando de sonido infinito localizado lejos de los objetos radiantes (medido en términos de longitudes de onda)
• Modelado de la interacción de objetos radiantes y dispersivos localizados lejos entre sí donde el espacio intermedio de otra manera tendría que ser mallado volumétricamente basándose en FEM

Nótese que BEM es computacionalmente más exigente que FEM para el mismo número de grados de libertad. Sin embargo, normalmente se necesitan menos grados de libertad con BEM para conseguir la misma precisión que con FEM. BEM genera matrices del sistema muy pobladas o densas, que necesitan métodos numéricos dedicados que son diferentes a los de FEM. Cuando se resuelven modelos acústicos de tamaño pequeño o medio, la interfaz basada en FEM Presión acústica, frecuencia será normalmente más rápida que resolver el mismo problema con BEM.

Todas las herramientas de postprocesado dedicadas previamente utilizadas para las interfaces basadas en FEM funcionan automáticamente con las interfaces basadas en BEM, incluyendo el gráfico de Directividad y los gráficos de Campo lejano para el cálculo de la respuesta espacial.

Interfaz de usuario de la interfaz Presión acústica, elementos de contorno con los resultados del Dispersor esférico: mostrando el modelo BEM Benchmark.

Interacción Acústica-Estructura con BEM-FEM híbrido

El dibujo inferior muestra un ejemplo de un sistema altavoz donde es útil la aproximación BEM-FEM. En este caso, las propiedades elásticas de la caja y el controlador son importantes, y se utilizan materiales porosos dentro de la carcasa. El interior del altavoz puede modelarse utilizando FEM con el modelo Poroacústico de la interfaz Presión acústica, frecuencia o la de Ondas poroelásticas. Las estructuras vibrantes pueden modelarse con sólidos, láminas o ambos, y el dominio acústico exterior puede modelarse con BEM.

Gráficos de respuesta impulsional para acústica de rayos

Ahora se puede postprocesar la respuesta impulsional de una simulación de acústica de rayos con el nuevo gráfico de Respuesta a un impulso, que reconstruye y visualiza la respuesta impulsional basada en los datos recibidos. El nuevo conjunto de datos Receiver, recoge la información de rayos y funciona como un micrófono virtual, proporcionando datos para el gráfico de Respuesta a un impulso.

El conjunto de datos Receiver calcula la intersección virtual entre rayos y una esfera de tamaño finito. El tamaño de la esfera puede determinarse o bien a partir de una expresión (basada en el número de rayos, el volumen de la sala y la distancia entre fuente y receptor) o puede entrarse manualmente. El conjunto de datos determina el tiempo de llegada del rayo, la intensidad registrada y la frecuencia, y es utilizado por el gráfico de Respuesta a un impulso. Este conjunto de datos también puede ser exportado para su uso en una herramienta externa. Existe una opción para entrar una directividad definida por el usuario para el receptor. La localización del receptor puede cambiarse fácilmente y no es necesario resolver el modelo otra vez para cambiar la posición del registro para la respuesta impulsional.

El gráfico de Respuesta a un impulso interpreta los datos de rayos del receptor utilizando una resolución de frecuencia de una octava, 1/3 octava o 1/6 octava. La misma resolución debería de utilizarse para todas las fuentes y propiedades de pared, por ejemplo, los coeficientes de absorción y dispersión, potencia de fuente y así. El gráfico genera la respuesta impulsional con un muestreo por defecto de 44100 Hz.

La GUI de COMSOL Multiphysics® mostrada con el modelo Small Concert Hall Acoustics y la ventana de Ajustes para el gráfico de Respuesta a un impulso y la respuesta impulsional resultante.

Nueva interfaz física Pressure acoustics, time explicit

Una nueva interfaz física, Pressure acoustics, time explicit, basada en la formulación de Galerkin discontinua (dG-FEM), emplea un método explícito en el tiempo que es eficiente en memoria, con bajo consumo de memoria. La interfaz puede utilizarse para resolver grandes simulaciones acústicas lineales, transitorias que contengan muchas longitudes de onda, y es adecuado para simulaciones dependientes del tiempo con fuentes y campos dependientes arbitrariamente del tiempo. Existe una opción adicional de Campo acústico en segundo plano para modelar problemas de dispersión y se pueden utilizar capas absorbentes para configurar condiciones de contorno tipo no reflectante efectivas. El campo lejano dispersado exterior puede calcularse combinando la funcionalidad de Cálculo de campo lejano con un paso de estudio de FFT de tiempo a frecuencia. La interfaz está disponible en 2D, 2D axisimétrico y 3D. Algunas áreas importantes para esta nueva interfaz incluyen la propagación transitoria de pulsos de audio en acústica de salas y fenómenos de dispersión que involucren objetos grandes en relación a la longitud de onda.

La interfaz Presión acústica, tiempo explícito resuelve las ecuaciones de Euler linealizadas considerando una ecuación de estado adiabática. Las variables dependientes son la presión acústica y las perturbaciones de velocidad acústica. No se incluyen mecanismos de atenuación debido a grandes pérdidas en la interfaz. Las pérdidas en los contornos pueden modelarse con condiciones de impedancia para pérdidas de tipo resistivo.

Estabilización mejorada para las interfaces de Euler linealizadas

Se han añadido nuevo y mejorados métodos de estabilización numérica a las interfaces de Euler linealizada. El nuevo esquema de estabilización por defecto es la Estabilización de mínimos cuadrados de Galerkin (GLS), que mejora significativamente la estabilidad y convergencia para simulaciones que tengan mallas gruesas. La nueva estabilización también hace que las soluciones sean mucho menos sensibles a pequeños cambios en la malla. Si se desea, se puede deshabilitar la estabilización o seleccionar una de los esquemas opcionales Streamline upwind Petrov-Galerkin (SUPG) stabilization o Streamline diffusion (legacy method). Los nuevos ajustes por defecto son adecuados para modelar problemas de interacción acústico-fluido que estén basados en las interfaces de Euler linealizada.

Otra manera de estabilizar las ecuaciones de Euler linealizadas es utilizar la llamada estabilización Gradient Term Suppression (GTS). Con este método, los términos de la ecuación, típicamente los términos reactivos, son simplemente eliminados de las ecuaciones correspondientes. La estabilización GTS para la interfaz también se ha mejorado en esta versión, con nuevas opciones que dan mejor control sobre los términos eliminados. El usuario puede ahora escoger eliminar términos reactivos dependiendo de su tipo; induciendo gradientes de la densidad de segundo plano, presión o velocidad, respectivamente. Además, existe una opción para eliminar todos los términos convectivos en las ecuaciones.

Capas absorbentes para la interfaz Euler linealizada en el dominio del tiempo

Las capas absorbentes ahora están disponibles en la interfaz Euler linealizado, transitorio, simplificando la definición de contornos abiertos en el dominio del tiempo. Las capas absorbentes utilizan una combinación de tres técnicas para configurar condiciones de contorno no reflectantes efectivas, escalado, viscosidad numérica artificial y una condición de impedancia simple. Este método asegura reflexiones numéricas mínimas de las ondas salientes.

Expansión de onda plana para presión acústica en modelos axisimétricos 2D

Ahora existe una opción integrada para resolver problemas de dispersión de onda plana en modelos axisimétricos 2D utilizando una aproximación de expansión de onda plana. La opción automáticamente expande la onda plana aplicada en un Campo de presión de segundo plano o una funcionalidad de Campo de presión en sus armónicos cilíndricos en términos del número de modo circunferencial. Esto permite resolver grandes problemas de dispersión que involucren estructuras axisimétricas de una manera computacionalmente eficiente.

Nueva opción para campos de presión incidente y de fondo para acústica de presión transitoria

Las interfaces de Presión acústica, transitorio y Presión acústica, tiempo explícito ahora tienen una opción integrada de Onda plana (monocromática) para definir ondas planas monocromáticas como una campo de presión de segundo plano o un campo de presión incidente. La nueva opción simplifica la configuración de esta forma de onda común para simulaciones transitorias. Si se necesitan otro tipo de campos transitorios la opción definida por el usuario permite la definición de cualquier campo basado en una expresión analítica o datos de interpolación. La nueva opción también tiene una función rampa integrada que incrementa suavemente la amplitud de la onda sobre el primer periodo, para asegurar un buen rendimiento numérico.

Entrada de material actualizada para Navier-Stokes linealizado y acústica termoviscoso

Al trabajar con las interfaces físicas Navier-Stokes linealizado o Acústica termoviscosa es necesario entrar datos de materiales válidos y correctos. Los modelos intrínsecamente incluyen el comportamiento correcto de la compresibilidad dependiendo de las fluctuaciones de temperatura y presión. Esto significa que la velocidad efectiva del sonido siempre se modela correctamente, incluso en espacios muy estrechos donde las condiciones se hagan isotérmicas.Cuando se define el coeficiente (isobárico) de la expansión térmica y la compresibilidad isotérmica, ambos parámetros del material ahora tienen una opción para definirlos en términos de la velocidad del sonido y la relación de calores específicos (utilizando sus definiciones termodinámicas). Esto simplifica la configuración de modelos donde esos parámetros no son conocidos explícitamente.

Opción de eje de frecuencias lineal en gráficos de directividad

El estilo de la escala de frecuencias ahora puede cambiarse de Logarítmico a Lineal bajo la sección de Color y estilo en los gráficos de Directividad.

Gráfico de directividad con escala de frecuencias logarítmicas (izquierda) y lineal (derecha) (datos del modelo tutorial Lumped Loudspeaker Driver).

Mejoras en los resolvedores y sugerencias de resolvedor

Se han mejorado las sugerencias de resolvedor generadas automáticamente para varias aplicaciones multifísicas que involucren interfaces acústicas. Por ejemplo, al utilizar los acoplamientos multifísicos Contorno Acústico-Estructura o el Contorno Acústica termoviscosa-Estructura, la sugerencia de resolvedor generada ahora tiene en cuenta cuando la interfaz acústica se acopla a una interfaz de sólido o a una lámina/membrana.

La sección Ajustes de resolvedor transitorio, disponible en todas las interfaces acústicas transitorias, ahora es más intuitivo que antes. Cuando una interfaz acústica transitoria está involucrada en un modelo multifísico, los Ajustes del resolvedor transitorio definidos para la interfaz acústica ahora son automáticamente utilizados al resolver el problema acoplado. Como un ejemplo, esto asegura la configuración óptima del resolvedor para problemas vibroacústicos resueltos en el dominio del tiempo.

Ahora, por defecto, se obtiene una aceleración general de los resolvedores lineales al reutilizar datos ya calculados. Por ejemplo, MUMPS y PARDISO pueden utilizar una nueva opción Reuse preordering en los resolvedores, relevante para la mayoría de los problemas acústicos.

El resolvedoer iterativo sugerido ahora es habilitado y utilizado en el modelo Vented Loudspeaker Enclosure de la Biblioteca de aplicaciones. El tiempo de solución y el consumo de memoria se han reducido significativamente utiliznao el resolvedor sugerido.

Mejoras importantes y solución a errores

• Aceleración del 25-30% al resolver simulaciones explícitas en el tiempo empleando el método dG, en comparación con la versión 5.3 de COMSOL Multiphysics®
• Soporte de clúster para resolver simulaciones explícitas en el tiempo basadas en las interfaces del método dG
• Se han añadido las condiciones de contorno Pared interior y Velocidad interior a la interfaz Ecuación de onda de convección
• Se ha añadido una opción Definida por el usuario para la componente fuera de plano en la entrada de flujo medio de segundo plano para la Ecuación de Onda de convección en modelos axisimétricos 2D

Modelo tutorial actualizado: Bessel Panel

Un panel Bessel es una manera de organizar una serie de altavoces de forma que la distribución de sonido angular parezca la de un único altavoz. Este modelo combina cinco paneles Bessel en el mismo patrón para aproximar un campo de sonido puramente radial. Los altavoces son controlados con diferentes señales, algunas en contrafase. Esto da como resultado una distribución de campo lejano polar aproximadamente homogénea. El modelo actualizado ahora utiliza una aproximación BEM-FEM para resolver la radiación del panel altavoz idealizado.

Directividad espacial del panel Bessel representado en 3D.

Modelo tutorial actualizado: Lumped Loudspeaker Driver Using Lumped Mechanical System

Este es un modelo de un altavoz de bobina móvil donde una analogía de parámetros concentrados representa el comportamiento de los componentes eléctricos y mecánicos del altavoz. Los parámetros Thiele-Small (parámetros de pequeña señal) sirven como entrada al modelo concentrado. En este modelo, los componentes mecánicos del altavoz, como la masa móvil, el cumplimiento de la amortiguación y las pérdidas mecánicas de la amortiguación se modelan utilizando la interfaz Sistema mecánico concentrado.

Campo de presión representado como isosuperficies (por encima del cono del altavoz) y como gráfico de superficie (debajo del cono del altavoz).

Nuevo modelo tutorial: Simulación de la vibroacústica de un altavoz, Multifísica con BEM-FEM

Este modelo muestra una análisis vibroacústico completo de un altavoz incluyendo el controlador, la caja y el soporte. Aplica una tensión de control nominal para extraer el nivel de presión sonora resultante en la caja y en la sala exterior, así como la deformación de la caja y el controlador, para una frecuencia dada. El altavoz se localiza en un piso duro a alguna distancia de la pared localizada detrás de él. El ejemplo utiliza una aproximación BEM-FEM híbrida y acopla las interfaces físicas de Mecánica de sólidos, Lámina; Acústica de presión, Dominio de la frecuencia; y Acústica de presión, Elementos de contorno. El modelo utiliza seis acoplamientos multifísicos integrados para conectar las interfaces físicas simples entre si.

Nivel de presión de sonido del campo acústico radiado por un altavoz modelado utilizando una simulación vibroacústica completa. La acústica exterior se modela utilizando la nueva interfaz Acústica de presión, Elementos de contorno, que se acopla a las interfaces FEM.

Nuevo modelo tutorial: Tonpilz transducer array for sonar systems

Este tutorial modela un array lineal de nueve transductores piezoeléctricos tonpilz en una rejilla 3x3. Los transductores se ponen en una caja debajo de la superficie del mar, y se aplica una tensión, incluyendo un cambio de fase a través de las tres filas. La acústica exterior se modela utilizando una interfaz Presión acústica, elementos de contorno, que se acopla a las estructuras vibrantes con un acoplamiento multifísicos Contorno Acústico-Estructura. Esto configura un modelo híbrido BEM-FEM para el sistema completo.

Campo de presión generado por un array de transductores tonpilz piezoeléctricos a 10 kHz.

Nuevo modelo tutorial: Small concert hall acoustics

Este modelo tutorial analiza la acústica de una pequeña sala de conciertos utilizando la interfaz física de Acústica de rayos y se ha actualizado para incluir la funcionalidad de gráficos de Respuesta impulsional. La configuración del modelo incluye una fuente de sonido omnidireccional, condiciones de contorno de pared para dispersión especular y difusa, evaluación de presión de sonido en un contorno, un conjunto de datos Receptor, un gráfico de Respuesta a un impulso y una curva de decaimiento de la energía. Los resultados se compraran a una simple estimación del tiempo de reverberación.

Respuesta impulsional del Small Concert Hall graficado utilizando un conjunto de datos Receiver y el gráfico de Respuesta a un impulso en el postprocesado.

Nuevo modelo tutorial: Submarine scattering, time-domain simulation and FFT

Este modelo analiza la dispersión de una onda plana fuera del casco de un submarino para determinar el campo dispersado y la respuesta espacial. El modelo utiliza una interfaz Presión acústica, tiempo explícito para modelar este modelo acústico grande en el dominio del tiempo. Entonces, se utiliza un estudio FFT para transformar los resultados en el dominio del tiempo y se analiza el campo dispersado con la funcionalidad de Cálculo del campo lejano.

Campo de presión dispersado después de simular 12 periodos de un campo de segundo plano monocromático plano a 700 Hz. El submarino tiene una longitud total de 32 m.

Nuevo modelo tutorial: Vibrating MEMS micromirror with viscous and thermal damping, transient  behavior

Los microespejos son utilizados en cientos dispositivos MEMS para controlar componentes ópticos. Este modelo de ejemplo, un microespejo vibrante rodeado por aire, ilustra un espejo que es actuado inicialmente un tiempo corto y entonces presenta vibraciones amortiguadas. Utiliza las interfaces Acústica termoviscosa, transitorio; la Lámina; y Presión acústica, transitorio para modelar la interacción fluido-sólido en el dominio del tiempo. El uso de la interfaz Acústica termoviscosa proporciona detalles completos de amortiguamiento viscoso y térmico del espejo en relación con el aire circundante.

Desplazamiento del microespejo y distribución de presión a un tiempo dado en colores. La evolución transitoria del desplazamiento del espejo se describe en el gráfico, mostrando las vibraciones amortiguadas debido a pérdidas térmicas y viscosas.

Nuevo modelo tutorial: Plane wave scattering off a 2D axysimmetric object, plane wave expansion approach

El problema de dispersión de ondas planas fuera de un objeto con forma cilíndrica sugiere el uso de la formulación axisimétrica 2D. Esto puede ahorrar tiempo de cálculo y reducir el uso de memoria en comparación al modelo en un espacio 3D. Este ejemplo demuestra el uso de la funcionalidad de expansión de onda plana integrada para resolver el problema. También ilustra los pasos requeridos durante el estudio y el postprocesado.

Campo de presión dispersado de una geometría axisimétrica 2D calculada utilizando descomposición de onda plana.

Nuevo modelo tutorial: Acoustic liner with a grazing background flow

Este modelo muestra como calcular las propiedades acústicas de un revestimiento acústico con un flujo itinerante. El revestimiento consta de ocho resonadores con finas aperturas y el flujo itinerante de segundo plano es un Mach 0.3. Se calcula el nivel de presión de sonido sobre el revestimiento y se comparan los resultados con los publicados en artículos de investigación. El modelo primero calcula el flujo utilizando el modelo de turbulencia SST disponible en el módulo CFD. Entonces se calcula la acústica utilizando la interfaz Navier-Stokes linealizada, domino frecuencial del módulo Acoustics.

Nótese que para correr este modelo es necesario disponer del CFD Module

Nuevo modelo tutorial: Coriolis Flow Meter

Se utiliza un medidor de flujo de Coriolis, también conocido como medidor de flujo de masa o medidor de flujo inercial, para medir la tasa de flujo de masa de un fluido viajando a su través. Esto hace uso del hecho que la inercia del fluido a través de un tubo oscilante causa que el tubo se tuerza en proporción con la tasa de flujo de masa. Típicamente, la densidad y por tanto la tasa de flujo volumétrico pueden también calcularse utilizando el dispositivo.

Este modelo muestra cómo simular un medidor de flujo de Coriolis genérico con una geometría curvada. Cuando el fluido pasa a través de la estructura elástica, un conducto curvo, éste interactúa con el movimiento del conducto cuando vibra. La diferencia de fase entre la deformación de dos puntos del conducto es causada por el efecto de Coriolis y puede evaluarse la tasa de flujo de masa a través del sistema.

Este modelo utiliza la interfaz de Navier-Stokes linealizada, dominio frecuencial acoplada a la interfaz de Mecánica de sólidos utilizando el acoplamiento multifísico integrado. El flujo medio de segundo plano se modela utilizando la interfaz de Flujo turbulento, SST. De esta manera puede modelarse la interacción fluido-estructura (FSI) eficientemente en el dominio de la frecuencia.

Nuevo modelo tutorial: Dispersion curves for a fluid-filled elastic pipe

Las curvas de dispersión para una tubería llena de fluido con paredes elásticas se calculan y comparan con los resultados analíticos para una guía de onda puramente elástica y una guía de onda acústica, respectivamente. Los resultados mostrados concuerdan bien y también proporcionan conocimiento de la dinámica de la tubería llena de fluido a frecuencias bajas y en rangos medios.

Cuatro modos de propagación vibroacústicos acoplados diferentes en una tubería llena de fluido.

5.3

NOVEDADES

Acoustics Module introduce nuevas funcionalidades en la versión 5.3 que mejoran en gran medida las simulaciones en el dominio del tiempo de fenómenos acústicos y facilita la resolución de grandes modelos basados en acústica. Entre otras mejoras adicionales se incluye un conjunto de funcionalidades y opciones físicas así como herramientas de postprocesado.

Visión general de las novedades del módulo de acústica

En resumen, las mejoras en las simulaciones en el dominio del tiempo incluyen:

• Capas perfectamente adaptadas (PML) para acústica de presión en el dominio del tiempo
• La interfaz Acústica termo-viscosa, Transitorio para el dominio del tiempo
• Los ajustes del resolvedor Transitorio controlados al nivel físico para simulaciones más robustas
• Aceleración en el método de Galerkin discontinuo (dG)

Beneficios en los grandes modelos por las siguientes nuevas funcionalidades:

• Sugerencias de opciones de resolvedor listas para utilizar para resolvedores iterativos
• La opción para utilizar elementos serendipia

Nuevas funcionalidades y opciones físicas que incluyen:

• Nuevas y mejoradas técnicas de estabilización para análisis de Navier-Stokes linealizado basadas en el método de los mínimos cuadrados de Galerkin (GLS)
• Formulación mejorada para la condición de contorno Deslizamiento en funcionalidades de Pared para Navier-Stokes linealizado y aplicaciones acústicas termoviscosas; esta funciona muy eficientemente cuando se utilizan resolvedores iterativos
• Formulación 2D axisimétrica en la interfaz de Ecuación de onda convecta
• Modelo de Biot-Allard para incluir pérdidas térmicas y viscosas en simulaciones de ondas poroelásticas
• Nueva condición de Placa perforada interior
• Formulación acústica de rayos mejorada en geometrías 2D axisimétricas
• Cálculos de ancho de viga para gráficos de campo lejano

Capas perfectamente ajustadas para la interfaz Acústica de presión, Transitoria

A menudo las PML son utilizadas en situaciones donde la condición de contorno no reflectora de primer orden por defecto generaría reflexiones numéricas no deseadas y espúreas. Las PML permiten truncar el dominio computacional con una capa externa que imita el movimiento de ondas hacia un dominio infinito.

Con COMSOL Multiphysics® versión 5.3, la interfaz física Acústica de presión, Transitoria ahora incluye la funcionalidad de PML en el dominio del tiempo, para simulaciones acústicas transitorias basadas en el método de los elementos finitos. Esto estaba solo disponible previamente para las interfaces de Acústica de presión, Frecuencia y Ecuación de onda convecta, explícita del tiempo. Las PML pueden añadirse desde el nodo de Definiciones y soportan opciones de escalado polinomial y racional para modelos 3D, 2D axisimétrico, 2D y 1D en geometrías Cartesianas, Cilíndricas y Esféricas.

Nueva interfaz Acústica termoviscosa, Transitoria

El nuevo nodo de Acústica termoviscosa se ha ampliado para incluir una interfaz para las simulaciones acústicas termoviscosas lineales dependientes del tiempo, que incluye términos de fuente representados por una señal variable en el tiempo, como pulsos Gausianos. La interfaz de Acústica termoviscosa, Transitoria es adecuada para modelar propagación de ondas dependientes del tiempo en sistemas donde las pérdidas térmicas y viscosas son importantes — típicamente en aplicaciones con pequeñas dimensiones como dispositivos móviles, altavoces en miniatura, micrófonos o en los orificios de una placa perforada.

La interfaz puede acoplarse a través de la interfaz multifísica Acústica termoviscosa contorno acústico para aplicaciones de mecánica de estructuras e interfaces como Mecánica de sólidos, Placas y Membranas.

Interfaz de Ondas poroelásticas actualizada con el nuevo modelo Biot-Allard

En aplicaciones donde las ondas de presión y elásticas se propagan en materiales porosos rellenos con aire, las pérdidas tanto térmicas como viscosas son importantes. Algunos ejemplos de aplicaciones son materiales de aislamiento para acústica de salas, materiales de revestimientos en cabinas de automóviles, espumas utilizadas en auriculares y altavoces y meteriales porosos en silenciadores.

Para simular mejor estos tipos de aplicaciones, se ha añadido una opción de modelo Biot-Allard a la interfaz de Ondas poroelásticas. Al incluir este modelo se complementa la opción de modelo de Biot disponible previamente, que solo considera pérdidas viscosas y es útil para propagación de ondas poroelásticas acústicas en rocas y terrenos donde el fluido saturante es un líquido.

Hasta ahora, la interfaz de Acústica de presión, Frecuencia junto con un modelo apropiado de fluido, como el modelo poroacústico, ha sido un método adecuado para simular muchas aplicaciones de audio. Sin embargo, estos modelos no capturan todos los efectos del mundo real y a veces es necesario incluir ondas elásticas donde, por ejemplo, la matriz porosa necesita ser acoplada a estructuras vibrantes. Ahora esto se puede simular con la nueva opción del modelo de Biot-Allard en la interfaz de Ondas poroelásticas. Aquí las entradas del material cumplen con las condiciones típicas utilizadas y medidas en aplicaciones de audio y control de ruidos.

Acoplamientos multifísicos de interacción acústico-estructurales actualizados

Con la adición de la opción del modelo de Biot-Allard a la interfaz de Ondas poroelásticas, las interfaces multifísicas que acoplan dominios poroelásticos, estructuras y acústica han sido renovados y mejorados. Estos soportan el acoplamiento de acústica de presión con ondas poroelásticas y ondas poroelásticas con estructuras (y a veces los tres). Se puede añadir una nueva interfaz utilizando el botón Agregar física en la cinta, que abre la ventana Agregar física. La siguiente interfaz de Ondas poroelásticas actualizada puede seleccionarse desde las ramas de Acústica y entonces Interacción estructura-acústica:

• Ondas poroelásticas, una interfaz de una única física
• Interacción de ondas acústica-poroelástica, una interfaz multifísica que añade las siguientes físicas y acoplamientos:
  • Acústica de presión, Frecuencia
  • Ondas poroelásticas
  • Multifísica
    • Contorno acústico-estructura
• Interacción de ondas acústica-sólido-poroelasticidad, una interfaz multifísica que añade las siguientes físicas y acoplamientos:
  • Acústica de presión, Frecuencia
  • Mecánica de sólidos
  • Ondas poroelásticas
  • Multifísica
    • Contorno acústico-estructura
    • Contorno poroso-estructura
    • Contorno acústico-poroso
• Mecánica de sólidos (Ondas elásticas), una interfaz que añade la interfaz de Mecánica de sólidos a la rama, actuando efectivamente como un atajo adecuado para añadir esta interfaz desde la localización acústica.

Formulación axisimétrica 2D para la interfaz Ecuación de onda convecta, explícita del tiempo

La interfaz Ecuación de onda convecta, explícita del tiempo ahora está disponible para simulaciones axisimétricas 2D. Esto amplía las capacidades para modelar la propagación de ondas acústicas en grandes distancias, como una medida del número de longitudes de onda. La interfaz dispone una opción para Incluir componentes fuera de plano que pueden utilizarse para incluir componentes fuera de plano de un flujo de fondo y su interacción con la señal acústica. Esto se puede utilizar, por ejemplo, para modelar transductores o tweeter de ultrasonidos axialmente simétricos.

Sugerencia de resolvedor iterativo predefinido

Alguna de las interfaces físicas del módulo de Acústica ahora proporciona sugerencias para resolvedores iterativos alternativos además del resolvedor directo por defecto que se configura cuando las interfaces físicas han sido escogidas y el modelo resuelto por primera vez. Para algunas físicas, se proporcionan dos sugerencias, donde un resolvedor es normalmente rápido y el otro más robusto, pero más lento. Los resolvedores sugeridos pueden habilitarse cuando el resolvedor directo entra en limitaciones de memoria y falla su convergencia. Esta nueva funcionalidad simplifica el flujo de trabajo al resolver modelos grandes y no requiere una configuración manual y sintonización de resolvedores iterativos cuando se hace aparente que el resolvedor directo no es el óptimo a utilizar.

Control del resolvedor transitorio desde los nodos físicos

Todas las interfaces transitorias en el módulo acústico ahora tienen una sección de Ajustes del resolvedor transitorio en los nodos de la interfaz física respectiva. Estos configuran controles automáticos del resolvedor por defecto basándose en la nueva sección, que lleva a una configuración del resolvedor transitorio y simulaciones más robustas.

Por defecto (y también recomendado) es utilizar la opción Manual en el menú desplegable de pasos temporales y entonces entrar la Frecuencia máxima a resolver, en el campo editable apropiado. En la mayoría de los problemas acústicos, el contenido frecuencial de todas las fuentes es conocido o puede ser evaluado visualizando la transformada de Fourier de la señal fuente. En aplicaciones de acústica lineal la solución deseada tendrá el mismo contenido frecuencial que la fuente. Simplemente se debe de entrar la frecuencia que se desea resolver en el nuevo campo editable. Para problemas no lineales, se puede tomar una decisión sobre cuantos armónicos generados se quieren resolver. En este caso, el campo editable de la Frecuencia máxima a resolver debería ajustarse al número de armónicos multiplicado por la frecuencia de la señal de fuente.

Aceleración del método de Galerkin discontinuo

Se han implementado varias mejoras a la velocidad del método de Galerkin discontinuo (dG) para reducir su huella de memoria. La aceleración es principalmente resultado de una nueva métrica de malla utilizada para el cálculo de los pasos temporales internos, que es el método explícito en el tiempo en dG. Una segunda mejora en la velocidad se ha obtenido gracias a un nuevo procedimiento de optimización de la calidad de la malla. Este utiliza la nueva opción de Evitar elementos de malla demasiado pequeños al generar una malla tetraédrico en 3D.

La reducción de memoria se obtiene fundamentalmente al correr modelos en sistemas multinúcleo. En este caso, se utiliza un montaje disperso en el método dG y la memoria requerida es prácticamente independiente del número de núcleos de CPU disponibles. Además, la memoria requerida durante la inicialización se ha reducido sustancialmente.

Como ejemplo, si se considera el modelo tutorial Ultrasound Flow Meter with Generic Time-of-Flight Configuration. En una ejecución de test sobre un ordenador de escritorio con un procesador Intel® Core™ i7 a 3.60 GHz con 4 núcleos y 32 GB de RAM, el problema acústico se resuelve en 7 horas y 5 minutos y requería 6.0 GB de RAM en la versión 5.2a de COMSOL Multiphysics®. En la versión 5.3, el mismo estudio se resuelve en 5 horas y 1 minuto y requiere 5.8 GB de RAM. Este representa una mejora de velocidad de aproximadamente el 30% y una ligera reducción en la memoria. Con un procesador con más núcleos, la reducción de memoria corriendo en 16 núcleos sería de cerca de 1GB, en comparación con la reducción de únicamente 0.2 GB con 4 núcleos, como en este ejemplo. Como referencia, el modelo contiene 7.5 millones de grados de libertad (DOF).

Estabilización mejorada para las interfaces físicas Navier-Stokes linealizadas

Se han añadido nuevos y mejorados métodos de estabilización a las interfaces de Navier-Stokes linealizadas. El nuevo esquema de estabilización por defecto es el de Estabilización de mínimos cuadrados de Galerkin (GLS), que mejora en gran medida la estabilidad y convergencia para soluciones con mallas gruesas. Si se desea, también se puede deshabilitar la estabilización, seleccionar un esquema de Estabilización Streamline upwind Petrov-Galerkin (SUPG) o seleccionar el esquema Sreamline diffusion (legacy method). Los nuevos ajustes por defecto son muy adecuados para modelar problemas de interacción flujo-acústica utilizando interfaces de Navier-Stokes linealizadas. Con el nuevo esquema de estabilización implementado en las interfaces Navier-Stokes linealizada ahora es posible cambiar la discretización por defecto para los parámetros de presión, velocidad y temperatura y DOF para que sean elementos lineales. Esto reduce el tamaño del modelo en muchas situaciones.

Reformulación de la condición de Deslizamiento

La condición de contorno de Deslizamiento en las interfaces de Acústica termoviscosa y Navier-Stokes linealizado ha sido reformulada para utilizar la formulación Galerkin discontinua (dG), alternativamente llamada formulación Penalty-like. La formulación dG ahora es la tomada por defecto, reemplazando a la formulación basada en los multiplicadores de Lagrange utilizada en COMSOL Multiphysics® 5.2 (esta última formulación todavía puede seleccionarse si se quiere). Las dos formulaciones evitan el fenómeno llamado de bloqueo en superficies curvas que llevan a resultados erróneos. La nueva formulación es especialmente adecuada para resolver utilizando un resolvedor iterativo, lo que no era el caso de la formulación antigua.

En casos donde las capas límite son importantes, la condición por defecto sin deslizamiento en las paredes es el origen de la capa de contorno viscosa y la condición isotérmica es el origen de la capa de contorno térmica. Es dentro de estas capas de contorno acústico que ocurren la mayoría de la disipación termoviscosa, lo que es importante de tener en cuenta en muchas aplicaciones.

Una condición de deslizamiento impone una condición de no penetración donde se crea una capa de contorno no viscosa. Debe de utilizar condiciones de Deslizamiento en los lugares donde las pérdidas viscosas en la capa de contorno no sean importantes. Esto niega el mallado de la capa de contorno y resulta en menos elementos de malla y DOF. Usar la condición de Deslizamiento es especialmente útil en modelos de Navier-Stokes linealizado donde el comportamiento interesante se describe mediante el acoplamiento del flujo con el flujo medio de fondo, no por detalles en la capa de contorno.

Elementos serendipia en acústica

Una variedad de interfaces físicas del módulo de acústica ahora permiten escoger entre dos familias de funciones de forma en la sección de Diescretización: Lagrange y serendipia. El valor por defecto actual es utilizar los elementos de Lagrange en todas las interfaces, excepto para la interfaz de Mecánica de sólidos donde el valor por defecto es utilizar elementos serendipia. La elección entre Lagrange o serendipia influye en el número de DOF que se resuelven, así como en la estabilidad en modelos que contienen mallas distorsionadas.

Cuando se utilizan mallas estructurada, a menudo es beneficioso cambiar a funciones de forma serendipia, ya que generan significativamente menos DOF. La precisión es, en la mayoría de los casos, prácticamente tan buena como cuando se modela con funciones de forma de Lagrange. Los elementos de Lagrange, sin embargo, son menos sensibles a las grandes distorsiones de la malla y son preferidos en estos casos. El uso de elementos serendipia solo es beneficioso para las siguientes formas de elementos, ya que otras formas de elementos resultarían en el mismo número de DOF, independientemente de la elección de la función de forma:

• En 2D: para elementos cuadrangulares de orden de discretización mayor que uno
• En 3D: para elementos hexaédricos, prismas y pirámides de orden de discretización mayor que uno

Ejemplo de malla de barrido estructurada donde puede ser beneficioso cambiar de los elementos de Lagrange a elementos serendipia. Esto marca la diferencia, ya que la malla de barrido consta de prismas. En una simulación acústica termoviscosa, utilizar elementos de Lagrange resulta en 59955 DOF. Cambiar la discretización para la velocidad y la temperatura a elementos serendipia cuadráticos reduce la cuenta a 39955 (la presión todavía utiliza una discretización lineal en acústica termoviscosa, que no se ve afectada por el cambio).

Funcionalidad de plano de evaluación de previsualización para gráficos de directividad y campo lejano

Ahora se puede utilizar la funcionalidad Plano de evaluación de previsualización en los gráficos de directividad y campo lejano. Esto muestra el círculo (escalado) donde se lleva a cabo la evaluación del campo lejano, así como la normal al plano de evaluación y los vectores de dirección de referencia (la dirección que representa 0 grados en los gráficos polares). Esto ayuda en gran medida a visualizar y verificar que la evaluación se realiza en la localización correcta después de entrar o modificar los ajustes de evaluación.

El plano de evaluación de previsión y la normal del plano y las direcciones de referencia para los gráficos de campo lejano con sus correspondientes ajustes. Del modelo Loudspeaker Driver in a Vented Enclosure.

Cálculos de ancho de haz para gráficos de campo lejano 1D

El ancho de haz y el ancho de haz entre ceros de los diagramas de radiación espacial ahora se pueden calcular de forma automática. La funcionalidad Calcular el ancho de haz está disponible cuando se gráfica la respuesta espacial en un Grupo de gráfico polar utilizando el gráfico de Campo lejano 1D.

Análisis modal en las físicas de mecánica de sólidos y acoplamiento acústica-estructura

Se ha añadido análisis modal en la interfaz de Mecánica de sólidos para estudiar ondas que viajan en la dirección hacia fuera del plano para estructuras 2D, así como modos circulares en modelos con simetría axial. El análisis de modos es particularmente importante en problemas acoplados acústica-estructura y funciona perfectamente en los problemas acoplados. Este tipo de análisis puede ser utilizado para analizar los modos que se propagan en aplicaciones como guías de ondas, sistemas de tuberías y silenciadores.

Acoplamiento de acústica y propagación de modo estructural en una cámara de un silenciador con paredes elásticas finas.

Condición de contorno de plato interior perforado actualizada

La condición de contorno Plato interior perforado, disponible en la interfaz Acústica de presión, Frecuencia, ha sido actualizada y mejorada. La condición ahora incluye modelos de pérdidas viscosas y térmicas completas, interacción orificio-orificio utilizando la función Fok, opciones para añadir efectos de pérdidas no lineales y una formulación ideal para placas finas y gruesas. La condición de contorno típicamente se utiliza para modelar orificios en silenciadores o en montajes para insonorización.

Distribución de presión sonora en un silenciador con orificios. Los contornos grises utilizan la condición de Plato perforado interior y la pérdida de transmisión calculada en el modelo se compara con las medidas.

Fuente de calor para acústica de presión

Una nueva condición de Fuente de calor se ha añadido a las interfaces de Acústica de presión. Se puede utilizar esta funcionalidad para representar una fuente de calor oscilante o pulsada que generará ondas sonoras. La fuente puede, por ejemplo, representar una llama en una aplicación de combustión que generará ondas acústicas en una cámara de combustión o un haz láser pulsante en aplicaciones optoacústicas.

Acústica de rayos mejorada en geometrías axisimétricas 2D

Cuando se calcula la intensidad de los rayos en modelos axisimétricos 2D, el frente de ondas asociado con el rayo que se propaga ahora es tratado como una onda esférica o elipsoidal, en lugar de una onda cilíndrica, que siempre solo fue una simplificación apropiada en modelos verdaderamente 2D. En otras palabras, el radio principal de curvatura asociado con la dirección acimutal se calcula para todos los rayos. Esta mejora lleva a cálculos más realistas de la intensidad de rayos en modelo axisimétricos 2D. Las aplicaciones típicas son las simulaciones acústicas subacuáticas, tal y como se ilustra en la figura asociada.

Además, se han incluido funcionalidades dedicadas para liberar rayos desde aristas, puntos o en coordenadas especificadas a lo largo del eje de simetría. Al utilizar una de estas funcionalidades de liberación, existe una opción incluida para liberar rayos en un hemisferio anisotrópico de forma que cada rayo aproximadamente subtiende el mismo ángulo sólido en 3D.

Un modelo de trazado de rayos subacuáticos en una geometría con simetría axial 2D con un medio gradual (velocidad del sonido dependiente de la profundidad) y atenuación del dominio. Los modelos axisimétricos a menudo so utilizados como aproximaciones a aplicaciones completamente 3D en acústica subacuática.

Nuevos modelos de coeficientes de reflexión para trazado de rayos acústicos

La funcionalidad de Pared ahora tiene varios modelos incluidos para calcular el coeficiente de reflexión en reflexiones especulares incluyendo una interfaz Fluido-fluido, interfaz Fluido-sólido, y modelos de medio espacio de fluidos por capas. Estos nuevos modelos son ideales para configurar condiciones de contorno en aplicaciones de trazado de rayos subacuáticas. Complementan el modelo Absorbente, impedancia especificada, típicamente utilizado en acústica de salas para modelar paneles absorbentes. La atenuación en el fluido de propagación y la atenuación en los dominios, modelados por las condiciones de contorno, también se incluyen para calcular una desviación de fase en las reflexiones. Todas las condiciones de contorno se pueden extender con la opción de Rugosidad de superficie utilizando un modelo de rugosidad de Rayleigh.

Funcionalidad de terminación de rayos

La nueva funcionalidad de Terminación de rayos puede utilizarse para aniquilar rayos sin requerir pararlos en un límite. Los rayos pueden terminar si sus intensidades o potencias se hacen menores que un umbral especificado o si se pierden lejos de la geometría del modelo. Se puede utilizar esta funcionalidad para evitar usar demasiados recursos computacionales en rayos que se han atenuado debido a la presencia de medios absorbentes, rayos que tienen una intensidad extremadamente pequeña debido a la interacción con superficies curvas o absorbentes o rayos perdidos que han escapado de la geometría.

Mejoras y solución a errores importantes

• Varias de las condiciones de contorno de acústica de presión ahora han sido ordenadas en nuevos submenús para una mejor supervisión
• Aceleración de los cálculos SPL de campo lejano para gráficos de Directividad y Campo lejano
• La funcionalidad de campos acústicos de fondo ahora está disponible en la versión transitoria de las interfaces Euler linealizado y Navier-Stokes linealizado
• Se han añadido condiciones de contorno de Desplazamiento interior normal y Velocidad interior normal a las interfaces de Acústica de presión para completar la lista de condiciones de contorno interiores.
• Se han incluido condiciones actualizadas en las interfaces Acústica termoviscosa, Navier-Stokes linealizado y Euler linealizado en el eje de simetría en modelos axisimétricos 2D
• Se ha realizado una actualización de la formulación en las interfaces de Acústica termoviscosa para que sean válidas para medios con propiedades de los materiales dependientes del espacio.
• El acoplamiento multifísico Contorno aeroacústica-estructura ahora acopla la interfaz Navier-Stokes linealizada con estructuras (sólidos, placas y membranas) en el dominio del tiempo

Nuevo tutorial: Resonador de Helmholtz con flujo, interacción de flujo y acústica

Los resonadores de Helmholtz se utilizan en sistemas de escape, ya que pueden atenuar una estrecha banda de frecuencias específica. La presencia de un flujo en el sistema altera las propiedades acústicas del resonador y las pérdidas de transmisión del subsistema. En este modelo tutorial, se sitúa un resonador de Helmholtz como una rama lateral de un conducto principal. Se investigan las pérdidas de transmisión a través del canal principal al introducir un flujo.

Se calcula el flujo principal con el modelo de turbulencia SST para Ma = 0.05 y Ma = 0.1. Entonces se resuelve el problema acústico utilizando la interfaz Navier-Stokes linealizado, Dominio de la frecuencia (LNS). Se acoplan la velocidad media del flujo, la presión y la viscosidad turbulenta al modelo LNS. Se comparan los resultados con medidas encontradas en un artículo en un boletín y las amplitudes y las posiciones de las resonancias muestran una muy buena concordancia con los datos medidos (tal y como se ve en el gráfico 1D). El balance entre los efectos de atenuación y flujo necesita ser modelado rigurosamente para que las posiciones de las resonancias sean correctos.

Nota: Este modelo requiere los módulos Acoustics Module y CFD Module.

Distribución de nivel de presión sonora acústica (frente), líneas de superficie (medio), y amplitud de velocidad de flujo de fondo (detrás) en un resonador Helmholtz localizado como una rama lateral en un canal principal.

Nuevo tutorial: Medidor de flujo ultrasónico con transductores piezoeléctricos, acoplamiento entre FEM y DG

Los medidores de flujo ultrasónico se utilizan para determinar la velocidad de un fluido que fluye a través de una tubería, enviando una señal ultrasónica a través del flujo en un ángulo inclinado. En el caso de que no haya flujo, el tiempo de transmisión entre el transmisor y el receptor es el mismo para las señales enviadas en la dirección de aguas arriba como la de aguas abajo. De otra forma, las ondas que viajan aguas abajo se mueven más rápida que las ondas que viajan aguas arriba, lo que puede utilizarse para determinar el flujo. En muchos casos, los transductores piezoeléctricos son utilizados para enviar y recibir la onda ultrasónica.

Este modelo tutorial muestra cómo simular un medidor de flujo ultrasónico con transductores piezoeléctricos en el caso de no flujo simplificado. Se utiliza el método de los elementos finitos (FEM) para modelar los transductores piezoeléctricos, mientras que el modelado de la propagación de ondas ultrasónicas se basa en el método de Galerkin discontinuo (dG). El modelo completo se divide en dos submodelos. Un acoplamiento unidireccional de FEM a dB se utiliza para enviar la onda desde el transmisor, y un acoplamiento unidireccional dG a FEM para simular el receptor.

Señal acústica generada en un medidor de flujo por un transductor piezoeléctrico con una capa ajustada.

Nuevo tutorial: Absorción de un pulso gaussiano por capas perfectamente ajustadas; Acústica de presión, transitorio

Este tutorial simula un modelo de prueba estándar y referencia para capas perfectamente ajustadas (PML) como condiciones de contorno absorbentes en el dominio del tiempo. Involucra la propagación de un pulso gaussiano transitorio sin flujo. Se utiliza la interfaz Acústica de presión, transitorio junto con PML para reducir el dominio computacional y suprimir las reflexiones de los contornos artificiales. Se genera un pulso acústico mediante una distribución gaussiana inicial en el centro del dominio computacional. La solución analítica al problema se utiliza para validad la solución, mostrando muy buena coincidencia.

Nuevo tutorial: Radiación de ruido por un tren de engranajes compuesto

Predecir la radiación de ruido de un sistema dinámico proporciona a los diseñadores un conocimiento en profundidad del comportamiento de los mecanismos móviles al principio del proceso de diseño. Por ejemplo, considérese un caja de cambios en la que el cambio en la rigidez en la malla del engranaje causa vibraciones. Estas vibraciones se transmiten en el alojamiento de la caja de cambios a través de ejes y articulaciones. El alojamiento vibrante transmite a su vez energía al fluido circundante, dando como resultado la radiación de ondas acústicas.

Este modelo tutorial simula la radiación de ruido del alojamiento de una caja de cambios. Primero, se realiza un análisis de dinámica multicuerpo en el dominio del tiempo para calcular las vibraciones del alojamiento a la velocidad del eje motriz especificada. Entonces, se realiza un análisis acústico a la frecuencia seleccionada para calcular los niveles de presión sonora en los campos cercano, lejano y exterior, utilizando la aceleración normal al alojamiento como fuente de ruido.

Nota: Este modelo también requiere los módulos Multibody Dynamics y Acoustics.

Nuevo tutorial: Modos propios en un silenciador con paredes elásticas

Este modelo tutorial, una ampliación del modelo de modos propios en un silenciador, resuelve un análisis 2D de modos de propagación en la cámara de un silenciador con paredes finas elásticas. Este tutorial multifísico acústica-estructura utiliza la nueva funcionalidad Análisis modal para estudiar las ondas que viajan en la dirección fuera de plano. Los resultados incluyen la presión absoluta y el nivel de presión sonora en el silenciador, el desplazamiento y la tensión en las paredes elásticas y un gráfico de la relación de dispersión 1D.

La presión absoluta (Gráfico de onda) y deformación (Gráfico arcoiris) mostrados en un silenciador con paredes elásticas.

Nuevo tutorial: Optimización de la topología de un circuito magnético

Este modelo tutorial presenta un ejemplo de optimización de topología del circuito magnético de una unidad de altavoz. Utilizando la optimización de topología se puede encontrar la forma de un yugo de hierro no lineal para maximizar su rendimiento y, al mismo tiempo, el peso de forma que sea menor que el diseño original.

Nota: Este modelo requiere los módulos AC/DC Module y Optimization Module.

Densidad de flujo magnético graficada en la geometría del circuito magnético optimizado con simetría axial 2D. La geometría es muy similar al modelo tutorial del motor de una unidad de altavoz del Módulo de Acústica.

La densidad de flujo magnético graficado en la geometría del circuito magnético optimizado, resuelto con simetría axial 2D y revolucionada 225 grados en un espacio 3D.

Nuevo tutorial: Resonador de rendija no lineal, acoplamiento de acústica y CFD

En muchas aplicaciones, las ondas acústicas interactúan con superficies que tienen pequeñas perforaciones o rendijas. Puede ser en sistemas silenciadores, estructuras insonorizantes, supresores de ruido para motores de propulsión, o rejillas y mallas. A niveles de presión entre medios y altos, la velocidad de las partículas locales en la región estrecha de la rendija puede ser tan grande que las asunciones lineales acústicas se rompan. Típicamente, tienen lugar desbordamientos de vórtices en la vecindad de esa región, lo que lleva a pérdidas no lineales y, en aplicaciones de audio, lleva a distorsiones no lineales de las señales sonoras. Los efectos no lineales a veces se incluyen a través de parámetros semiempíricos en modelos de impedancia de transferencia analítica para orificios.

En este tutorial, una rendija estrecha se localiza en frente de un volumen resonador y se modelan las pérdidas directamente. El modelo acopla la acústica de presión y la interfaz de Flujo laminar en una simulación transitoria para modelar las pérdidas no lineales complejas asociadas con el desbordamiento de vórtices. El campo acústico incidente tiene una amplitud correspondiente a 155 dB SPL.

Desbordamiento de vórtices en la estrecha rendija inducida por las ondas acústicas incidentes de gran amplitud.

Nuevo tutorial: Material poroso multicapa, ondas poroelásticas con pérdidas térmicas y viscosas (Modelo Biot-Allard)

En aplicaciones donde las ondas de presión y elásticas se propagan en materiales porosos rellenos de aire, tanto las pérdidas térmicas como viscosas son importantes. Este es el caso típico en materiales de aislamiento para salas, materiales de revestimientos para cabinas de automóviles, o espumas utilizadas en auriculares y altavoces. Otro ejemplo son los materiales porosos en los silenciadores para la industria automovilística.

En muchos casos, estos materiales se pueden modelar utilizando los modelos Poroacústicos (equivalentes a los modelos fluídicos, únicamente resolviendo la presión) implementados en la interfaz de Acústica de presión. En un modelo simplificado en el módulo de acústica, la interfaz de Ondas poroelásticas se basa en la teoría clásica de Biot utilizada en ciencias de la tierra. Esta asume que el fluido saturante es un líquido (agua) y que el modelo únicamente incluye pérdidas viscosas. Las entradas de material también son diferentes a las típicamente proporcionadas con los materiales de aislamiento acústico.

Con todo, un modelo Poroacústico no captura todos los efectos y a veces es necesario incluir también ondas elásticas en la matriz porosa. Esto se puede hacer con la teoría Biot-Allard para modelar ondas poroelásticas. El modelo basado en este teorema puede seleccionarse en la interfaz de Ondas poroelásticas.

Deformación de la matriz porosa dentro de una estructura porosa multicapa.

Nuevo tutorial: Acústica en un sistema de tuberías con curvas y uniones 3D

Un nuevo tutorial muestra como modelar la propagación de ondas acústicas en un gran sistema de tuberías acoplando Acústica de tuberías con Acústica de presión. El tutorial se configura tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia. Se utiliza acústica de tuberías 1D para modelar la propagación en las partes de tuberías rectas. Se acopla un modelo 3D de una unión de tuberías y una curva de tubería al modelo de tubería 1D para modelar esas partes en detalle. Este tipo de modelo puede utilizarse para modelar y predecir la respuesta de sistemas de tuberías como cuando se detectan pérdidas o deformaciones, por ejemplo, y es de relevancia en la industria petrolífera o en sistemas de distribución de aguas.

Nuevo tutorial: Optimización de topología de modos acústicos en una sala 2D

Este modelo tutorial introduce el uso de la optimización de topología en acústica. El objetivo de la optimización es encontrar la distribución de material (sólido o aire) en un dominio de diseño dado que minimice la presión de sonido media en una zona objetivo de una sala 2D. La optimización se lleva a cabo para una única frecuencia.

Distribución de material optimizada (escala gris) y distribución de nivel de presión de sonido después de la optimización (escala de color).

Nuevo tutorial: Revestimiento anecoico

Los revestimientos anecoicos se utilizan para reducir la visibilidad a la detección sonar, de utilidad por ejemplo para los submarinos. Este modelo tutorial calcula las propiedades de reflexión, abosrción y transmisión de una revestimiento anecoico en una placa de acero. La configuración considerada se presentó en V. Leroy, A. Strybulevych, M. Lanoy, F. Lemoult, A. Tourin, and J. H. Page, "Superabsorption of acoustic waves with bubble metascreens," Physical Review B, vol. 91, no. 2, 2015.

Deformaciones locales en el revestimiento y la placa de acero.

Nuevo tutorial: Acústica de salas acopladas utilizando la ecuación de difusión acústica

Este modelo de verificación analiza la acústica de dos salas acopladas utilizando la interfaz de la Ecuación de difusión acústica del módulo Acoustics. Los resultados del modelo concuerdan con los resultados analíticos que han sido validados con medidas en un artículo de referencia.

Densidad de energía y flujo de energía local en dos salas acopladas acústicamente.

Capas elásticas descritas mediante datos del material

Ahora se puede prescribir las propiedades elásticas de una fundación de resorte o una capa elástica fina con datos del material como el módulo de Young y el coeficiente de Poisson junto con un grosor dado de la capa. Esto simplifica, por ejemplo, el modelado de capas adhesivas con propiedades de materiales conocidas. Al usar los datos de materiales como entradas, las deformaciones en la capa elástica también están disponibles como resultados.

Nuevo marco de trabajo para deformaciones inelásticas en análisis geométricamente no lineales

A nuevo marco de trabajo y un manejo más riguroso de la descomposición en deformaciones elásticas e inelásticas se ha implementado para casos de no linealidad geométrica. Las versiones previas de COMSOL® utilizaban una descomposición aditiva, con algunas pocas excepciones como análisis de plasticidad para grandes deformaciones, que utilizaban una aproximación de descomposición multiplicativa.

Ahora se dispone de descomposición multiplicativa para:

• Expansión térmica
• Abultamiento higroscópico
• Esfuerzo y deformaciones iniciales
• Deformaciones externas
• Viscoplasticidad
• Fluencia

La descomposición multiplicativa de gradientes de deformación ahora son la opción por defecto para todas las contribuciones inelásticas en estudios donde las no linealidades geométricas están activas. La ventaja principal es que es posible manejar varias contribuciones de deformación inelástica grandes en un material. Además, la linealización será más consistente como, por ejemplo, ahora es posible predecir con precisión la desviación en las frecuencias propias causada por expansión térmica pura. Si se desea cambiar al comportamiento de la versión anterior de COMSOL Multiphysics® puede seleccionarse la casilla de verificación Descomposición de deformación aditiva en la ventana de Ajustes para los modelos de materiales respectivos.

Como parte de esta mejora, el atributo Deformación externa bajo los nodos Material elástico lineal y Material elástico no lineal, ha sido añadio con varias nuevas opciones. Estas opciones permiten proporcionar deformaciones inelásticas de varias formas y también se pueden transferir deformaciones inelásticas de otras interfaces físicas a este atributo. Adicionalmente, se ha añadido un atributo Deformación externa al Material hiperelástico con propiedades similares.

Intel y Intel Core son marcas registradas de Intel Corporation o sus subsidiarias en EE.UU. y/o otros países.

5.2a

NOVEDADES

Los usuarios del módulo de Acústica encontrarán en la nueva versión de COMSOL Multiphysics® 5.2a una nueva interfaz basada en el método Galerkin discontinuo para el modelado de ultrasonidos, una nueva interfaz para analizar modos que se propagan y que no se propagan en pequeños conductos, y un nuevo tipo de gráfico de Directividad para el análisis de altavoces, por nombrar solo algunas novedades. Más detalles a continuación.

Método de Galerkin discontinuo para Simulaciones de grandes ondas acústicas dependientes del tiempo
Modelado eficiente de Simulaciones acústicas grandes en el dominio del tiempo
Ahora existe una interfaz completamente nueva para simulaciones acústicas grandes en el dominio del tiempo utilizando un resolvedor explícito dentro del módulo Acoustics Module. La interfaz se basa en el método de Galerkin discontinuo (también conocido como DG-FEM o simplemente DG) y utiliza un resolvedor explícito en el tiempo, dando como resultado un método de gran eficiencia en memoria. La nueva interfaz se llama Ecuación de onda de convección, Explícita en el tiempo y puede encontrarse en el nuevo nodo Ultrasonidos en el Ayudante del modelo cuando se selecciona la física que se desea modelar.

Imagen fija del pulso de presión, con las capas absorbentes (esponja) mostradas como los dominios mallados.

La interfaz se utiliza para resolver los problemas acústicos lineales transitorios en casos con o sin un flujo de fondo estacionario sobre grandes distancias relativas a la longitud de onda. Las áreas de aplicación incluyen medidores de flujo de ultrasonidos, sensores de distancia de ultrasonidos y otros sensores de ultrasonidos donde el tiempo de vuelo es un parámetro importante. Las aplicaciones no se restringen a aplicaciones basadas en ultrasonidos, sino que también pueden incluir propagación transitoria de pulsos de audio en acústica de salas o interiores de vehículos.

La interfaz de Ecuación de onda de convección, Explícita en el tiempo también tiene una funcionalidad asociada de dominio de Capas absorbentes que se utiliza para imitar una cámara anecoica alrededor con una función que es similar a una condición de contorno no reflectante. La interfaz resuelve las ecuaciones de Euler linealizadas considerando una ecuación adiabática de estado; las variables dependientes son la presión acústica y las perturbaciones de velocidad acústica. El flujo de fondo puede ser un flujo estacionario con gradientes de velocidad pequeños o moderados. No se incluyen mecanismos de pérdidas en la interfaz.

El modelo mostrado aquí es un medidor de flujo de ultrasonidos (configuración tiempo de vuelo), donde una señal de 2 MHz se propaga a través de un canal de flujo con una velocidad media de 10 m/s. Este modelo 3D está disponible en la Librería de aplicaciones del Acoustic Module (llamado Ultrasound Flow Meter with Generic Time-of-Flight Configuration) y tiene 16 millones de grados de libertad (DOF) utilizando 10 GB de RAM.

Nueva interfaz de Ecuación de onda de convección, Explícita en el tiempo
La nueva interfaz de Ecuación de onda de convección, Explícita en el tiempo incluye las siguientes condiciones de contorno y de dominio:

• Modelo de ecuación de onda de convección: Define las ecuaciones de gobierno para el modelo.
• Pared dura de sonido: Define contornos/paredes duras.
• Valores iniciales: Configura un valor inicial para las variables dependientes.
• Fuentes de dominio: Añaden una fuente de dominio para modelar fuerzas externas aplicadas al fluido.
• Presión: Define una fuente de presión en un contorno exterior.
• Simetría: Aplicable si existe simetría en el modelo.
• Velocidad normal: Define una fuente en un contorno exterior que representa una superficie vibrante como la de, por ejemplo, un transductor.
• Impedancia acústica: Utilizada para modelar una condición de impedancia o una condición de radiación simple.
• Flujo/fuente general: Configura un flujo generalizado en el marco de trabajo DG, en un contorno exterior.
• Flujo interno general: Configura una condición de flujo interno generalizada, dado el marco de trabajo DG.

Nueva condición de dominio de capas absorbentes
Las capas absorbentes, o a veces conocidas como capas esponja, se utilizan para truncar el dominio computacional. La funcionalidad de dominio de Capas absorbentes trabaja combinando las siguientes tres funcionalidades:

Cuando se combinan, la amplitud de las ondas espurias reflejadas pueden reducirse en un factor de más de 1000. Aquí se muestran unas animaciones del nuevo modelo tutorial Gaussian Pulse in 2D Uniform Flow: Convected Wave Equation and Absorbing Layers, donde un pulso acústico saliente es absorbido por las capas absorbentes.

Animación del pulso de presión del modelo tutorial "Gaussian Pulse...Absorbing Layers". Izquierda: Animación del dominio computacional completo incluyendo las capas absorbentes. Derecha: Únicamente el dominio físico.

Nuevo modelo tutorial: Ultrasound Flow Meter with Generic Time-of-Flight Configuration
Conocer la velocidad de un fluido móvil es importante en todos los casos donde el fluido se utiliza para transportar material o energía. En el método de tiempo de vuelo o tiempo transitorio para determinar la velocidad de flujo, se transmite una señal ultrasónica a través del flujo principal en una tubería para determinar de forma no invasiva su velocidad. Al transmitir la señal en un ángulo relativo al flujo principal, la señal ultrasónica viajará más rápida que la velocidad del sonido si se mueve en la dirección del flujo principal, o más lenta que la velocidad del sonido si se mueve contra él. La diferencia en los tiempos de viaje en las dos direcciones incrementa linealmente con la velocidad del flujo principal. Los medidores de flujo de este tipo encuentran muchas aplicaciones, particularmente en configuraciones industriales.

En este modelo tutorial, ilustramos cómo simular un medidor genérico de flujo ultrasónico mojado de tiempo transitorio en el Acoustics Module. La configuración del modelo resuelve el problema transitorio de una señal que atraviesa el flujo descendente. El modelo primero utiliza el CFD Module para calcular el flujo de fondo en régimen permanente en el medidor de flujo. La señal que se mueve ascendentemente es precalculada y se importa como datos. La diferencia en los tiempos de llegada se utiliza para estimar la velocidad del flujo principal. Utiliza la interfaz física Convected Wave Equation, Time Explicit, bajo el nodo Ultrasonidos, que se ha adaptado a situaciones transitorias de alta frecuencia. Esta interfaz está basada en el método Galerkin discontinuo (DG-FEM).

Izquierda: Distribución de presión de la señal transmitida, representada en el plano de simetría del medidor de flujo, en el tiempo t = 5 ms. Derecha: La presión media en el receptor para un pulso que se mueve descendentemente y un pulso ascendente. La diferencia de tiempo se utiliza para calcular la velocidad de flujo media en el canal principal.

Nuevo modelo tutorial: Pulso gausiano en flujo uniforme 2D: Ecuación de onda de convección y capas absorbentes
Este pequeño tutorial simula un análisis estándar y modelo de referencia para condiciones de no reflexión y capas esponja para sistemas del tipo Euler linealizado. Involucra la propagación de un pulso Gausiano transitorio en un flujo uniforme 2D. La interfaz Convected Wave Equation, Time Explicit resuelve las ecuaciones de Euler con una ecuación de estado adiabática y la interfaz utiliza la funcionalidad de Capas absorbentes para modelar dominios infinitos.

Un pulso acústico es generado por una distribución inicial Gausiana en el centro del dominio computacional. El pulso se propaga en un flujo uniforme de número de Mach alto. Existe una solución analítica al problema que es utilizada para validar la solución y muestra una concordancia muy buena.

El modelo también muestra cómo configurar y utilizar las capas absorbentes. El uso de este tipo de capas puede reducir las ondas reflejadas espuriamente a 1/1000 de la amplitud de la onda incidente.

Izquierda: La velocidad de partículas acústicas de un pulso Gausiano de convección cuando incide sobre la capa absorbente. Derecha: Comparación del perfil de presión del modelo COMSOL Multiphysics® (línea azul) y la solución analítica (puntos verdes) en un corte a lo largo del eje x. El pico de la derecha representa el pulso dentro de la capa absorbente y no tiene significado físico.

Nueva interfaz física de Acústica termoviscosa, Modo de contorno
En análisis acústicos de teléfonos inteligentes y otros pequeños dispositivos electrónicos de dimensiones geométricas pequeñas, los efectos de pérdidas viscosas y conducción térmica son importantes debido a los fenómenos que existen en paredes cercanas a las capas de contorno. El grosor de estas capas es conocido como la profundidad de penetración viscosa y térmica. La interfaz Acústica termoviscosa, Modo de contorno calcula e identifica los modos que se propagan o no en guías de onda y conductos. La interfaz realiza un análisis de modos de contorno en un contorno, entrada, corte de guía de onda o conducto de pequeñas dimensiones geométricas. Se incluyen las pérdidas térmicas y viscosas, que son efectos importantes en las paredes cercanas a la capa del contorno acústico. La interfaz resuelve las variaciones acústicas en la presión, velocidad y temperatura así como el número de onda fuera de plano de los modos calculados.

Un ejemplo de análisis de una guía de onda de 0.5 mm por 2 mm. El gráfico muestra la presión (izquierda), velocidad acústica fuera de plano (centro), y variaciones de temperatura acústica (derecha) para los 3 primeros modos a 100 Hz. El primer modo (propagándose) está en la imagen aplicada a la superficie de geometría con número de onda kn = 2.58-1.31i 1/m, los dos siguientes modos son evanescentes con números de onda 2970.6-7134.7i y 2904.8-7635.9i, respectivamente. Los colores no tienen las mismas escalas.

Además de los sistemas con pequeños conductos, como ayudas a la audición y dispositivos móviles, la interfaz de Acústica termoviscosa, Modo de contorno puede utilizarse para identificar el número de onda que se propaga y la impedancia característica de una sección cruzada del conducto. Esta información puede entonces ser utilizada en el siguiente paso de un análisis como entrada a la funcionalidad de Acústica en región estrecha homogeneizada de la interfaz Acústica de presión, Dominio de la frecuencia.

La interfaz está disponible en modelos con simetría axial 3D y 2D y se aplica en los contornos. Resuelve las ecuaciones definidas por las ecuaciones de Navier-Stokes linealizadas (ecuaciones de continuidad linealizada, momento y energía), en condiciones de fondo inactivos, buscando los números de onda fuera de plano a una frecuencia dada.

Campos acústicos de fondo en acústica termoviscosa (Formulación de campo dispersado)
Las interfaces de Acústica termoviscosa ahora tienen una opción de formulación de campo dispersado. Esta permite añadir un campo acústico de fondo a un modelo. El campo de fondo puede ser Definido por el usuario o una formulación de Onda plana.

Para el caso definido por el usuario, éste define una expresión para la presión, velocidad acústica y variación de temperatura. Estas también pueden tomarse de la solución de otro modelo acústico que defina el campo de fondo. La opción de Onda plana define un onda plana viajando con una viscosidad físicamente consistente y atenuación térmica.

Utilizando esta nueva funcionalidad, puedes crear fuentes simples al modelar problemas de transmisión donde las pérdidas térmicas y viscosas son importantes, o estudiar la dispersión de objetos pequeños (pequeños comparados con las capas del contorno acústico). Como ejemplo de aplicación avanzado, la funcionalidad puede utilizarse conjuntamente con la interfaz de Acústica termoviscosa, Modelo de contorno para crear fuentes a la entrada de guías de ondas.

Resultado tomado del modelo tutorial Transfer Impedance of a Perforate, donde el campo incidente en un lado se aplica utilizando la nueva funcionlidad de Campos acústicos de fondo. El gráfico de colores muestra la velocidad acústica dentro de los agujeros de una placa perforada y el gráfico de líneas muestra la impedancia de transferencia calculada por COMSOL Multiphysics® comparada con un modelo semianalítico.

Nuevo modelo tutorial: Impedancia de transferencia de una placa perforada
Las placas perforadas son placas con una distribución de pequeñas perforaciones o agujeros. Se utilizan en sistemas silenciadores, paneles absorbentes de sonido, y en muchos otros sitios como transatlánticos, donde es importante controlar la atenuación con precisión. A medida que las perforaciones se hacen más y más pequeñas, las pérdidas viscosas y térmicas se hacen más importantes. El comportamiento de atenuación, que también depende de la frecuencia, puede controlarse seleccionando el tamaño de los agujeros y su distribución en la placa.

Mientras que las placas perforadas se han estudiado teóricamente desde hace años, los modelos analíticos o semianalíticos únicamente pueden ser aplicados en geometrías simples. Es necesaria una aproximación numérica para sistemas donde los agujeros tienen varias secciones cruzadas, si las perforaciones son ahusadas, o si la distribución de los agujeros es desigual.

En este modelo tutorial, los efectos son modelados en detalle utilizando la interfaz de Acústica termoviscosa, Dominio de la frecuencia. Aunque ocurren mecanismos de pérdidas no lineales a niveles sonoros altos o en presencia de un flujo (a través o sobre las perforaciones), en este modelo tutorial únicamente se estudian los efectos lineales debidos a la viscosidad y la conducción térmica. Se determinan la impedancia de transferencia, impedancia normal a la superficie y coeficiente de atenuación del sistema.

La impedancia de transferencia se compara con un modelo semianalítico. La impedancia de transferencia calculada en este modelo detallado puede aplicarse a una simulación de un sistema más grande utilizando la condición de impedancia interior que existe en la interfaz de Acústica de presión, dominio de la frecuencia.

Izquierda: Comparación de la impedancia de transferencia de la placa perforada, modelada con el módulo Acoustics Module, y un modelo semianalítico. El gráfico muestra los valores reales, imaginarios y absolutos de la impedancia de transferencia. Derecha: Fluctuaciones de temperatura acústica dentro de la placa perforada. La capa de contorno térmica es claramente visible.

Nuevo nombre para Termoacústica: Acústica termoviscosa
En COMSOL Multiphysics® 5.2a, todas las interfaces termoacústicas se han renombrado como Acústica termoviscosa. Estas interfaces están dedicadas al modelado detallado de pérdidas acústicas térmicas y viscosas en problemas con dimensiones geométricas pequeñas, por ejemplo, en problemas donde las pérdidas en las capas límites acústicas viscosas son importanes. Entre los ejemplos de estos casos se incluyen el modelado de micrófonos, dispositivos móviles, ayudas a la audición, transductores en miniatura y muchos más. La Termoacústica es un término utilizado en una rama existente de la acústica que trata con el enfriamiento o calentamiento utilizando ondas acústicas. Por lo tanto, el término Acústica termoviscosa describe mejor la física de lo que estas interfaces están modelando.

Las siguientes interfaces tienen nuevos nombres:

Nuevo gráfico de directividad
El nuevo tipo de gráfico de Directividad permite a los ingenieros de audio representar la respuesta espacial de un altavoz como función tanto de la frecuencia como del ángulo. El gráfico es importante para el análisis de altavoces y otros transductores electroacústicos. Representando la respuesta espacial de esta manera es muy habitual en la industria de altavoces, y a menudo los datos medidos también se representan de esta manera. El gráfico incluye muchas opciones de formateado para obtener el máximo conocimiento de los datos modelados. Algunas de las funcionalidades de formateo más importantes son:

Un ejemplo de gráfico de Directividad donde los datos se normalizan respecto los 30 grados, la frecuencia está en el eje x y se han añadido etiquetas al gráfico (izquierda). La misma normalización de los datos se ha aplicado a 0 grados y la frecuencia en el eje y (derecha).

Campos acústicos de fondo en Navier-Stokes y Euler linealizados (Formulación de campo dispersado)
Las interfaces de Navier-Stokes linealizado, Dominio de la frecuencia, y Euler linealizado, Dominio de la frecuencia ahora utilizan una opción de formulación de campo dispersado. Esta opción permite añadir un campo acústico de fondo a un modelo. El campo de fondo puede entrarse como expresiones para la presión definidas por el usuario, la velocidad acústica y la variación de temperatura. Pueden ser expresiones analíticas que definan un cierto tipo de onda, pero también pueden ser la solución de otro modelo acústico.

Originalmente la funcionalidad llamada Campos acústicos incidentes en la interfaz Euler linealizado, ahora se ha actualizado y mejorado y el nuevo nombre de la funcionalidad Campos acústicos de fondo.

Acústica de rayos: Calcular la potencia de rayos y el Nivel de presión sonora de superficie (SPL)
Se ha añadido una nueva y mejorada funcionalidad computacional en la interfaz de Acústica de rayos para Potencia de rayos. Existen cuatro opciones disponibles para cálculos de intensidad:

Para la opción de Potencia de rayos, se puede añadir un Cálculo de nivel de presión sonora a las condiciones de Pared. Esta nueva funcionalidad calcula el nivel de presión sonora de superficie, incluyendo los efectos de las propiedades de superficie, como el coeficiente de absorción. Puede utilizar fácilmente el nodo de Resultados para graficar estas variables.

La nueva opción de cálculo de potencia de rayos para Acústica de rayos: La ventana de ajustes donde se pueden seleccionar las opciones de cálculo de Intensidad (izquierda) y un pantallazo del modelo tutorial Small Concert Hall Acoustics con el nodo Sound Pressure Level Calculation destacado (derecho).

Acústica de rayos: Trazado de rayos sin malla
La interfaz de Acústica de rayos ya no requiere una malla si el medio tienen propiedades homogéneas (medios no graduales). En este caso, los parámetros del material para un medio ambiente pueden definirse globalmente. El único requisito es que un modelo incluya al menos una condición de contorno, como una pared o una discontinuidad del material. Los rayos pueden propagarse a largas distancias en geometrías no malladas e incluso pueden lanzarse y propagarse fuera del modelo de geometría. Esto podría ser utilizado, por ejemplo, en simulaciones de grandes salas de conciertos.

Nuevas opciones para Lanzamiento basado en cono
Se dispone de varias nuevas opciones al lanzar rayos con una distribución cónica de direcciones iniciales. Se pueden lanzar rayos con una densidad uniforme en un espacio de vector de onda, de forma que cada rayo subtienda el mismo ángulo sólido. De forma alternativa se puede especificar la densidad de rayos en las direcciones polar y acimutal separadamente. También se dispone de opciones incluidas para lanzar únicamente rayos marginales, con o sin un rayo axial.

Ondas esféricas y cilíndricas en campos de presión de fondo y campos incidentes para acústica de presión
En la interfaz de Acústica de presión, Dominio de la frecuencia, las funcionalidades de campo de presión de fondo y de campo de presión incidente (subnodos de las condiciones de radiación) se han ampliado para incluir ondas cilíndricas y esféricas. Esto facilita la configuración de campos incidentes complejos o campos acústicos de fondo. Los campos que son generados por fuentes puntuales externas o cuerpos vibrantes pequeños pueden ser aproximados por una fuente tipo monopolo.

Izquierda: Selección de tipos de campo de presión de onda cilíndrica o esférica para acústica de presión. Derecha: Un ejemplo de dispersión 2D; en el sentido del reloj desde arriba a la izquierda se muestran el campo de presión acústica total, el nivel de presión sonora total, la presión dispersada y la presión de fondo cilíndrica.

Acoplamientos electroacústicos para altavoces
Se han añadido nuevas funcionalidades y mejorado para simplificar y ampliar los acoplamientos electromagnéticos utilizados en transductores, como las bobinas. Esto es importante cuando se modelan los imanes de un altavoz. La funcionalidad de dominio Bobina ahora soporta velocidad (términos de Lorentz) en 3D y 2D con simetría axial. En aplicaciones de mecánica de estructuras, la contribución de la fuerza de Lorentz puede escogerse automáticamente como una Carga de cuerpo. Esto se muestra en el modelo Loudspeaker Driver en la Galería de aplicaciones y la Librería de aplicaciones.

El modelo The Loudspeaker Driver dispone de nuevos acoplamientos electroacústicos.

Modelo tutorial actualizado: Loudspeaker Driver
El modelo Loudspeaker Driver se ha actualizado y ahora utiliza los nuevos acoplamientos electromagnéticos automáticos de la bobina móvil y el campo magnético. Se ha añadido la velocidad (término de Lorentz) al dominio de Bobina y la contribución de la fuerza de Lorentz es seleccionada por la funcionalidad de Carga de contorno estructural. La nueva funcionalidad elimina la necesidad de ecuaciones definidas por el usuario para modelar este tipo de acoplamiento multifísico.

NOTA: Este modelo require Acoustics Module y AC/DC Module.

Opciones logarítmico y frecuencias ISO preferidas para los barridos frecuenciales
Dos nuevos métodos de entrada añadidos al definir un barrido frecuencias en un estudio:

Actualizaciones de las PML
Se han añadido varias opciones a la funcionalidad de capas perfectamente adaptadas (PML) que posibilitan personalizar las propiedades de la capa:

Otras mejoras e importantes correcciones de errores

Modelo tutorial actualizado: Streaming acústico en una sección de un microcanal
Los recientes avances en la fabricación de sistemas microfluídicos requieren el manejo de células vivas y otras micropartículas, así como mezclado. Todo ello puede obtenerse utilizando fuerzas de radiación acústica y el arrastre viscoso de un flujo transmitido.

La trayectoria de las partículas en dispositivos estará gobernada por el balance entre la fuerza de arrastre viscosa (del flujo de streaming) y la fuerza de radiación acústica. Este modelo muestra cómo incluir y modelar ambos utilizando el Acoustics Module en COMSOL Multiphysics®.

Izquierda: El flujo del streaming acústico dentro del corte de un microcanal. Derecha: Una animación de las trayectorias de las micropartículas bajo la influencia del arrastre del flujo de streaming y fuerzas de radiación.

Modelo tutorial actualizado: Ondas poroelásticas con pérdidas térmicas y viscosas (Modelo Biot-Allard)
En aplicaciones donde las ondas de presión y las ondas elásticas se propagan en materiales porosos llenos de aire, tanto lsa pérdidas térmicas como viscosas son importantes. Este es el caso típico de los materiales aislantes para acústica de salas o materiales de revestimientos para las cabinas de los automóviles. También puede ocurrir en materiales porosos en silenciadores en la industria de la automoción.

En muchos casos, estos materiales pueden modelarse utilizando los modelos Poroacústicos (modelos fluidos equivalentes) implementados en la interfaz de Acústica de presión. Los modelos poroacústicos no capturan todos los efectos, así que a veces es necesario también incluir ondas elásticas en la matriz porosa. Esto se cubre en la llamada teoría de Biot-Allard para modelar ondas poroelástica.

La interfaz de Ondas poroelásticas del Acoustics Module se basa en la teoría clásica de Biot en el campo de las ciencias de la tierra. Este modelo considera que el fluido saturante es un líquido (agua), y que únicamente incluye pérdidas viscosas. La entradas de material también son diferentes a las típicamente proporcionadas con los materiales aislantes acústicos. Los presentes modelos muestran cómo la interfaz de Ondas poroelásticas pueden ajustarse para incluir los efectos térmicos y viscosos tal y como se describen en la teoría de Biot-Allard.

Impedancia normal a la superficie de una capa porosa simple. Las curvas incluyen tanto las pérdidas térmicas como viscosas en el fluido así como la deformación mecánica de la matriz porosa.

Modelo tutorial actualizado: Cristal sónico
Los cristales fonónicos y sónicos han generado un interés científico creciente para muchas aplicaciones tecnológicas diversas. Estos cristales están hechos de distribuciones periódicas de dispersores integrados en una matriz. Bajo ciertas condiciones, pueden formarse gaps de banda acústica. Consisten en bandas donde la propagación de ondas está prohibida.

Este modelo tutorial primero analiza un cristal sónico y determina su estructura de bandas. Entonces, el modelo analiza las pérdidas de transmisión a través de un cristal de tamaño finito y compara los resultados de la estructura de bandas.

Campo de presión periódico dentro de la estructura del cristal sónico. La periodicidad es aplicada utilizando las condiciones periódicas incluídas de Floquet (también conocida como Bloch).

Modelo tutorial actualizado: Interacción acústica-estructura y flujo de aire en violines
Durante el último milenio, las bocas sonoras de los violines han pasado de ser circulares a ir alargándose. La mayoría de los sonidos de las notas bajas emitidas por un violín se radian a través de estos orificios alargados. El cuerpo vibrante del violín proporciona sonidos a más altas frecuencias, pero también resuena el aire de dentro.

Se presentan dos modelos tutoriales en la Galería de aplicaciones. El primero aplica la interacción acústica-estructura para estudiar cómo la resonancia del modo del aire se ve afectada por las vibraciones acopladas en el cuerpo del violín. El otro utiliza una aproximación del flujo potencial para investigar cómo el aire fluye a través de los orificios alargados en relación con su forma.

Estos modelos se encuentran descritos en mucho más detalle en la entrada del blog titulada "Analyze Violin Tone and Volume with Multiphysics Modeling".

Izquierda: El primer modo, aquí a 300 Hz, de un modelo de violín y acústica acoplados. Derecha: El flujo de aire a través de los orificios en f del violín. El flujo se simula como un flujo potencial.

Modelo tutorial actualizado: Conservación de energía con acústica termoviscosa
El sonido que se propaga en estructuras con pequeñas dimensiones se ve afectado por pérdidas viscosas y térmicas cerca de las paredes. Tales pérdidas han de ser incluidas al modelar el comportamiento acústico de tales estructuras.

Este modelo tutorial estudia la conservación de la energía en la configuración de un análisis conceptual con una entrada y una salida y conteniendo un resonador de Helmholtz con un cuello muy estrecho. La acústica en el cuello estrecho se modela con la interfaz de Acústica termoviscosa, para un análisis detallado de las pérdidas térmicas y viscosas. Para poder estudiar y verificar la conservación de la energía, el modelo compara la energía total disipada en la capa límite acústica con la entrada total menos la potencia de salida del sistema.

Puede verse una discusión más detallada de la teoría termoacústica en la entrada del blog titulada "Theory of Thermoacoustics: Acoustics with Thermal and Viscous Losses".

Modelo tutorial actualizado: Juntando subcomponentes en acústica utilizando la condición de contorno de impedancia
Este tutorial ilustra un planteamiento de modelado para derivar modelos simplificados físicamente consistentes en el Acoustics Module. El planteamiento consiste en convertir subcomponentes complejos a una condición de contorno de impedancia y de esta manera utilizar acústica simple en todo el modelo. Como consecuencia, se puede obtener una aceleración computacional significativa.

El ejemplo tratado aquí consiste en un sistema como el de un silenciador simplificado que consta de un conducto principal y un resonador Helmholtz (el subcomponente). La acústica en el resonador es modelada con acústica termoviscosa, porque las pérdidas viscosas y térmicas son importantes. El objetivo es juntar el dominio acústico termoviscoso con un modelo de impedancia.

El modelo tutorial proporciona ilustraciones paso a paso que detallan cómo derivar las condiciones de contorno de impedancia en un modelo acústico complejo, así como llamar a esta impedancia en un nuevo modelo simple. Además, el modelo detalla cómo utilizar el Optimization Module para ajustar la impedancia derivada a un modelo RCL. La documentación discute cómo esta segunda aproximación puede utilizarse para derivar un conocimiento adicional del sistema modelado.

5.2

Nueva app: Diseño de silenciador de absorción
Los silenciadores se utilizan para atenuar el ruido emitido por un motor de combustión, por ejemplo, y en general deberían de funcionar bien en un rango específico de frecuencias. La atenuación se mide a través de las pérdidas de transmisión, lo que da el amortiguamiento en dB como una función de la frecuencia.

La app Absorptive Muffler Designer se utiliza para estudiar y diseñar un silenciador resonante simple con un revestimiento poroso. Con la app se puede realizar un análisis tanto del amortiguamiento inductivo como resistivo en un silenciador de su elección.

La app permite estudiar los resultados después de cambiar las dimensiones del silenciador, las condiciones ambientales de funcionamiento y las propiedades del material del revestimiento poroso.

Interfaz de usuario para la app Absorptive Muffler Designer.

Nueva app: Analizador acústico de una casa unifamiliar
La app One-Family House Acoustics Analyzer se utiliza para calcular la propagación del ruido en habitaciones acopladas dentro de una casa de dos plantas que consta de diez habitaciones. La app determina la distribución del nivel de presión del sonido (SPL) en la casa basándose en una serie de fuentes que se posicionan interactivamente a lo largo de la casa.

Representa un problema de acústica de salas clásico donde los ingenieros o arquitectos quieren determinar el entorno de ruido en un sistema de habitaciones acopladas, como casas, espacios de oficinas o talleres. Esto es importante cuando se quiere asegurar que un entorno acústico cumple con las regulaciones de ruido y trabajo, por ejemplo.

Un ingeniero o arquitecto puede llevar una app como esta al lugar y verificar diferentes escenarios de fuentes de ruido y características de aislamiento de paredes. Entonces pueden comparar los resultados de la simulación con las medidas reales. La aplicación permite posicionar, eliminar, y definir múltiples fuentes acústicas en diferentes habitaciones de la casa para determinar la distribución SPL resultante.

La acústica se modela utilizando la interfaz física Acoustic Diffusion Equation en COMSOL Multiphysics, que es rápida y eficiente para determinar las distribuciones SPL.

Interfaz de usuario para la app One-Family House Acoustics Analyzer mostrando varias opciones de fuentes de ruido.

Nueva app: Diseño del tubo de un órgano
El diseñador de tubos de órgano permite estudiar el diseño de un tubo de órgano, y entonces tocar el sonido y ver los cambios de tono al cambiar el diseño en una cómoda app. El sonido del tubo incluye los efectos de diferentes armónicos con diferentes amplitudes.

El tubo del órgano se modela utilizando la interfaz Pipe Acoustics, Frequency Domain de COMSOL Multiphysics. La app de simulación permite analizar cómo varía la primera frecuencia de resonancia fundamental con el radio del tubo y el grosor de la pared, así como con la presión y temperatura ambientales.

Utilizando la app puede encontrar la respuesta frecuencial completa, incluyendo la frecuencia fundamental y los armónicos. Con un método escrito en código Java®, la app detectará la localización y amplitud de todos los armónicos en la respuesta, ampliando así el análisis más allá de la funcionalidad incluida en la interfaz de usuario de COMSOL.

Nueva app: Analizador de reflexión acústica para una interfaz agua-sedimento

Gráficos de banda de una octava

Variable de energía disipada en acústica de presión
Para Presión Acústica, Poroacústica y Acústica en región estrecha, ahora se puede simular la densidad de potencia disipada para todos los modelos de fluidos. La variable se llama acpr.Q_pw y está localizada bajo la sección Heating and losses en el menú Añadir/Reemplazar Expresión cuando se trabaja con resultados. La expresión es válida en el límite de onda plana para ondas viajeras. La variable predefinida se utiliza en el modelo tutorial Focused Ultrasound Induced Heating in Tissue Phantom, donde la energía acústica disipada calienta los tejidos del fantasma.

Condiciones de contorno de velocidad normal y desplazamiento normal en acústica de presión
En las interfaces Pressure Acoustics, la condición de contorno Normal Acceleration ahora es complementada por dos nuevas condiciones de contorno para prescribir una velocidad normal o un desplazamiento normal. Esto simplifica el procedimiento de modelado cuando se modelan fuentes en acústica. Un ejemplo de esto se puede encontrar en el modelo tutorial Generic 711 Couplesr- An Occluded Ear-Canal Simulator, donde la fuente se define por medio de una condición de contorno Normal Displacement.

Funcionalidades adicionales en ondas poroelásticas

Variables de intensidad actualizadas en todas las interfaces acústicas
Todas las interfaces acústicas incluyen actualizaciones de las variables de intensidad, que ahora son consistentes entre interfaces físicas y tipos de estudio. La intensidad se define en el dominio de la frecuencia (valores medios sobre un periodo) y la llamada intensidad instantánea se define en el dominio del tiempo. Las variables de intensidad en las interfaces de Termoacústica y Navier-Stokes linealizado ahora incluyen las contribuciones de tensión viscosa. Las variables están disponibles en los resultados al hacer clic en los botones Añadir/Reemplazar Expresión.

Entrada de matriz de masas completas en masa añadida
La funcionalidad de masa añadida se ha ampliado de forma que es posible entrar la matriz de masa completa.

Interpretación de velocidad/aceleración prescrita en análisis estacionario
Cuando los nodos de velocidad prescrita o aceleración prescrita están presentes en el modelo, se puede definir como esas condiciones de contorno deberían de interpretarse en un análisis estacionario. Pueden tratarse como una restricción (constrained), o ignorarse (free). Esto es de utilidad en los modelos y apps con múltiples tipos de análisis mezclados, incluyendo los tipos en el dominio de la frecuencia, dependientes del tiempo y estacionarios.

Actualizaciones menores y solución de errores
La nueva versión de COMSOL Multiphysics incluye varias actualizaciones menores y soluciones de errores:

Nuevos tutoriales en la galería de aplicaciones
Se han añadido cuatro nuevos modelos tutoriales a la gelería de aplicaciones en línea.

Acústica de un apartamento, analizado utilizando la ecuación de difusión acústica.

*Vibrating Plate in a 2D Viscous Parallel Plate Flow

*Apartment Acoustics Analyzed Using the Acoustic Diffusion Equation

*Acoustic-Solid Interaction with Two Perfectly Matched Layers (PMLs)

*Shape Optimization of a Tweeter Waveguide

5.1

NOVEDADES

Nueva app: analizador de sala de conciertos pequeña

Esta aplicación analiza la acústica de una pequeña sala de conciertos utilizando la interfaz de acústica de rayos. La app permite definir una fuente sonora omnidireccional, parámetros de absorción de las paredes, propiedades de difusores y la localización de un micrófono donde se mide la respuesta impulsional. Los resultados incluyen una respuesta impulsional de energía filtrada para una componente de Fourier dada. Conceptualmente la app puede ser utilizada para optimizar una sala de conciertos dada para un cierto tipo de uso, por ejemplo, conciertos de música clásica, música jazz o lectura de poesía. Tras correr la app, se pueden eliminar paneles absorbentes o cambiar su material para obtener la acústica deseada.

Un pantallazo de una app de una sala de conciertos que simula la respuesta impulsional para una fuente de sonido omnidireccional y una localización del micrófono, parámetros de absorción de las paredes propiedades de los difusores.

Condición de contorno de impedancia en presión acústica, dominio de la frecuencia

Ahora existen varias condiciones de contorno de impedancia predefinidas en la interfaz de Dominio de la frecuencia, presión acústica, cada una utilizada para modelar un cierto comportamiento acústico en un contorno. Los casos potenciales incluyen el modelado de pérdidas asociadas con una capa porosa; un sistema mecánico simple (aproximado por una combinación de pérdida, conformidad y masa); el comportamiento en la apertura de una guía de onda; o la acústica de diferentes partes del oído humano. Más específicamente, los modelos de la impedancia del oído y de la piel proporcionan una herramienta a los ingenieros para añadir cargas acústicas realistas cuando se desarrollan y simulan auriculares, aparatos auditivos y otros dispositivos móviles. Las condiciones de contorno de impedancia están divididas en varias categorías con diferentes opciones: Definida por el usuario, RCL, fisiológica, impedancia de final de guía de onda, capa porosa e impedancia específica característica. Nótese que, dependiendo de la frecuencia estudiada, las condiciones de impedancia son solo aproximaciones del comportamiento verdadero; su ventaja es que su coste computacional es muy bajo y dan una buena primera aproximación computational para sistemas complejos. Dependiendo de la dimensión del espacio, las opciones para el modelo de impedancia son: Definido por el usuario: Entra una expresión definida por el usuario de cualquier tipo RCL: Contiene opciones para todas las posibles combinaciones de un circuito RCL (resistencia, compliancia e inertancia acústica equivalente). Imagen (a) Fisiológica: Incluye modelos para la piel y el oído humanos (tímpano, pabellón auricular y oído completo).Imagen (b) Impedancia de final de guía de onda:Modelos de impedancia de final de tubo realzado y sin realce. Imagen c Capa porosa: Selecciona un modelo de grosor de capa porosa (mismas opciones que la funcionalidad poroacústica). Impedancia específica característica: Para ondas planas, esféricas y cilíndricas. En el ejemplo mostrado (d), el modelo de impedancia RCL se aplica para permitir el modelado de las propiedades mecánicas de un micrófono que se utiliza para realizar medidas. Dos variaciones de las condiciones de la impedancia del final de guía de onda son utilizadas en el ejemplo de verificación de Tubo Abierto que se encuentra en la librería de aplicaciones.

En este ejemplo tutorial de un acoplador 711 genérico utilizado en un simulador del canal de un oído obstruido, la condición de impedancia RCL serie se utiliza para modelar las propiedades mecánicas (la impedancia) del micrófono utilizado para las medidas. (d).

Nuevos modelos poroacústicos adicionales

La lista de modelos de fluidos poroacústicos se ha ampliado para incluir dos modelos de fluidos de densidad equivalente para el modelado de sedimentos y fluidos con inclusiones; los modelos EDFM de Wood y Williams. También se han implementado algunos nuevos conjuntos de parámetros predefinidos para el modelo Delany-Bazley-Miki.

Fuentes puntuales dipolo en presión acústica, dominio de la frecuencia

Matemáticamente, un dipolo es una fuente que corresponde a dos monopolos que están muy cerca entre sí y están completamente fuera de fase. Los dipolos aparecen cuando hay fuerzas fluctuando en el medio, como pequeños objetos que vibran adelante y atrás, por ejemplo. Una fuente acústica compleja puede expandirse y aproximarse por una colección de fuentes puntuales (monopolos, dipolos y cuadripolos).

Gráfico de isosuperficies del campo de presión y superficie de nivel de presión del sonido alrededor de una fuente puntual dipolo.

Fuentes puntuales cuadripolo en acústica de presión, dominio de la frecuencia

Un cuadripolo es, matemáticamente, una fuente que corresponde a dos dipolos que están muy cerca entre sí. Una fuente acústica compleja puede expandirse y aproximarse por una colección de fuentes puntuales (monopolos, dipolos y cuadripolos).

Gráfico de isosuperficies del campo de presión y superficie de nivel de presión del sonido alrededor de una fuente puntual cuadripolo con la tipo de configuración lateral para la potencia.

Condición de contorno de velocidad interior en termoacústica

Esta condición se utiliza para especificar una velocidad en un contorno interior en termoacústica. La condición puede ser utilizada para especificar fuentes, como la velocidad de un diafragma en un transductor miniatura que se modela utilizando un modelo de circuito concentrado, por ejemplo. Las componentes de velocidad se pueden describir independientemente y existe una opción para forzar la continuidad en la presión a través del contorno. También existen opciones para las condiciones térmicas.

Nuevos conjuntos de datos que simplifican la evaluación y graficado del campo lejano fuera de la malla computacional

Los conjuntos de datos de Curva Parametrizada y Superficie Parametrizada ahora soportan la evaluación donde no existe malla de dominio seleccionando la casilla Solo evaluar expresiones definidas globalmente. De esta manera, las variables de campo lejano se pueden evaluar fuera de la malla en una superficie o curva parametrizada predefinida. La nueva funcionalidad Grid Data Sets puede utilizarse para graficar la solución del campo lejano fuera del dominio computacional, en volúmenes o superficies. Se puede tener acceso a la resolución para esta rejilla a través de la ventana de ajustes Grid 3D.

El campo de presión visualizado fuera del dominio computacional (fuera de la malla) en el ejemplo de transductor Tonpilz piezoeléctrico utilizando el conjunto de datos Grid 3D y la funcionalidad de cálculo de campo lejano. El postprocesado en el transductor se visualiza en la malla del modelo, mientras que el postprocesado en el campo lejano se visualiza en una rejilla rectangular invisible en el espacio que abarca al transductor.

Nuevos conjuntos de datos array

Se ha introducido un nuevo conjunto de datos para crear arrays de datos que puede ser fácilmente usado para visualizar soluciones periódicas. Estos conjuntos de datos array pueden, por ejemplo, utilizarse para visualizar soluciones de modelos que utilicen la condición de contorno Floquet periodic.

La presión total visualizada en el ejemplo de absorbente poroso utilizando la funcionalidad de conjunto de datos Array 2D.

Acústica de rayos: cálculos de intensidad en medios graduales

Los cálculos de intensidad ahora están soportados para medios graduales, o sea, medios donde la velocidad del sonido es dependiente del espacio. Un ejemplo es el caso de acústica oceánica, donde la velocidad del sonido típicamente depende de la profundidad, debido al hecho de que es dependiente de la temperatura y la salinidad. El cálculo de intensidad ahora se basa en un tensor de curvatura en vez de en las curvaturas principales. Bajo la sección Ray Properties en la ventana de ajustes para el nodo de acústica de rayos, se selecciona la opción Using curvature tensor bajo la sección de cálculos de intensidad.

Acústica de rayos: modelos de fluido con atenuación

Las propiedades del medio ahora tienen dos opciones de modelo de fluido para modelar la atenuación de la onda acústica debido a las pérdidas de volumen. La atenuación se hace importante en el aire a altas frecuencias y en espacios grandes, como en salas de conciertos. También es importante en aplicaciones de acústica submarina. La opción de elástica lineal con atenuación permite una expresión definida por el usuario para el coeficiente de atenuación, mientras que la opción de conducción térmica y viscosa configura la expresión de atenuación clásica debida a la viscosidad y la conducción térmica.

Acústica de rayos: soporte mejorado para acústica de rayos con propiedades de materiales dependientes de la frecuencia

En modelos de acústica de rayos, ahora es posible especificar directamente en la ventana de ajustes del Material las propiedades del material que son dependientes de la frecuencia del rayo u otra propiedad del rayo, en lugar de la ventana de ajustes de propiedades del medio. Para hacer esto, todas las propiedades del rayo deben de estar contenidas en el nuevo operador noenv(), que permite valores que existan únicamente en los rayos que se incluirán en expresiones definidas en dominios.

Acústica de rayos: otras mejoras

Documentación

Se han añadido nuevos capítulos de modelado en la Acoustics Module User's Guide. Estos capítulos contienen información sobre modelado, sugerencias y trucos, y buenas prácticas pertenecientes al mallado, los resolvedores y más.

Nuevo tutorial: resonador Helmholtz analizado con diferentes resolvedores en el dominio de la frecuencia

Este modelo tutorial simula un barrido de frecuencia de un resonador Helmholtz genérico - un circuito resonante acústico clásico con una solución teórica conocida - para ilustrar cómo utilizar diferentes resolvedores en el dominio de la frecuencia. Además del resolvedor estacionario, el modelo utiliza el resolvedor de evaluación de forma de onda asintótica y los resolvedores modales estacionarios, en el dominio de la frecuencia que reconstruyen el resultado basándose en expansiones alrededor de unas pocas soluciones exactas en el rango de barrido.

En este ejemplo tutorial, la presión media en el volumen de un resonador Helmholtz se visualiza como función de la frecuencia. La respuesta se ha resuelto utilizando el resolvedor por defecto en el dominio de la frecuencia, el resolvedor en el dominio de la frecuencia con evaluación de forma de onda asintótica (AWE) y el resolvedor modal en el dominio de la frecuencia.

Nuevo tutorial: Transductor Tonpiz piezoeléctrico con borne pretensado

Este tutorial muestra cómo modelar modelos de interacción acústico-estructural pretensados utilizando el resolvedor de perturbación. Se simula un transductor tonpilz a relativa baja frecuencia, pero condiciones de emisión de sonido de alta potencia, que es una configuración de funcionamiento popular para transductores utilizados en aplicaciones SONAR. El transductor está hecho de anillos piezocerámicos apilados entre una masa de cabeza y una masa de cola conectadas por un perno central.

El tutorial muestra cómo incorporar el efecto de la pretensión en el perno. La respuesta frecuencial del transductor es estudiada para determinar las respuestas estructural y acústica del dispositivo, como la deformación, tensiones, potencia radiada, nivel de presión sonora, la curva de respuesta de tensión de transmisión (TVR) y el índice de directividad (DI) del haz de sonido. El modelo tutorial requiere los módulos Acoustics, Structural Mechanics y AC/DC.

El transductor piezoeléctrico tonpilz es un transductor para emisión de sonido de relativa baja frecuencia y alta potencia. El transductor está hecho de anillos piezocerámicos que se apilan entre masas terminales pretensadas por un perno central. La frecuencia de resonancia del dispositivo es disminuida por las masas de cabeza y cola. En el modelo tutorial, la respuesta frecuencial del transductor se estudia cuando el perno está pretensado. La imagen muestra la deformación del transductor topilz a 40 kHz. El tutorial requiere los módulos Acoustics, Structural Mechanics y AC/DC.

Tutoriales actualizados

Se han actualizado varios tutoriales de la librería de aplicaciones del módulo de acústica para mostrar nuevas funcionalidades. Entre ellos están los siguientes: Open Pipe: utiliza la nueva condición de contorno Waveguide-end impedance para un tubo circular con reborde y sin él. Generic 711 Coupler - An Occluded Ear-Canal Simulator y Lumped Receiver Connected to Test Set-Up with a 0.4cc Coupler: Ambos tutoriales utilizan la nueva condición de contorno de impedancia RCL. Porous Absorber y Reflections off a Water-Sediment Interface: Ambos utilizan la nueva funcionalidad de Periodic data set para representar la solución en postprocesado. Bessel Panel: Ahora se resuelve con un resolvedor iterativo. Jet Pipe: El modelo ahora se resuelve utilizando varios pasos de estudio y los resultados se muestran incluyendo la dependencia circunferencial. Brüel & Kjær 4134 Condenser Microphone, Loudspeaker Driver, Generic 711 Copuler - An Occluded Ear-Canal Simulator, y Reflections off a Water-Sediment interface: Los cuatro ejemplos tutoriales ahora disponen y utilizan acoplamientos multifísicos predefinidos.

En el modelo del tubo inyector, el comportamiento circunferencial del campo de presión ahora está incluido en el postprocesado utilizando un conjunto de datos de revolución 2D. El modelo muestra el comportamiento aeroacústico del ruido emitido desde un turbofán.

5.0

Acoplamientos multifísicos Nuevos acoplamientos Multifísicos e interfaces Multifísicas predefinidas que reemplazan y actualizan las funcionalidades existentes del módulo de acústica. Por ejemplo, el acoplamiento de un dominio de fluido acústico a un dominio de mecánica de sólidos ahora se obtiene en COMSOL Multiphysics añadiendo una interfaz acústica y una interfaz de mecánica de sólidos separadamente y entonces acoplándolas en el contorno utilizando un nuevo nodo de acoplamiento multifísico. Esta nueva formulación posibilita desacoplar las dos físicas implicadas y da acceso a toda la funcionalidad de la interfaz acústica y la funcionalidad incluida en la interfaz sólida (dependiendo de las licencias). Los nuevos acoplamientos Multifísicos disponibles con el Acoustics Module incluyen: Contorno Acústico-Estructura para acoplamiento de interfaces de Acústica de Presión a estructuras sólidas incluyendo Mecánica de Sólidos, Cáscara (interior y exterior)*, Membrana* y Dinámica de Multicuerpo*. Contorno Aeroacústico-Estructura para acoplamiento de Navier-Stokes Linealizado, Dominio de la Frecuencia con estructuras sólidas, incluyendo Mecánica de Sólidos, Ondas elásticas, Cáscara (interior y exterior)*, Membrana* y Dinámica de multicuerpo*. Contorno Acústico-Termoacústico para acoplamiento de interfaces de Acústica de Presión a Termoacústica, Dominio de la Frecuencia. Contorno Termoacústica-Estructura para acoplamiento Termoacústico, Dominio de la Frecuencia a estructuras de sólidos incluyendo Mecánica de Sólidos, Cáscara (interior o exterior)*, Membrana*, y Dinámica de multicuerpo*. Contorno Acústico-Poroso para acoplamiento de las interfaces de Acústica de Presión a un dominio de Material Poroso a partir de la interfaz de Ondas Poroelásticas (u Ondas Elásticas). Acoplamiento de Flujo de Potencial de Fondo para el acoplamiento unidireccional de Flujo de Potencial Compresible a las interfaces de Flujo de Potencial Linealizado. Difusión acústica La interfaz de Ecuación de Difusión Acústica resuelve una ecuación de difusión para la densidad de energía acústica. Es aplicable para acústica de alta frecuencia donde los campos acústicos son difusos. Las propiedades de difusión son dependientes tanto de la geometría de la sala como de las propiedades de absorción de las paredes, accesorios de la habitación (utiliza la absorción volumétrica media basada en la sección cruzada media y la atenuación) y la atenuación volumétrica (viscosa y térmica en volúmenes grandes únicamente). La interfaz está bien indicada para un cálculo rápido de distribución del nivel de presión sonora dentro de edificios y otras grandes estructuras. La interfaz de Ecuación de Difusión Acústica puede utilizarse para determinar los tiempos de reverberación en diferentes localizaciones/salas. Esto puede realizarse o haciendo un análisis transitorio y mirando a la curva de decaimiento de la energía, o realizando un análisis de valores propios. Las entradas para todas las fuentes, parámetros de absorción y pérdidas de transmisión pueden hacerse utilizando una de las bandas, proporcionadas en el módulo. Usando estos tipos de entradas y un barrido paramétrico sobre las bandas estudiadas, el usuario puede fácilmente dibujar y analizar los resultados del modelo en bandas. Acústica de rayos La interfaz de Acústica de Rayos es utilizada para calcular las trayectorias, fase e intensidad de rayos acústicos. La acústica de rayos es válida en el límite de la alta frecuencia donde la longitud de onda acústica es menor que los detalles de las características geométricas. La interfaz puede utilizarse para modelar acústica en habitaciones, salas de conciertos, escuelas, edificios de oficinas y muchos otros entornos. Las propiedades de los medios en los rayos se propagan pueden cambiar continuamente dentro de los dominios o discontinuamente en los contornos. En el exterior de los contornos, es posible asignar una variedad de condiciones de pared, incluyendo combinaciones de de reflexión especular y difusa. La impedancia y la absorción pueden depender de la frecuencia, la intensidad, y la dirección de los rayos incidentes. La transmisión y reflexión también se modelan en las discontinuidades del material. También puede asignarse una velocidad de fondo a algún medio.

Trazado de rayos acústicos: La acústica de una pequeña sala de conciertos es simulada utilizando trazado de rayos acústicos.

Difusión acústica: La acústica en una casa unifamiliar de dos pisos se analiza utilizando la ecuación de difusión acústica.

Modelos de fluidos adicionales para poroacústica: Zwikker-Kosten Attenborough Wilson Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL), modelo semi-empírico de 6 parámetros Johnson-Champoux-Allard-Pride-Lafarge (JCAPL), modelo semi-empírico de 8 parámetros Modelos de fluidos adicionales para acústica en regiones estrechas Abertura Conducto circular Conducto rectangular Conducto triangular equilátero Definido por el usuario Nuevas condiciones de contorno para termoacústica: Una nueva condición de Pared por defecto está disponible con opciones para especificar Deslizante/No deslizante e Isotérmica/Adiabática. Cualquier otro comportamiento en un contorno puede también modelarse combinando todas las condiciones mecánicas y térmicas existentes. Una nueva condición de contorno No-deslizante se ha añadido también a la lista de condiciones Mecánicas. Ecuaciones de Navier-Stokes linealizadas Las nuevas interfaces de Navier-Stokes Linealizada, Dominio de la Frecuencia y Navier-Stokes Linealizada, Transitorio se encuentran bajo la Rama de Aeroacústica. Las interfaces son utilizadas para calcular las variaciones acústicas en presión, velocidad y temperatura en presencia de cualquier flujo medio de fondo estacionario isotérmico o no-isotérmico. Las interfaces físicas son utilizadas para simulaciones aeroacústicas que pueden describirse por ecuaciones de Navier-Stokes linealizadas. El acoplamiento de la interfaz de dominio de la frecuencia a estructuras, utilizando el nuevo acoplamiento multifísico de Contorno Aeroacústico-Estructura permite un análisis de vibración detallado de estructuras en presencia de flujo, como interacción fluido-estructuras en el dominio de la frecuencia. Nuevos modelos tutoriales: Reflexiones en interfaz agua-sedimento Banco de pruebas del interior de un vehículo Transductor piezoeléctrico Tonpilz Receptor concentrado conectado a configuración de prueba con un acoplador 0.4-cc