El módulo Acoustics Module se ha diseñado específicamente para aquellos que trabajan con dispositivos que producen, miden o utilizan ondas acústicas. Sus modos de aplicación fáciles de usar proporcionan todas las herramientas necesarias para modelar propagación de ondas acústicas en sólidos y fluidos estacionarios, así como aeroacústica en campos móviles.
El módulo es ideal para examinar fenómenos de ondas mecánicas lineales en estructuras y fluidos. Ha sido diseñado específicamente para aquellos que trabajan con dispositivos que generan, miden y utilizan ondas acústicas.
Varias características hacen que este módulo esté particularmente adaptado a resolver este tipo de problemas. Por ejemplo, el dominio teórico de la mayoría de los problemas acústicos es infinito, pero el modelado de este dominio está por encima de las capacidades de cualquier ordenador. Para permitir un modelado correcto de un espacio truncado bien definido, el Acoustics Module utiliza capas perfectamente adaptadas(PML), una técnica que ha surgido como la quizás más adecuada y precisa manera de truncar un entorno acústico abierto. Un PML es un dominio adicional que absorbe la radiación incidente sin producir reflexiones; proporciona buenos rendimientos para un amplio rango de ángulos de incidencia y no es muy sensible a la forma de los frentes de onda.
Otro elemento clave de los estudios acústicos es el amortiguamiento, y Acoustics Module ofrece tres maneras de introducir la absorción tanto en sólidos como en fluidos: utilizando el método Delany-Bazley donde el usuario entra un resistividad de flujo; entrando un coeficiente de absorción específico; o con un método de absorción general donde los usuarios pueden importar datos de materiales complejos a partir de medidas en un material amortiguante.
Para ayudar a los usuarios a meterse de lleno en el desarrollo de sus propios modelos y aprender trucos y técnicas para hacer sus modelos más efectivos, el módulo viene con una Librería de Modelos que contiene más de una docena de casos con una discusión teórica detallada seguida de instrucciones paso a paso, pero los usuarios puede también simplemente cargar uno de los modelos proporcionado. Un ejemplo estudia cómo diseñar un woofer e involucra el acoplamiento multifísico de aspectos electromagnéticos, acústica y estructurales. Otro analiza el problema de un tubo abierto, que es un ejemplo de referencia clásico, a la hora de tratar resonancias. Un tercer estudio analiza la reflexión de modos de propagación hacia adelante en la toma de un motor reactor, incluyendo un flujo compresible y PMLs para truncar el dominio; los resultados se comparan con simulaciones publicadas y con soluciones semianalíticas.
Entre las áreas de aplicación se pueden incluir la industria de audio, como el diseño de altavoces, ya sean altavoces individuales o los sistemas empotrados en aparatos electrónicos como teléfonos móviles, para detección y caracterización de objetos submarinos, y procesado de campo lejano para predecir patrones de radiación y potencia de señal.
Para la interfaz Pressure Acoustics, Transient y la interfaz Pressure Acoustics, Time Explicit, hay una nueva funcionalidad para especificar y configurar condiciones de impedancia dependientes de la frecuencia en el dominio del tiempo. La funcionalidad proporciona una aproximación racional de los datos en el dominio de la frecuencia, lo que da como resultado un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (ecuaciones de memoria para la transformada inversa de Fourier) resueltas en el dominio del tiempo. Se ha añadido una nueva función de ajuste o interpolación para realizar la transformación de los datos en el dominio de la frecuencia al dominio del tiempo, donde el ajuste se basa en una variante del algoritmo adaptativo de Antoulas-Anderson (AAA). Esta nueva funcionalidad se muestra en el modelo tutorial Wave-Based Time-Domain Room Acoustics with Frequency-Dependent Impedance.
La condición de contorno Impedance en las interfaces Pressure Acoustics, Transient y Pressure Acoustics, Time Explicit ahora se puede utilizar para modelar propiedades de superficie realistas, como las de un panel absorbente o cualquier otra superficie que tenga propiedades absorbentes dependientes de la frecuencia. Hay dos nuevas opciones disponibles, Serial coupling RCL y General local reacting (rational approximation), la última de las cuales se basa en una transformación especial de los datos de impedancia de la superficie, que se puede lograr con la nueva función Partial Fraction Fit. Esta nueva funcionalidad es esencial al modelar, por ejemplo, simulaciones realistas de acústica de salas basadas en ondas en el dominio del tiempo.
La función Partial Fraction Fit transforma los datos en el dominio de la frecuencia en un formato adecuado para un análisis en el dominio del tiempo. La función realiza una aproximación racional de las respuestas en el dominio de la frecuencia. Esto hace posible calcular analíticamente la transformada de Fourier inversa y así obtener la función de respuesta al impulso en el dominio del tiempo. El algoritmo de ajuste se puede utilizar para cualquier dato, pero es particularmente importante y útil para datos de impedancia de superficie en simulaciones acústicas.
La condición de contorno de impedancia en la interfaz Pressure Acoustics, Time Explicit. Los datos necesarios para la condición de reacción local general (aproximación racional) se importan directamente desde la función Partial Fraction Fit que ajusta la admitancia en el dominio de la frecuencia.
La interfaz Poroelastic Waves se ha ampliado para incluir un nuevo modelo de material, Anisotropic Poroelastic Material. Muchos materiales porosos, como los materiales fibrosos, presentan propiedades anisotrópicas. Ahora se pueden definir las propiedades anisotrópicas para las propiedades del material de la matriz elástica, así como las propiedades poroacústicas relevantes, es decir, la resistividad del flujo, el factor de tortuosidad y la longitud característica viscosa. Puede verse este modelo de material en el nuevo modelo tutorial Transverse Isotropic Porous Layer.
El modelo de material poroelástico anisotrópico, donde las propiedades de la matriz porosa son anisotrópicas para el material fibroso modelado.
La interfaz Poroelastic Waves ha sido reestructurada para una experiencia de usuario mejorada. Las funciones que se aplican a una matriz elástica porosa y aquellas aplicables a fluidos saturados ahora se encuentran en menús separados. Además, estas características se pueden aplicar al mismo contorno para definir una multitud de condiciones mixtas.
Se ha añadido una condición de contorno Port a la interfaz Linearized Potential Flow. La condición Port se utiliza para excitar y absorber modos acústicos específicos que entran o salen de estructuras de guía de ondas, como un conducto de turboventilador u otras estructuras de canales. Esta funcionalidad es aplicable a simulaciones de acústica convectiva basadas en la formulación de flujo potencial linealizado. Para proporcionar una descripción acústica completa, se aplican varias condiciones del puerto al mismo contorno para facilitar la descomposición modal de las fuentes de ruido. Dentro del rango de frecuencias estudiado, se pueden tener en cuenta todos los modos de propagación relevantes. Luego se utiliza la interfaz Linearized Potential Flow, Boundary Mode para analizar e identificar los modos de propagación y no propagación. Puede verse esta nueva característica en el modelo tutorial Flow Duct.
La nueva condición de contorno del puerto en la interfaz Linearized Potential Flow, Frequency Domain. En este caso, se utiliza para estudiar la transmisión modal de un conducto de flujo de un motor turborreactor.
Simulación de transmisión modal de sonido en un modelo de admisión de un motor turborreactor. Los resultados se toman del modelo tutorial Flow Duct, en el que se utiliza la nueva condición de contorno del puerto.
La condición de contorno Impedance ahora se puede añadir a la interfaz Linearized Potential Flow, Boundary Mode al calcular los modos de propagación y no propagación. Es útil añadir esta condición en combinación con las condiciones de contorno Port en la interfaz Linearized Potential Flow, Frequency Domain al excitar un sistema de guía de ondas con modos salientes e incidentes realistas en configuraciones de guía de ondas revestidas.
Se puede utilizar una nueva condición de contorno Slip Wall para modelar las condiciones efectivas de pared no ideal que existen en el régimen de flujo deslizante, siempre que el número de Knudsen esté en el rango de 0,001 a 0,1. Esta característica se utiliza para sistemas con dimensiones geométricas muy pequeñas o sistemas que funcionan a presiones ambientales muy bajas. Esto es relevante al modelar, por ejemplo, transductores MEMS y otros microdispositivos. Para modelar una pared deslizante en un contorno interior, la función Interior Slip Wall está disponible. Téngase en cuenta que estas funciones requieren el módulo acústico Acoustics Module.
Ventana Settings para la funcionalidad Slip Wall en la intefaz Thermoviscous Acoustics.
Una nueva funcionalidad Surface Tension en la interfaz Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain añade la condición interior necesaria para modelar la interfaz entre dos fluidos, incluidos los efectos de tensión superficial. Esta formulación acústica (perturbación) de la ecuación de Young-Laplace se basa en una linealización alrededor de la forma estacionaria de la interfaz fluido-fluido. Esta característica es importante al modelar interfaces pequeñas y curvas entre dos fluidos inmiscibles diferentes, como microburbujas o microgotas, en, por ejemplo, aplicaciones de inyección de tinta. El nuevo modelo tutorial Eigenmode in Air Bubble with Surface Tension muestra esta funcionalidad.
Se ha añadido una opción RCL a la condición de contorno Impedance en la interfaz Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain. Esta condición es útil para modelar la interacción entre un campo acústico y sistemas simples de resorte-masa-amortiguador utilizando una representación concentrada. Por ejemplo, puede modelar las interacciones acústica-estructura con un modelo de micrófono utilizando una representación concentrada de la membrana flexible del micrófono.
Una nueva función Flame Model en la interfaz Pressure Acoustics, Frequency Domain permite definir una fuente de calor utilizando un modelo de llama, generalmente para el análisis de estabilidad en una configuración de combustión. La fuente de calor depende del campo acústico y se define en términos del modelo n-tau. En los motores de combustión, la liberación de calor depende de las oscilaciones acústicas del suministro de combustible fresco, y las oscilaciones acústicas se ven afectadas por la liberación de calor. Esto puede provocar que los modos acústicos se vuelvan inestables o amortiguados. Vease esta característica en el nuevo modelo de tutorial de Active Flame Validation.
La nueva función Flame Model en la interfaz Pressure Acoustics, Frequency Domain.
El acoplamiento Acoustic FEM-BEM Boundary y el acoplamiento Acoustic-Structure Boundary ahora incluyen la opción de añadir subcaracterísticas, y se han adicionado dos nuevos acoplamientos multifísicos al módulo Acoustics Module para simplificar el flujo de trabajo de modelado.
Acoplamiento multifísico Acoustic–Thermoviscous Acoustic Boundary para ensamblajes
Se ha añadido una nueva versión de par de contornos del acoplamiento anteriormente disponible Acoustic-Thermoviscous Acoustic Boundary. Este acoplamiento es adecuadio para modelar conjuntos con mallas no conformes.
Nuevo acoplamiento multifísico Thermoviscous Acoustic-Thermal Perturbation Boundary
Se ha añadido un nuevo acoplamiento multifísico
Impedancia interior para el acoplamiento multifísico de contorno acústico FEM-BEM
Al acoplar modelos acústicos de presión basados en el método de elementos finitos (FEM) y el método de elementos de contorno (BEM) utilizando el acoplamiento multifísico Acoustic FEM-BEM Boundary, ahora se puede añadir una subcaracterística de impedancia entre los dos dominios. Esto amplía el uso de la estrategia de modelado híbrido FEM-BEM, que es útil para grandes problemas acústicos.
Thermoviscous Boundary Layer Impedance para el acoplamiento multifísico Acoustic-Structure Boundary
Al acoplar una estructura vibratoria a un dominio acústico utilizando el acoplamiento multifísico Acoustic-Structure Boundary, ahora se puede añadir una subcaracterística Thermoviscous Boundary Layer Impedance al acoplamiento multifísico. Esto simplifica la configuración de grandes modelos vibroacústicos donde las pérdidas termoviscosas se incluyen con la formulación de la condición límite homogeneizada de la impedancia de la capa límite termoviscosa. Esta funcionalidad también es importante para acelerar ciertos problemas de optimización de formas o para simulaciones aproximadas más rápidas. Vea esta nueva incorporación en el modelo tutorial Piezoelectric MEMS Speaker.
La nueva función de impedancia de la capa límite termoviscosa para el acoplamiento multifísico del límite acústico-estructural.
Una nueva funcionalidad Receiver basada en la física en la interfaz Ray Acoustics mejora drásticamente el rendimiento para analizar una respuesta al impulso. Esta característica se utiliza para definir los contornos de una esfera receptora en la geometría al configurar la física. El receptor recopila información (hora de llegada y potencia) sobre los rayos que se cruzan durante la simulación. Esta información luego se utiliza para calcular la respuesta al impulso en el análisis de resultados. El tiempo combinado de cálculo y análisis de resultados (para calcular respuestas al impulso, trazar trayectorias de rayos y más) para el modelo Chamber Music Hall ha pasado de 18 horas (cuando se usa la versión 6.1) a 2 horas (con la versión 6.2). El tiempo para analizar las 10 respuestas impulsivas ha disminuido de 16 horas a 30 minutos (para 2 fuentes y 5 receptores, 10 pares en total, utilizando 46.000 rayos y 18 bandas con una resolución de 1/3 de octava). La función Receiver también se muestra en el modelo tutorial actualizado Small Concert Hall Acoustics.
La configuración de funciones del receptor para el modelo tutorial Chamber Music Hall.
La nueva funcionalidad Release from Pressure Field se utiliza para crear fuentes realistas en la interfaz Ray Acoustics. La información de la fuente realista se extrae primero de una simulación basada en ondas (campo cercano) utilizando la interfaz Pressure Acoustics, Frequency Domain. Esto significa que la aproximación clásica de fuente puntual del trazado de rayos no siempre es necesaria. Un ejemplo de una fuente de campo cercano podría ser un altavoz colocado en el tablero de un automóvil, donde la ubicación provoca reflexiones y difracción locales, como se muestra en el nuevo modelo tutorial Car Cabin Acoustics: Hybrid FEM-Ray Source Coupling. En este caso, el trazado de rayos no puede capturar los fenómenos ondulatorios. Sin embargo, estos fenómenos pueden abordarse mediante el uso de un modelo acústico de presión local. La función Release from Pressure Field permite la liberación de rayos, donde su magnitud y dirección están determinadas por el campo de intensidad dentro del modelo acústico de presión. Puede verse esta nueva característica en el modelo de tutorial Room Impulse Response of a Smart Speaker.
La nueva función Release from Pressure Field libera rayos desde una superficie, con la magnitud y dirección dadas por el vector de intensidad del modelo acústico de presión resuelto.
Importación de archivos de audio WAV
Los archivos de audio WAV (.wav) ahora se pueden importar como funciones Interpolation. Esto es útil para muchas aplicaciones en acústica, como cuando se comparan simulaciones con datos medidos o cuando se importan señales fuente para un análisis transitorio. Puede verse esta nueva funcionalidad en el modelo actualizado del tutorial Small Concert Hall Acoustics.
Funciones como fuente para el gráfico de respuestas impulsional
Para la fuente de datos para el gráfico Impulse response, ahora hay una opción de función (en lugar de solo un conjunto de datos de receptor). Esto significa que el gráfico de respuesta al impulso se puede utilizar para analizar datos de respuesta al impulso definidos por el usuario, por ejemplo, basándose en la importación de un archivo de audio WAV. Esta funcionalidad permite el análisis de datos de medición, así como de datos resultantes de una concatenación de simulaciones de rayos de alta frecuencia y basadas en ondas de baja frecuencia. El modelo tutorial Small Concert Hall Acoustics muestra esta nueva incorporación.
La nueva opción Source en el gráfico Impulse Response permite el análisis de señales importadas o señales que no se toman de una simulación de acústica de rayos.
Actualizaciones del gráfico de bandas de octava
El gráfico de bandas de octava ahora se puede utilizar para analizar resultados basados en una simulación transitoria. Los datos transitorios se transforman al dominio de la frecuencia antes de ser analizados. El gráfico de Octave Band ahora también tiene un tipo de entrada General (non-dB) que se puede utilizar para analizar datos de absorción en acústica o datos de velocidad de vibración para trazar una función de respuesta de frecuencia (FRF) en un modelo de vibraciones estructurales.
La optimización basada en gradiente (optimización de forma u topología) ahora es compatible con modelos con simetría axial 2D cuando se utiliza el operador de optimización dedicado de campo exterior Lp_pext_opt en la interfaz Pressure Acoustics, Frequency Domain. La versión de optimización del operador de campo exterior, similar al operador ya existente en 3D, se implementa de tal manera que su sensibilidad se puede calcular analíticamente. Como ejemplo, el modelo del tutorial Tweeter Dome and Waveguide Shape Optimization se ha actualizado para utilizar el nuevo operador; en consecuencia, el dominio acústico ahora se puede reducir considerablemente y el modelo funciona un 50% más rápido. También puede verse esta actualización en el modelo del tutorial Optimizing the Shape of a Horn.
Optimización de la forma de una cúpula de tweeter y una guía de ondas utilizando el nuevo operador Lp_pext_opt.
Se ha añadido una nueva opción para incluir la dependencia del material de primer orden de la viscosidad a los acoplamientos multifísicos para la transmisión acústica. Este efecto suele ser importante en un flujo de transmisión giratorio generado por una combinación de dos resonancias, que genera una onda acústica giratoria.
Se han añadido nuevas variables predefinidas para la velocidad constante lagrangiana al modelar la transmisión acústica. Esta velocidad debe usarse al calcular las trayectorias de partículas en un flujo continuo. La variable se anuncia en la interfaz de usuario y se puede seleccionar fácilmente como entrada para la fuerza de arrastre viscoso, por ejemplo, en la interfaz física de Particle Tracing for Fluid Flow. Puede verse esto en el modelo tutorial Acoustic Streaming in a Microchannel Cross Section.
La velocidad de transmisión lagrangiana en una sección transversal de microcanal, basada en variables predefinidas.
Ahora se puede realizar análisis de modelos multifísicos vibroacústicos utilizando el resolvedor modal. Esto es posible porque ahora se calculan los vectores propios izquierdo y derecho al realizar un análisis de frecuencia propia. Esta funcionalidad se muestra en el modelo tutorial Acoustic-Structure Interaction with Frequency Domain, Modal Solver.
Uso del resolvedor modal en el dominio de frecuencia para un problema de vibroacústica (interacción acústica-estructura).
Se han introducido varias mejoras importantes para resolver modelos acústicos con el método de elementos de contorno (BEM) utilizando la interfaz Pressure Acoustics, Boundary Elements.
El modelo tutorial Submarine Target Strength se resolvió a 6 kHz. La imagen muestra la presión total en la superficie del submarino. Se trata de un modelo BEM con 2,5 millones de grados de libertad y la longitud del submarino corresponde a 250 longitudes de onda.
Wave-Based Time-Domain Room Acoustics with Frequency-Dependent Impedance |
MEMS Microphone with Slip Wall |
Generation of Lamb Waves for Nondestructive Inspection of Plate Specimens |
Viscous Damping of a Microperforated Plate in the Slip Flow Regime |
Car Cabin Acoustics — Frequency-Domain Analysis |
Baffled Piston Radiation |
Loudspeaker Driver 3D — Frequency-Domain Analysis |
Eigenmodes in Air Bubble with Surface Tension |
Scattered Field Formulation for Elastic Waves |
Elastic Cloaking with Polar Material |
Thermoacoustic Engine and Heat Pump |
Fuel Tank Vibration |
Nonlinear Transfer Impedance of a Tapered Orifice |
Type 4.3 Ear Simulator |
Transverse Isotropic Porous Layer |
Active Flame Validation |
Small Concert Hall Acoustics |
Chamber Music Hall |
Flow Duct |
Axisymmetric Condenser Microphone |
Optimizing the Shape of a Horn |
Tweeter Dome and Waveguide Shape Optimization |
Acoustic Streaming Induced by a Focused Ultrasound Beam |
Opto-Acoustophoretic Effect in an Acoustofluidic Trap |
Acoustic Trap in Glass Capillary with Bias Flow |
Room Impulse Response of a Smart Speaker |
Smartphone Microspeaker and Port Acoustics: Linear and Nonlinear Analysis |
Sound Transmission Loss Through a Window |
Acoustic Transmission Loss Through Multilayer Periodic Elastic Structures |
Acoustic–Structure Interaction with Frequency Domain, Modal Solver |
La version 6.1 proporciona funcionalidad para simular la transmisión acústica, permite incluir los efectos de flujo de fluidos en acústica por convección utilizando un resolvedor explícito en el tiempo e introduce las condiciones de contorno de los altavoces concentrados para acústica termoviscosa.
Simulación de transmisión acústica
La transmisión acústica, es decir, el flujo de fluido inducido por un campo acústico, es importante en los sistemas de microfluidos y laboratorio en un chip para aplicaciones como manejo de partículas, la mezcla de fluidos y las bombas microfluídicas. La nueva funcionalidad de transmisión acústica en la versión 6.1 calcula las fuerzas, las tensiones y las velocidades de deslizamiento de los contornos que el campo acústico induce en un fluido para generar un campo de flujo.
Hay dos nuevas interfaces multifísicas para simulaciones de transmisión acústica: Acoustic Streaming from Pressure Acoustics y Acoustic Streaming from Thermoviscous Acoustics. Cuando se añade cualquiera de estas interfaces, se crean automáticamente dos acoplamientos multifísicos, el acoplamiento Acoustic Streaming Domain Coupling y Acoustic Streaming Boundary Coupling, para acoplar un campo acústico de dominio de frecuencia con un flujo de fluido estacionario o dependiente del tiempo.
Líneas de corriente y la magnitud de la velocidad (escala logarítmica) dentro de una bomba microfluídica acústica, impulsada por una fuerte transmisión generada en bordes afilados.
Flujo de fondo estacionario para interacción acústica-estructura convexa, simulaciones explícitas en el tiempo
Una nueva funcionalidad hace posible modelar la interacción acústica-estructura por convección (vibroacústica en presencia de un flujo de fondo estacionario) para grandes modelos transitorios, utilizando la formulación explícita en el tiempo. Hay dos nuevos acoplamientos multifísicos para este propósito, Convected Acoustic-Structure Boundary, Time Explicit y Pair Convected Acoustic-Structure Boundary, Time Explicit, que se utilizan para acoplar la interfaz de Convected Wave Equation, Time Explicit con Elastic Waves, Time Explicit. Las condiciones se añaden en el contorno (o selección de pares) entre el dominio de fluido y el dominio sólido. Una aplicación común es el modelado de sistemas de caudalímetros, como se ve en el modelo "Ulatrasonic Flowmeter with Piezoelectric Transducers".
Límite de altavoz concentrado para acústica termoviscosa
Las funcionalidades Lumped Speaker Boundary y Interior Lumped Speaker Boundary ahora están disponibles para la acústica termoviscosa en los dominios de frecuencia y tiempo. Esto completa y amplía las condiciones de contorno existentes en las interfaces de Pressure Acoustics. Con estas condiciones de contorno, es más fácil configurar y modelar microaltavoces con representaciones del método de elementos finitos (FEM) concentrados híbridos en acústica termoviscosa. Las representaciones agrupadas a menudo son precisas en un rango de frecuencia más grande para microtransductores, ya que los efectos de ruptura ocurren fuera del rango de frecuencia previsto. En el dominio del tiempo, los efectos no lineales se pueden incluir a través de parámetros de gran señal como CMS(x), BL(x) o RMS(v).
La ventana Settings para la condición de contorno Lumped Speaker Boundary, utilizada para modelar el microaltavoz de un teléfono inteligente con una representación Thiele–Small.
Puerto concentrado en acústica termoviscosa
La función Lumped Port ha sido añadida a la interfaz Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain. Esta función conecta una guía de ondas o entrada o salida de conducto a un elemento de representación concentrado; éste puede ser una interfaz Electrical Circuit (una representación electroacústica concentrada), una red de dos puertos definida a través de una matriz de transferencia o una representación concentrada de una guía de ondas. En resumen, acopla el extremo de una guía de ondas con un sistema exterior que tiene una determinada representación acústica concentrada. Cuando se utiliza la representación de puerto concentrado, se supone que solo las ondas de presión planas (el modo (0,0)) se propagan en la guía de onda acústica. La condición asegura un acoplamiento matemática y físicamente consistente que incluye las capas límite termoviscosas en la guía de ondas
Ajustes para la condición Lumped Port en la interfaz Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain, que acopla una representación de dos puertos del brote de un transductor de armadura equilibrada para modelar un sistema de prueba.
Acoplamiento multifísico termoviscosidad-termoelasticidad
La nueva funcionalidad hace posible modelar con precisión la respuesta vibratoria de los dispositivos MEMS al incluir una descripción más detallada de la amortiguación. Existen dos nuevas interfaces multifísicas para modelar la acústica termoviscosa junto con la termoelasticidad (una para el dominio de la frecuencia y otra para el tiempo): la interfaz Thermoviscous Acoustic-Thermoelasticity Interaction, Frequency Domain y la Thermoviscous Acoustic-Thermoelasticity Interaction, Transient. Al añadir cualquiera de las interfaces, las interfaces Thermoviscous Acoustics, Solid Mechanics y Heat Transfer in Solids se incluyen en el modelo, así como un acoplamiento multifísico de termoelasticidad (Thermoelasticity) y el nuevo acoplamiento multifísico Thermoviscous Acoustic-Thermoelasticity Boundary. Las nuevas interfaces multifísicas acoplan el campo de desplazamiento y temperatura en el dominio sólido con las variaciones acústicas en la presión, velocidad y temperatura en el dominio fluido. La formulación se basa en un enfoque de perturbación para todos los campos. Pueden verse las nuevas capacidades multifísicas en el modelo tutorial "Prestressed Micromirror Vibrations: Thermoviscous-Thermoelasticity Coupling".
Perturbaciones de temperatura en la estructura del microespejo y en el dominio de aire circundante para el modo de vibración de 600Hz.
Condición de frontera de fractura para ondas elásticas
La nueva condición de contorno Fracture, disponible en la interfaz física Elastic Waves, Time Explicit, se utiliza para tratar dos dominios elásticos con enlaces imperfectos. La fractura puede ser una capa elástica delgada, una capa llena de líquido o una discontinuidad en los materiales elásticos (un límite interior). Existen varias opciones para especificar las propiedades del dominio elástico delgado. Las aplicaciones típicas son para el modelado de aplicaciones de pruebas no destructivas (NDT), como la inspección de la respuesta de las regiones de delaminación u otros defectos, o para el modelado de la propagación de ondas en medios sólidos fracturados en la industria del petróleo y el gas. Puede verse esta característica en el modelo "Angle Beam Nondestructive Testing".
Reflexión y difracción de ondas elásticas fuera de un defecto, modeladas con la nueva condición de contorno Fracture
Mejoras de rendimiento para interfaces de tiempo explícito
Varias mejoras importantes en el rendimiento del resolvedor, así como formulaciones mejoradas en el lado de la física, se aplican a todas las interfaces acústicas explícitas en el tiempo. Al correr simulaciones utilizando las interfaces acústicas explícitas en el tiempo, que se basan en el método discontinuo de Galerkin (dG), COMSOL Multiphysics® ahora soporta la resolución de más de 2 mil millones de grados de libertad (DOF).
ONDAS PIEZOELÉCTRICAS, INTERFAZ DE TIEMPO EXPLÍCITO
Cuando se ejecutan modelos que implican efectos piezoeléctricos utilizando un método explícito en el tiempo, existe una nueva estrategia de escalonamiento en el tiempo para la parte electrostática del problema que mejora el rendimiento. También se ha mejorado el rendimiento al resolver grandes modelos piezoeléctricos explícitos en el tiempo en una arquitectura de clúster. La multifísica piezoeléctrica se basa en una formulación FEM mixta dG-algebraica, que ahora tiene el mismo rendimiento que un problema explícito en el tiempo puro dG. Como ejemplo, el modelo "Ultrasonic Flowmeter with Piezoelectric Transducers" (ahora con una malla más fina, que resuelve el doble de frecuencia) se ejecuta en ocho nodos en una arquitectura de clúster y exhibe una aceleración del 35 %. Además, el modelo resuelve 75.600.000 DOF, con 3.700 DOF FEM algebraicos (el voltaje en los dominios piezoeléctricos).
ACÚSTICA DE PRESIÓN, INTERFAZ DE TIEMPO EXPLÍCITO
Las condiciones de contorno de impedancia ahora utilizan una formulación de flujo numérico mejorada para la estabilidad, lo que garantiza que tanto los límites acústicamente duros como los blandos den como resultado una solución estable. Además, se han añadido dos nuevas condiciones para modelar una configuración de impedancia de transferencia: Interior Impedance y Pair Impedance. Ambas condiciones también aprovechan el flujo numérico mejorado de la condición de impedancia.
También se ha mejorado el rendimiento cuando se resuelven sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO) junto con la interfaz Pressure Acoustics,Time Explicit. Esto es útil cuando se modelan condiciones de impedancia dependientes de la frecuencia en el dominio del tiempo. Puede verse un ejemplo de esto en el modelo tutorial "Full-Wave Time-Domain Room Acoustics with Frequency-Dependent Impedance".
INTERFAZ ELASTIC WAVES, TIME EXPLICIT
En modelos 2D y 2D axisimétricos, las ecuaciones subyacentes han sido reformuladas para ser más eficientes para estos casos específicos. En modelos 2D, hay una nueva opción para incluir o excluir el cálculo de los componentes fuera del plano. Cuando se incluye, la representación es la llamada 2.5D formulation; de lo contrario, es la formulación de deformación plana. En los modelos axisimétricos 2D, los componentes fuera del plano siempre se excluyen. Como ejemplo, el número de grados de libertad resueltos en el modelo "Propagation of Seismic Waves Through Earth" se ha reducido de 17,2x106 a 12,2x106 . En la misma estación de trabajo, el tiempo de cálculo para este modelo se redujo de 15 horas y 40 minutos a 12 horas y 20 minutos.
Nueva condición de contorno de acoplamiento de matriz de transferencia en acústica de presión, dominio de frecuencia
La nueva funcionalidad de contorno Transfere Matrix Coupling en la interfaz Pressure Acoustics, Frequency Domain se utiliza para acoplar dos contornos (origen y destino) mediante una representación de matriz de transferencia. La matriz de transferencia es una representación reducida o concentrada del dominio físico que conecta los dos contornos. La función tiene dos opciones, el denominado acoplamiento puntual y una representación concentrada, y se puede ver en el modelo "Diesel Particulate Filter Analysis Using an Acoustic Transfer Matrix".
Contorno de altavoz concentrado y contorno de altavoz interior concentrado para acústica de presión, transitorio
Se han añadido las condiciones Lumped Speaker Boundary y Interior Lumped Speaker Boundary a la interfaz Pressure Acoustics, Transient para modelar configuraciones de altavoces concentrados híbridos y FEM. Esto complementa las características que ya existen en la interfaz de Pressure Acoustics, Frequency Domain. La condición establece acoplamientos entre la condición de contorno y una interfaz de circuito eléctrico para configurar modelos que pueden incluir parámetros de señal grande como CMS(x), BL(x) o RMS(v) de manera simplificada. Existen variables globales predefinidas para la posición axial y la velocidad. Puede verse esta funcionalidad en el modelo "Lumped Loudspeaker Driver Transient Analysis with Nonlinear Large-Signal Parameters".
Ajustes para la condición de contorno de altavoz concentrado interior y resultados que muestran la generación de armónicos en un controlador de altavoz debido a parámetros de gran señal no lineales.
Condiciones térmicas extendidas en la funcionalidad de impedancia de la capa de contorno termoviscosa
Se ha añadido una nueva opción Thermally conductive wall a la función Thermoviscous Boundary Layer Impedance. Esta nueva opción permite el modelado de condiciones de paredes térmicas no ideales utilizando diferentes representaciones analíticas de paredes de espesor finito o infinito. También hay nuevas variables para la evaluación de la energía disipada y transportada combinada (incluidos los términos convectivos) en las capas de contorno. Estas variables son útiles no solo para modelar la disipación sino también el calentamiento.
Opciones de impedancia de capa porosa para acústica de presión
La opción Porous Layer en la condición de contorno de Impedance se ha actualizado con opciones para manejar la dependencia de la impedancia en el ángulo de incidencia. El ángulo de incidencia puede ser normal a la superficie o establecerse en un ángulo o dirección específicos. Una opción Automatic asigna un ángulo de incidencia efectivo que es útil para simulaciones de acústica de salas con campos acústicos difusos.
Malla controlada por física para física acústica
La generación de malla controlada por la física se ha extendido a más interfaces acústicas. Una malla controlada por la física da como resultado la generación de una buena malla inicial que cumple con las mejores prácticas de mallado, como resolver los fenómenos de onda y las capas de contorno. Se ha añadido malla controlada por física para las siguientes interfaces:
Ajustes para la malla controlada por la física utilizada en un modelo de interfaz Pressure Acoustics, Time Explicit.
Aceleración de las evaluaciones basadas en el Kernel de Kirchhoff-Helmholtz
Las funciones que se basan en la evaluación de la integral de Kirchhoff-Helmholtz ahora son hasta un 50% más rápidas que en la versión 6.0; la cantidad de aceleración depende del hardware y la complejidad de la trama (la mayor ganancia se logra al aumentar la complejidad). Una función que se beneficia de estas mejoras es la función Exterior Field Calculation, que se utiliza en la acústica de presión para graficar el campo exterior en los resultados.
El tiempo de cálculo real radica en la evaluación del núcleo integral de Kirchhoff-Helmholtz. Por lo tanto, estas mejoras (así como la forma en que afectan la función de Exterior Field Calculation) son particularmente importantes cuando se utilizan las interfaces acústicas de alta frecuencia Pressure Acoustics, Asymptotic Scattering y Pressure Acoustics, Kirchhoff-Helmholtz. Como ejemplo, el tiempo de evaluación del gráfico final, Scattered SPL, en el modelo tutorial Submarine High-Frequency Asyntotic Scattering ha disminuido en un 25%.
La simulación del campo de presión dispersado alrededor de un submarino mediante el método de alta frecuencia se evaluó un 25% más rápido mediante la representación de Kirchhoff-Helmholtz.
Mejora en acústica de rayos
EXPORTACIÓN DE DATOS DE GLOBO CON LLAMADA DE MÉTODO
El modelo "Loudspeaker Driver in a Vented Enclosure" ahora incluye un Method y Method Call que permite exportar los datos de radiación del altavoz (diagrama de globo) en un formato adecuado para su uso posterior. Este es un ejemplo de cómo puede realizarse una exportación personalizada con un método utilizando las herramientas disponibles en Application Builder. Los datos del globo exportados se utilizan también para definir una funcionalidad Source with Directivity en el modelo tutorial "Small Concert Hall Acoustics".
Los ajustes para la Method Call, que es utilizada para exportar los datos de globo de radiación del modelo de altavoz.
GENERACIÓN DE NÚMEROS PSEUDOALEATORIOS MEJORADA
La interfaz Ray Acoustics incluye varias funcionalidades que se basan en la generación de números pseudoaleatorios (PRNG), como la interacción condicional rayo-contorno y la dispersión difuso o isotrópica en los contornos. Para estas funcionalidaes, la llamada a generadores de números pseudoaleatorios han sido ampliamente revisados y ampliados. La nuevas expresiones son mucho menos proclives a incurrir en correlaciones entre números aleatorios que deberían ser incorrelados. Esto incluye las correlaciones indeseadas entre condiciones de contorno aleatorias que actuan en diferentes rayos así como entre componentes de vectores generadas aleatoriamente.
OPCIÓN PARA UNICAMENTE ALMACENAR VARIABLES ACUMULADAS EN LA SOLUCIÓN
Dependiendo de la aplicación, las variables acumuladas, como el nivel de presión de sonido en los contornos, podría ser de más valor que la posición y dirección de los rayos individuales. Para reducir el tamaño de archivo, ahora se dispone de la opción para únicamente retener las variables acumuladas en la solución, descargando los grados de libertad asociados con los rayos.
LIBERACIÓN DESDE EL CAMPO EXTERIOR
La funcionalidad Release From Exterior Field ahora puede escoger campos exteriores desde las interfaces Pressure Acoustics, Kirchhoff-Helmholtz y Pressure Acoustics, Asymptotic Scattering. Además, la funcionalidad ahora gestiona la resolución para varias frecuencias en un barrido paramétrico.
Mejoras en el ruido inducido por el flujo
La función multifísica Aeroacoustic Flow Source Coupling ahora permite que la fuente de flujo se tome de las nuevas interfaces de flujo de fluido Detached Eddy Simulation. La interfaz de flujo de fluidos Large Eddy Simulation tiene varias características nuevas, incluida una opción de turbulencia sintética para las entradas. Para obtener más detalles, consulte las actualizaciones del módulo CFD. Los términos de exceso de presión ahora también se incluyen en el tensor de tensión de Lighthill; estos describen, por ejemplo, las desviaciones del comportamiento isoentrópico lineal si ocurren fuertes efectos no lineales en la región de la fuente o si una fuente de calor está presente en la simulación de flujo.
Interfaz de mecánica de sólidos en 1D
Interfaz de Mecánica de Sólidos en 1D
La interfaz de Solid Mechanics ahora está disponible para componentes 1D y 1D axisimétricos y no requiere ningún producto adicional para la funcionalidad básica. En las direcciones transversales, se pueden seleccionar diferentes combinaciones de tensión plana, deformación plana y deformación plana generalizada. Hay varias aplicaciones multifísicas, por ejemplo, en el modelado de baterías, la acústica y la interacción de la estructura térmica, donde un modelo 1D puede ser útil para proporcionar información importante sobre un fenómeno físico. Tengase en cuenta que la funcionalidad para las tensiones de intercalación en las baterías se incluye en el módulo Battery Design Module. Para un modelado más avanzado, hay funciones adicionales disponibles con el módulo Structural Mechanics Module, MEMS Module, Multibody Dynamics Module, o Acoustics Module.
Nuevo método para conectar ensamblajes
Se ha añadido el método Nitsche para reforzar la continuidad entre contornos en ensamblajes. Tiene dos importantes ventajas al compararlo con las restricciones puntuales clásicas:
Nuevas entradas para materiales anisótropos
Para la funcionalidad Linear Elastic Material se han añadido varias nuevas opciones para entrar constantes elásticas:
La interfaz de usuario para ingresar datos de elasticidad utilizando un sistema de cristal.
Resultados en Sistemas de Coordenadas Locales
Ahora es fácil definir cualquier número arbitrario de sistemas de coordenadas locales añadiendo nodos de Local System Results para la evaluación de cantidades comunes en las interfaces de Structural Mechanics. Entre las cantidades transformadas disponibles, se encontrarán tensiones, deformaciones, desplazamientos y propiedades de los materiales.
Sugerencias de gráficos predefinidos
Se han añadido varios gráficos acústicos predefinidos al menú Add Predefined Plot en la pestaña Results de la cinta. Los nuevos gráficos predefinidos configuran automáticamente gráficos útiles para varias situaciones. Esto incluye gráficos para configuraciones multifísicas que muestran, por ejemplo, la presión o el nivel de presión sonora para presión acoplada y acústica termoviscosa o para modelos de ondas poroelásticas y acústicas de presión. También puede añadirse un gráfico de la escala de tiempo de la onda celular al resolver modelos basados en la formulación explícita temporal discontinua de Galerkin, que es útil para identificar regiones de malla problemáticas que limitan el paso de tiempo interno.
Mejoras en las sugerencias del resolvedor
Se han añadido varias sugerencias de resolvedor iterativo nuevas y se han realizado mejoras a las sugerencias de resolvedor existentes. Debe seleccionarse Reset Solver to Defalut en el estudio para obtener las últimas actualizaciones de las configuraciones y sugerencias del resolvedor. Las actualizaciones más importantes son las siguientes: Para los modelos de Pressure Acoustics, Frequency Domain, se ha mejorado el resolvedor iterativo sugerido basado en el método de Laplace desplazado para lograr una convergencia más rápida. Como ejemplo, el modelo "Car Cabin Acoustics - Frequency Domain Analysis" analizado a 3 kHz ahora resuelve en 1 min y 39 s en lugar de 2 min y 19s (como era el tiempo en la versión 6.0), y a 4 kHz, el tiempo es de 5 min y 13s a 3 min y 31s.
Para acústica termoviscosa, la sugerencia del resolvedor iterativo basada en el método de descomposición de dominio (DD) se ha mejorado para utilizar la tecnología de resolvedor más reciente. Debido a esto, el resolvedor ahora es, en general, una buena opción para resolver modelos más grandes. Para ver un ejemplo que compara los diferentes resolvedores, se puede consultar el modelo "Transfer Impedance of a Perforate" en la Application Gallery.
Se han añadido sugerencias del resolvedor iterativo dedicado al resolver modelos electrovibroacústicos 3D, como altavoces y otros transductores. En particular, se proporciona una sugerencia de resolvedor iterativo eficiente cuando se acoplan acústicas (acústica de presión y/o termoviscosa), estructuras (sólidas y/o envolventes) y la interfaz física Magnetic Fields utilizando los acoplamientos multifísicos de Lorentz Coupling o Magnetomechanical Forces. Para obtener ejemplos pueden consultarse los modelos tutoriales "Loudspeaker Driver in 3D - Frequency Domain Analysis" o "Balanced Armature Transducer".
Acoustic Microfluidic Pump |
Acoustic Streaming in a Microchannel Cross Section |
3D Acoustic Trap and Thermoacoustic Streaming in Glass Capillary |
One-Family House Acoustics |
Prestressed Micromirror Vibrations: Thermoviscous-Thermoelasticity Coupling |
Lumped Loudspeaker Driver Transient Analysis with Nonlinear Large Signal Parameters |
Ultrasonic Flowmeter with Piezoelectric Transducers |
Angle Beam Nondestructive Testing |
Loudspeaker Driver in a Vented Enclosure |
Small Concert Hall Acoustics |
Type 4.3 Ear Simulator |
Loudspeaker Driver in 3D - Frequency Domain Analysis |
Topology Optimization of a Sound Partition Considering Acoustic-Structure Interaction |
Electrostatic Speaker Driver |
Simple Thermoacoustic Engine |
Transient Sound Pressure Level |
Balanced Armature Transducer |
Transfer Matrix of a Tube and Coupler Measurement Setup |
Ultrasonic Car Parking Sensor |
La versión 6.0 trae una nueva interfaz multifísica Piezoelectric Waves, Time Explicit, funcionalidad de malla controlada por física para acústica de presión y ruido inducido por flujo.
Interfaz multifísica Ondas piezoeléctricas, Tiempo explícito
Con la interfaz Piezoelectric waves, Time explicit, se obtiene acceso a nuevas capacidades para el modelado de fenómenos de propagación de ondas en medios piezoeléctricos en el dominio del tiempo. Pueden ser modelados tanto los efectos piezoeléctricos directos como inversos y el acoplamiento piezoeléctrico puede ser formulado utilizando las formas deformación-carga o tensión-carga. La nueva interfaz acopla la interfaz Elastic waves, Time explicit con la interfaz Electrostática utilizando el nuevo acoplamiento multifísico Piezoelectric effect, Time explicit.
La interfaz se basa en el método de Galerkin discontinuo (dG o dG-FEM) y utiliza un resolvedor explícito en el tiempo. La parte electrostática del sistema de ecuaciones se resuelve en cada paso temporal a través de un sistema algebraico de ecuaciones resuelto con el método clásico de elementos finitos (FEM). Esto asegura un método híbrido muy eficiente computacionalmente que puede resolver modelos muy grandes con muchos millones de grados de libertad (DOF). El método se ajusta muy bien para cálculo distribuido en arquitecturas clúster. Puede verse esta nueva interfaz en los modelo tutoriales actualizados Ultrasonic Flowmeter with Piezoelectric Transducers y Angle Beam Nondestructive Testing.
Aplicación de la interfaz multifísica Piezoelectric waves, Time explicit en una configuración de prueba no destructiva de haz en ángulo (NDT).
Malla controlada por la física para Acústica de presión
La funcionalidad de malla controlada por la física ahora está disponible para las interfaces Acústica de presión, Dominio de frecuencia y Acústica de presión, Transitorios. La malla que se genera sigue las mejores prácticas en cuanto a la resolución de las ondas asegurando un número adecuado de elementos de malla. Además, las capas perfectamente adaptadas (PML) se entrelazan con una malla estructurada, las condiciones periódicas utilizan operaciones de copia de malla y una sola malla de capa límite se utiliza para los cálculos de Campo externo.
Para el dominio de la frecuencia, la frecuencia máxima se toma automáticamente del estudio. Para el dominio del tiempo, la frecuencia máxima se toma de la configuración física, lo que garantiza una resolución espacial consistente para la malla y una resolución temporal para los pasos de tiempo del resolvedor. Para todas las demás interfaces acústicas y para la de Mecánica de sólidos, solo se manejan las PML y las condiciones periódicas. Se han actualizado todos los modelos de tutoriales en los que se aplica el nuevo mallado controlado por la física.
Mallado controlado por la física en Acústica de Presión, Dominio de Frecuencia. La malla de dominio, la malla estructurada en PML y la malla de capa límite se generan automáticamente.
Presentamos el ruido inducido por el flujo
Se introduce un método híbrido aeroacústico computacional (CAA) para modelar el ruido inducido por el flujo. Se basa en un acoplamiento unidireccional entre las fuentes de flujo turbulento y las ecuaciones acústicas. El método asume que no existe ningún acoplamiento inverso del campo acústico al campo de flujo. El método computacional se basa en la discretización FEM de la analogía acústica de Lighthill (ecuación de onda). Esta formulación de las ecuaciones asegura que los límites sólidos, que pueden ser fijos o vibrantes, se tomen en cuenta implícitamente. Hay disponibles dos opciones de ruido inducido por flujo: la analogía de Lighthill y la analogía de la ecuación de onda aeroacústica (AWE), más simple.
La nueva funcionalidad se basa en acoplar un modelo de flujo de fluido de simulación de remolinos grandes (LES), resuelto mediante el módulo CFD, a la función de dominio de Fuente de flujo aeroacústico en Acústica de presión, dominio de frecuencia. El acoplamiento se logra mediante el acoplamiento multifísico de Acoplamiento de fuente de flujo aeroacústico y el estudio de Mapeo transitorio dedicado.
Interfaz de usuario que incluye múltiples interfaces y funcionalidades: La funcionalidad Fuente de flujo aeroacústico en Acústica de presión, Dominio de frecuencia, el Acoplamiento (multifisico) de fuente de flujo aeroacústico, el Mapeado transitorios, el paso de estudio FFT, y el estudio en el Dominio de la frecuencia. El modelo es una simulación de un problema estándar de cilindro en tandem.
Dos nuevas interfaces físicas de acústica de presión de alta frecuencia
Hay dos nuevas interfaces físicas disponibles que se apoyan en un supuesto de alta frecuencia y se basan en la integral de Kirchhoff-Helmholtz. La primera, la interfaz Pressure Acoustics, Asymptotic Scattering, está dedicada al modelado de la dispersión, mientras que la otra, Pressure Acoustics, Kirchhoff-Helmholtz, es principalmente para modelar la radiación.
Pressure acoustics, Asymptotic scattering
La interfaz Pressure acoustics, Asymptotic Scattering se utiliza para modelar dispersión a altas frecuencias. El campo acústico se considera localmente plano de forma que el campo dispersado puede expresarse analíticamente. La superficie del objeto dispersante puede tratarse como perfectamente reflectante o con sus propiedades de absorción, definiendo una impedancia normal a la superficie, un coeficiente de reflexión o un coeficiente de absorción. Los dos últimos pueden depender del ángulo de incidencia. La interfaz puede modelar dispersión de ondas esféricas y planas. La interfaz dispone de funcionalidad interna para calcular el factor de visibilidad utilizando una consideración de ángulo simple y un método de hemicubo avanzado. Puede verse esta funcionalidad en el modelo tutorial Submarine High Frequency Asymptotic Scattering.
Pressure acoustics, Kirchhoff–Helmholtz
La interfaz Pressure Acoustics, Kirchhoff-Helmholtz se utiliza para modelar radiación a altas frecuencias. El campo acústico es asumido como localmente plano. Esta técnica a menudo se refiere como BEM de alta frecuencia o simplemente HFB. El método a menudo se utiliza para calcular el campo acústico radiado desde estructuras vibratorias a altas frecuencias, sin la necesidad de tener que modelar el fluido circundante. El método es válido siempre que la longitud de onda acústica en el fluido sea menor que la estructura y los modos estructurales. Para una superficie vibrante plana, el método se reduce a calcular la integral de Rayleigh. Una opción definida por el usuario da acceso a la formulación completa de la integral de Kirchhoff-Helmholtz definiendo tanto la presión como su gradiente normal.
La interfaz Pressure Acoustics, Asymptotic Scattering utilizada para modelar la dispersión de alta frecuencia en el casco de un submarino. El casco tiene 60 m de largo y la frecuencia estudiada aquí es de 2 kHz. El tiempo de solución y renderizado es de solo un par de minutos.
Nuevo método de descomposición de dominio para acústica de presión
Ahora es posible resolver la acústica de presión a gran escala (problemas de Helmholtz) con el método de Descomposición de dominio (Schwarz). Este método utiliza el método de Laplace desplazado junto con las mismas condiciones de contorno de absorción para los límites internos superpuestos que se utilizan para el método Schur no superpuesto. La ventaja de este método es que la rejilla múltiple se puede utilizar como resolvedor de dominios y no se necesita una rejilla gruesa para el método de descomposición de dominios.
Contorno de altavoz concentrado y contorno de altavoz concentrado interior
Para muchas aplicaciones de electroacústica, los altavoces se pueden modelar de manera eficiente combinando una representación concentrada Thiele-Small y el método de los elementos finitos. Los componentes electromagnéticos del motor se modelan con una interfaz de circuito eléctrico, mientras que la parte acústica se resuelve con la interfaz de Acústica de presión, Dominio de la frecuencia. El enfoque supone que las vibraciones del diafragma del altavoz se pueden describir mediante el movimiento del pistón y es de particular interés para los microaltavoces. El Contorno de altavoz concentrado incluye los efectos del aire en ambos lados del diafragma. El Contorno de altavoz concentrado tiene opciones para incluir el cumplimiento de un volumen de respaldo a través de una impedancia. Pueden verse estas nuevas funciones en el modelo tutorial Lumped Loudspeaker Driver y Headphone on an Artificial Ear.
El uso del Contorno de altavoz concentrado interior en el modelo tutorial Headphone on Artificial Ear. La superficie del altavoz está perfectamente acoplada al Circuito eléctrico que contiene la representación electroacústica concentrada.
Opciones de simetría sectorial para el cálculo de campo externo
La funcionalidad de Cálculo de campo externo se ha ampliado con nuevas opciones para manejar modelos con simetría sectorial. Dos opciones amplían la funcionalidad de los Planos de simetría existentes: la opción de Simetría sectorial y la opción de Simetría sectorial con un plano de simetría. Esto último es de particular interés cuando se modelan controladores de altavoces colocados en un deflector infinito. El análisis del campo externo también se puede ampliar con un número de modo azimutal para modelos simétricos sectoriales avanzados.
La funcionalidad de cálculo de campo externo utilizada en un sector de altavoz de 60 grados. La nueva opción Simetría sectorial con un plano de simetría permite la simulación combinada con una geometría de deflector infinita con simetría sectorial.
Optimización con nuevas variables de campo externo
En 3D, se dispone de nuevas variables de campo externo para su uso en problemas de optimización basada en gradientes, como la optimización de forma o la optimización de topología. El objetivo de la optimización ahora se puede definir como una variable evaluada en el campo externo, definiendo, por ejemplo, valores en un diagrama de radiación o una respuesta fuera del eje. La variable existe solo para la opción Planos de simetría en la función Cálculo de campo externo. Las nuevas variables se definen con _opt añadido a las variables de campo externo existentes: El operador para la presión es pext_opt(x,y,z) y para el nivel de presión sonora es Lp_pext_opt(x,y,z). Puede verse esta nueva actualización en el modelo tutorial Shape Optimization of a Rectangular Loudspeaker Horn in 3D.
La variable predefinida para el nivel de presión sonora se utiliza en la expresión de la función objetivo en este problema de optimización.
Interfaz multifísica de magnetomecánica
Se han añadido dos nuevas interfaces físicas para el análisis de efectos mecánicos y magnéticos acoplados: Magnetomecánica y Magnetomecánica, Sin corrientes. Las aplicaciones típicas ocurreb cuando un campo magnético induce deformaciones en un sólido o, por el contrario, cuando una estructura en movimiento cambia el campo magnético. Por ejemplo, esta es la explicación física del zumbido del transformador. Las nuevas interfaces se basan en el nuevo acoplamiento multifísico de Fuerzas Magnetomecánicas. Este acoplamiento es de particular interés cuando se modelan ciertos tipos de transductores acústicos como un transductor de armadura balanceada. Esta nueva funcionalidad también requiere el módulo AC/DC y se puede ver en el modelo tutorial Balanced Armature Receiver a Miniature Loudspeaker.
Modelo multifísico de un transductor de armadura balanceada utilizando el acoplamiento multifísico Magnetomechanical Forces.
Condición de radiación de contorno perfectamente adaptado (PMB)
La nueva funcionalidad de Contorno perfectamente adaptado es un PML que se aplica al contorno abierto en la forma de una condición de radiación, sin la necesidad de definir un dominio, por ejemplo como una capa en el modelo geométrico. La condición aplica automáticamente una formulación PML utilizando la funcionalidad de dimensión extra de COMSOL Multiphysics®. Esto también simplifica los requisitos sobre el contorno radiante ya que, en principio, puede tener cualquier forma convexa. Hay diferentes opciones disponibles para controlar la dirección de atenuación. La nueva condición de contorno está disponible para la interfaz de Acústica de Presión, Dominio de Frecuencia en todas las dimensiones de espacio relevantes.
Interfaz física Euler linealizado, Modo de contorno
La interfaz Linearized Euler, Boundary Mode se utiliza para calcular e identificar modos de propagación y no propagación en guías de ondas y conductos en presencia de un flujo medio de fondo estacionario que se aproxima bien a un flujo de gas ideal. La interfaz realiza un análisis de modo propio en un límite, entrada o sección transversal de la guía de ondas.
Modos de propagación calculados en la geometría de un motor de reacción utilizando la interfaz Linearized Euler, Boundary Mode.
Interfaz física Navier-Stokes linealizado, Modo de contorno
La interfaz Linearized Navier-Stokes, Boundary Mode se utiliza para calcular e identificar modos de propagación y no propagación en guías de ondas y conductos en presencia de cualquier flujo medio de fondo isotérmico o no isotérmico estacionario. Realiza un análisis de modo propio en un contorno, entrada o sección transversal de la guía de ondas. La interfaz considera todos los efectos de pérdida térmica y viscosa y la interacción con el flujo de fondo. Esto incluye las pérdidas de la capa límite acústica, si es necesario.
Análisis de modo fuera del plano y de contorno para Euler linealizado y Navier-Stokes linealizado
En las interfaces Linearized Euler y Linearized Navier-Stokes, ahora es posible añadir números de onda circunferenciales y fuera del plano opcionales en simetría de ejes 2D y 2D, respectivamente. En las mismas dimensiones espaciales, ahora puede utilizarse el estudio de análisis de modo para configurar las llamadas simulaciones 2.5D para este tipo de interfaces físicas.
Funcionalidad de postprocesado de cálculo de desplazamiento en Elastic Waves, Time explicit
Se ha añadido una nueva funcionalidad de postprocesado llamada Compute Displacement a la interfaz física de Elastic Waves, Time Explicit. La función permite calcular de manera óptima el desplazamiento en puntos, a lo largo de las aristas, en los contornos o en los dominios, resolviendo un conjunto de EDO auxiliares. Las nuevas características se añaden como subfunciones a un modelo de material como Elastic Waves, Time Explicit Model o Piezoelectric Material. La función no afecta los resultados, sino que se utiliza únicamente para el postprocesado y genera variables de campo que se pueden utilizar para visualizar y posprocesar los desplazamientos. Dado que la función añade y resuelve ecuaciones adicionales, su uso requiere recursos computacionales adicionales. Puede verse esta nueva funcionalidad en el modelo tutorial Isotropic-Anisotropic Sample: Elastic Wave Propagation.
Función de posprocesamiento de presión mínima y máxima en acústica de presión no lineal, tiempo explícito
Se ha agregado una nueva función de posprocesamiento llamada Calcular presión mínima y máxima a la interfaz Acústica de presión no lineal, tiempo explícito . La función calcula la presión máxima y mínima en el tiempo y el espacio en un dominio o en un límite. Se crean automáticamente dos variables, nate.p_min y nate.p_max, que se pueden utilizar en el posprocesamiento para, por ejemplo, evaluar el tamaño de una zona focal. Vea esta función en el modelo de tutorial Propagación de ultrasonido enfocado de alta intensidad (HIFU) a través de un fantasma de tejido .
Emparejar acoplamientos multifísicos para simulaciones vibroacústicas
Se han añadido dos nuevos acoplamientos multifísicos al Acoustics Module para acoplar dominios acústicos y sólidos en un ensamblaje o montaje. Esto se implementa como condiciones de par y permite el uso de mallas no conformes en la interfaz entre dos dominios en un ensamblaje. El primer tipo de acoplamiento multifísico, Pair Acoustic-Structure Boundary, se utiliza en un conjunto para acoplar la interfaz Acústica de presión, Dominio de frecuencia o Acústica de presión, Transitorio a la interfaz de Mecánica de sólidos. El segundo tipo de acoplamiento multifísico, Pair Thermoviscous Acoustic-Structure Boundary, se utiliza en un conjunto para acoplar la interfaz Acústica termoviscosa, Dominio de frecuencia o Acústica termoviscosa, Transitorio a la interfaz de Mecánica de sólidos. Este acoplamiento utiliza la formulación de penalización para cálculos más eficientes en el dominio del tiempo. Puedne verse estos nuevos acoplamientos en el modelo tutorial Modeling Piezoelectric Devices as Both Transmitters and Receivers.
El nuevo Contorno Acústica-Estructura de par utilizado en un modelo tutorial piezoeléctrico. Nótese la malla no conforme en la interfaz piezo-fluido.
Actualizaciones importantes de la acústica termoviscosa
Para el modelado termoacústico, existen múltiples características nuevas y mejoradas.
La nueva opción de puerto de onda Plana utilizada en un análisis acústico termoviscoso para calcular la impedancia de transferencia de una perforación.
Liberación con directividad
En la interfaz de Acústica de rayos, el nuevo nodo Source with Directivity ahora se puede utilizar para liberar una distribución de rayos con intensidad o potencia inicial basada en una función de directividad espacial definida por el usuario. Esto es de particular interés cuando se definen fuentes de altavoces en simulaciones de acústica de rayos.
Liberación desde una Fuente con Directividad en una simulación acústica de sala.
Liberación desde un cálculo de campo externo
Puede utilizarse el nuevo nodo Release from Exterior Field Calculation para lanzar rayos con una distribución de intensidad y fase basada en una funcionalidad de Cálculo de campo externo de un estudio anterior. Esto facilita la simulación acústica multiescala combinando una solución basada en malla para el campo cercano con una simulación de trazado de rayos en distancias mucho mayores. Esta funcionalidad puede verse en el modelo tutorial Ultrasonic Car Parking Sensor.
Un sensor de aparcamiento de automóvil ultrasónico con el diagrama de radiación calculado. La visualización muestra el campo externo emitido por el transductor ultrasónico en el campo cercano así como una subsecuente simulación de acústica de rayos. El cálculo del campo externo, basada en un análisis de elementos finitos en el campo cercano, puede utilizarse para inicializar la intensidad y fase de los rayos.
Transformaciones al cargar coordenadas de rayos desde un archivo
Al usar el nodo Liberar desde archivo de datos para cargar las posiciones de liberación de rayos desde un archivo, ahora se puede aplicar una transformación a las coordenadas iniciales. Puede utilizarse cualquier combinación de dilatación (escala), rotación y traslación. Si la dirección del rayo inicial también se carga desde un archivo, puede aplicarse opcionalmente la misma rotación tanto a la posición como a la dirección.
Una instancia de la función Liberar desde archivo de datos se usa para mover, rotar y escalar la distribución de los rayos liberados por un altavoz.
Nuevos modelos de atenuación
En la versión 6.0 del software, hay cuatro formas diferentes de definir el coeficiente de atenuación que controla cómo la potencia de intensidad de los rayos disminuye a medida que los rayos se propagan a través del dominio de simulación. Puede especificarse el coeficiente de atenuación de la amplitud de la presión o el coeficiente de atenuación de la amplitud de la intensidad en nepers por metro. Alternativamente, puede introducirse el coeficiente de atenuación de amplitud en decibelios por unidad de longitud o en decibelios por longitud de onda. Todas estas definiciones del coeficiente de atenuación también están disponibles para modelar la atenuación en la región vacía fuera de la geometría.
Ajustes para la atenuación de la intensidad y potencia de los rayos en un dominio.
Nombres simplificados para acoplamientos no locales
La interfaz Acústica de rayos define acoplamientos para calcular la suma, promedio, máximo o mínimo de una expresión sobre los rayos en un modelo. En la versión 6.0, los nombres de estos acoplamientos se han simplificado para facilitar su uso.
Simetría axial con giro
En la interfaz de Mecánica de sólidos, en axisimetría 2D, ahora es posible incluir deformaciones circunferenciales. Esto se puede habilitar seleccionando la casilla de verificación Incluir desplazamiento circunferencial en la sección Aproximación de simetría axial en la interfaz física. Con esta opción, es posible modelar, por ejemplo, la torsión de estructuras axisimétricas de una manera computacionalmente eficiente.
Nuevos modelos de amortiguamiento
Se han añadido nuevos modelos de amortiguación para los modelos de material mecánico:
Novedades de postprocesado para acústica
Para postprocesado y visualización, la nueva versión incluye las siguientes novedades:
Nueva tabla de colores Thermal Wave utilizada para representar las fluctuaciones de temperatura acústica en una simulación acústica termoviscosa no lineal.
Otras mejoras y actualizaciones importantes en el módulo de acústica
Topology Optimization of a Magnetic Circuit |
Loudspeaker Spider Optimization |
Tweeter Dome and Waveguide Shape Optimization |
Helmholtz Resonator with Porous Layer |
Eigenmodes in the Presence of Flow Using Linearized Navier–Stokes: Annulus Geometry with Shear Flow |
Nonlinear Transfer Impedance of a Tapered Orifice |
Submarine High-Frequency Asymptotic Scattering |
Chamber Music Hall |
Schroeder Diffuser in 2D |
Angle Beam Nondestructive Testing |
Ultrasonic Flowmeter with Piezoelectric Transducers |
Shape Optimization of Rectangular Loudspeaker Horn in 3D |
La nueva interfaz Nonlinear Acoustics, Time Explicit se utiliza para modelar ondas no lineales de amplitud finita y alto nivel de presión sonora en fluidos. Las áreas de aplicación incluyen áreas biomédicas, por ejemplo, imágenes ultrasónicas y ultrasonido enfocado de alta intensidad (HIFU), pero también cualquier sistema acústico con efectos no lineales debido a un alto nivel de excitación. El método es muy eficiente en memoria y puede resolver problemas con muchos millones de grados de libertad (DOF).
La interfaz está habilitada para multifísica y se puede acoplar con la interfaz Elastic Waves, Time Explicit para modelar problemas vibroacústicos. Las capas absorbentes se utilizan para configurar condiciones de contorno no reflectantes efectivas. El manejo consistente de discontinuidades de materiales se habilita al modelar transiciones entre materiales como diferentes tejidos y fluidos, por ejemplo. Puede verse esta interfaz en los nuevos modelos tutoriales "Nonlinear Propagatoin of a Cylindrical Wave - Verification Model" y "High-Intensity Focused Ultrasound (HIFU) Propagation Through a Tissue Phantom".
La propagación no lineal de ondas cilíndricas, incluida la formación de choques, se modela con la interfaz Nonlinear Acoustics, Time Explicit.
La nueva condición de contorno de Puerto, disponible con la interfaz Mecánica de sólidos, está diseñada para excitar y absorber ondas elásticas que entran o salen de estructuras sólidas de guías de ondas. Una condición de Puerto determinada admite un modo de propagación específico. La combinación de varias condiciones de puerto en el mismo contorno permite un tratamiento consistente de una mezcla de ondas que se propagan, por ejemplo, modos longitudinal, torsional y transversal. La configuración combinada con varias condiciones de puerto proporciona una condición no reflectante superior para guías de ondas a una configuración de capa perfectamente adaptada (PML) o la característica de Contorno de baja reflexión, por ejemplo. La condición del puerto admite el cálculo del parámetros S (parámetros de dispersión), pero también se puede utilizar como fuente para excitar un sistema. La potencia de las ondas reflejadas y transmitidas está disponible en el postprocesado. Para calcular e identificar los modos de propagación, el estudio de Análisis del modo de contorno está disponible en combinación con las condiciones del puerto. Puede verse esta funcionalidad en el nuevo modelo tutorial "Mechanical Multiport System: Elastic Wave Propagaton in a Small Aluminum Plate".
Ejemplo de estructura con cuatro puertos.
La funcionalidad Nonlinear Thermoviscous Acoustics Contributions añade las contribuciones necesarias a la interfaz Acústica termoviscosa, transitoria para modelar efectos no lineales en una simulación termoviscosa transitoria. Las contribuciones permiten modelar el desprendimiento de vórtices que puede ocurrir en expansiones repentinas, como en una perforación, una rejilla o en un puerto de sonido miniatura. El desprendimiento o separación de vórtices, generado por el campo acústico, generalmente introduce distorsión en la respuesta medida de un sistema al crear armónicos de orden superior. Con la opción de representación de densidad de segundo orden, la función también puede capturar el efecto no lineal asociado con altos niveles de presión sonora que requieren una representación no lineal de la ecuación de estado (la relación de presión, densidad y temperatura). Se ha añadido estabilización a las interfaces de acústica termoviscosa, que es esencial cuando se utilizan la funcionalidad Nonlinear Thermoviscous Acoustics Contributions para resolver problemas altamente no lineales. Puede verse esta nueva característica en el modelo actualizado "Nonlinear Slit Resonator".
La nueva condición de contorno de puerto concentrado en la interfaz Presión acústica, Frecuencia conecta el extremo de una guía de ondas o la entrada/salida de un conducto a un sistema exterior con una representación concentrada. Este puede ser un Circuito eléctrico (con el módulo AC/DC), una red de dos puertos definida a través de una matriz de transferencia o una representación concentrada de una guía de ondas. Existen varias representaciones y fuentes para describir el sistema concentrado y excitar el sistema. Cuando se utiliza la representación de puerto concentrado, se supone que solo las ondas planas se propagan en la guía de ondas acústicas. La condición simplifica, por ejemplo, la configuración de modelos electroacústicos donde los transductores o subsistemas se describen mediante un modelo equivalente concentrado. Esto puede ocurrir al modelar los altavoces en miniatura integrados en auriculares o audífonos, o al modelar micrófonos y su entrada en sistemas de altavoces inteligentes. Puedes verse esta nueva característica en dos modelos actualizados.
Interfaz de usuario que muestra la nueva condición de contorno de puerto concentrado utilizada para acoplar un modelo de Circuito Eléctrico a un modelo de Presión Acústica.
Para modelos acústicos grandes, es decir, modelos que contienen muchas longitudes de onda (alta frecuencia o dominios grandes), puede habilitarse una nueva opción de Formulación estabilizada para garantizar una convergencia eficiente a costa de algunos grados de libertad adicionales. Para problemas pequeños a medianos, se debe utilizar la formulación predeterminada. Cuando la formulación estabilizada está habilitada, se usa una nueva sugerencia de resolvedor dedicado. Como ejemplo, considérese el nuevo modelo "Submarine Target Strength", que requiere que la nueva formulación estabilizada converja por encima de aproximadamente 800 Hz. También es posible resolver el modelo a 5 kHz como se ve en la imagen de abajo (modelo resuelto en 5 horas usando 160 GB de RAM en el nodo "fat" de un clúster). Esto se corresponde con un tamaño de modelo de aproximadamente 210 veces, 24 veces y 37 longitudes de onda.
Presión acústica total en la superficie del submarino, modelada a 5 kHz.
Patrón de radiación de nivel de presión de sonido disperso evaluado a 100 m del submarino, modelado a 5 kHz.
En la interfaz Pressure acoustics, boundary elements, se ha añadido una nueva funcionalidad de Excluded boundary. Puede utilizarse para excluir contornos del modelo BEM, que es particularmente útil cuando se usa la interfaz Pressure acoustics, boundary elements en configuraciones de deflectores de medio espacio o infinitos. En este caso, deben excluirse todos los contornos del lado opuesto de la pared rígida de sonido simétrica/infinita. El enfoque se muestra en el modelo tutorial "Piezoelectric Tonpilz Transducer with a Prestressed Bolt".
Presión irradiada de un transductor Tonpilz modelado utilizando una configuración FEM-BEM en una configuración de medio espacio infinito. La imagen muestra el SPL y la deformación en el transductor. El modelo se ha actualizado para utilizar la formulación acústica BEM y una ecuación constitutiva para tener en cuenta la pretensión.
En simulaciones acústicas de alta fidelidad y valor absoluto detallado, es necesario conocer las propiedades del material del aire húmedo en función de la presión ambiental, la temperatura ambiente y la humedad relativa. Ahora es posible definir el aire húmedo utilizando el sistema predefinido para Aire húmedo en el nodo de Termodinámica. Esta funcionalidad está disponible con el nuevo módulo Liquid & Gas Properties Module. Una aplicación es para la predicción de la impedancia de transferencia acústica utilizada en el procedimiento de calibración de reciprocidad de micrófonos. Esto se muestra en el modelo "Pressure Reciprocity Calibration Coupler with Detailed Moist Air Material Properties".
Interfaz de usuario que muestra las propiedades del aire húmedo configuradas mediante la función Termodinámica en el tutorial "Pressure Reciprocity Calibration Coupler".
En la interfaz Presión Acústica, frecuencia, la nueva condición de contorno Thermoviscous boundary layer impedance añade pérdidas debido a la disipación térmica y viscosa en las capas de contorno acústicas en una pared. La condición a veces se conoce simplemente como modelo BLI. Las pérdidas se incluyen de manera localmente homogeneizada, donde se integran analíticamente a través de las capas de contorno. La condición es aplicable en los casos en que las capas límite no se superponen. Formulada de manera diferente, no es aplicable en guías de ondas muy estrechas (con dimensiones comparables al espesor de la capa límite) o en límites muy curvos. Aparte de eso, no hay restricciones sobre la forma de la geometría. El método es preciso en comparación con la formulación termoviscosa completa (si se cumplen las condiciones) y es mucho menos intensivo en computación. La condición de contorno Thermoviscous boundary layer impedance representa una herramienta de ingeniería en acústica de presión, comparable a la funcionalidad Acústica de región estrecha. Las aplicaciones están en el campo de los metamateriales, donde las pérdidas termoviscosas deben incluirse de manera eficiente para obtener resultados físicamente correctos, pero también en la microacústica en general, a la hora de modelar dispositivos móviles o equipos de medición. Puede verse esta nueva característica en varios modelos actualizados.
El campo acústico en un canal auditivo humano. El modelo incluye la impedancia de la piel y el tímpano, así como las pérdidas de la capa límite termoviscosa.
Las interfaces físicas explícitas en el tiempo, que utilizan la formulación discontinua de Galerkin (dG-FEM), se benefician de una variedad de mejoras de rendimiento. Existe una aceleración general de hasta un 30% al resolver modelos 3D con las interfaces Pressure acoustics, Ecuación de onda convectiva y Elastic waves, Tiempo explícito. Como ejemplo, el modelo "Ultrasound Flowmeter with Generic Time-of-Flight Configuration" ahora se resuelve en 35 min y 12 s en COMSOL Multiphysics® versión 5.6 en comparación con 53 min y 4 s en la versión 5.5, en el mismo hardware de estación de trabajo estándar. La reformulación de la interfaz Pressure acoustics, explicit time para 2D y 2D axisimétrico reduce el número de grados de libertad (DOF) resueltos hasta en un 25%. Esto se traduce en una reducción similar en el uso de memoria y el tiempo de ejecución. El método explícito de tiempo dG-FEM se ha ampliado para que funcione con todo tipo de mallas, lo que permite el uso de una malla estructurada en estructuras elásticas delgadas. En general, el uso de una malla estructurada proporciona tanto reducción como aceleración de la memoria. Esto se puede ver en el modelo tutorial "Ground Motion After Seismic Event: Scattering off a Small Mountain" que ahora usa una malla cuádruple en lugar de triángular.
Las interfaces explícitas en el tiempo ahora se pueden resolver en combinación con sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO). Esto se puede utilizar, por ejemplo, para formular condiciones de contorno de impedancia dependiente de la frecuencia, definidas por el usuario, en acústica. La dependencia de la frecuencia se aproxima mediante un sistema apropiado de EDO. Otra aplicación útil de las EDO es integrar el campo de velocidad a lo largo del tiempo para postprocesar los desplazamientos que resultan del uso de la interfaz Elastic Waves, Time Explicit. Esto se muestra en el modelo tutorial "Isotropic-Anisotropic Sample: Elastic Wave Propagation". Además, las interfaces explícitas de tiempo ahora se pueden resolver en combinación con una ecuación algebraica (una ecuación sin derivadas de tiempo).
La interfaz Elastic Waves, Time Explicit ahora está disponible como una formulación 2D axisimétrica; se puede ver un ejemplo en el tutorial "Propagation of Seismic Waves Throught Earth". También se han añadido variables de postprocesado adicionales en Elastic waves, time explicit, incluidas las partes volumétricas y desviadoras de las variables de tensión y deformación, las invariantes de tensión y deformación y las variables de densidad de energía y flujo de energía.
La nueva formulación 2D axisimétrica de Ondas elásticas, tiempo explícito y la formulación mejorada de Presión Acústica, tiempo explícito se utilizan para analizar la propagación de ondas sísmicas a través de la Tierra. El modelo acopla sólidos y fluidos, las propiedades del material dependen de la profundidad y resuelve 17.2 millones de grados de libertad.
En la interfaz de Acústica de rayos, el tiempo de procesado y cálculo de la respuesta al impulso se ha mejorado enormemente. Los pasos para configurar la respuesta al impulso son más simples y consistentes. Se puede analizar y calcular métricas acústicas cualitativas de la sala, como claridad, definición y tiempo de reverberación, basándose en la respuesta de impulso calculada. Esto se hace utilizando una nueva subfunción de Decaimiento energético que se puede añadir a un gráfico de Respuesta a un Impulso. Además, puede exportar la señal de respuesta a un impulso calculada al formato de archivo de audio de forma de onda (.wav) para un análisis más detallado. La funcionalidad del núcleo del filtro se ha mejorado para el cálculo de la respuesta a impulsos, incluida la definición especificada por el usuario del núcleo del filtro y la visualización de los filtros.
Como ejemplo de las mejoras en el rendimiento, la representación de la respuesta al impulso en el modelo tutorial "Small Concert Hall Acoustics" (utilizando 20.000 rayos y bandas de 6 octavas) se ha reducido en casi un factor 8, de 8 min en COMSOL Multiphysics ® versión 5.5 a 1 min. 10 s en la versión 5.6, utilizando el mismo hardware de estación de trabajo estándar y las mejores prácticas para la configuración del modelo. La aceleración es aún más significativa al resolver un mayor número de rayos. Además de una representación más rápida, el tiempo de solución para los modelos de respuesta a impulsos se ha reducido de 4 min 40 s en la versión 5.5 a 3 min 30 s en la versión 5.6. Los datos de rayos en el gráfico Respuesta a un impulso ahora usa almacenamiento en caché, lo que garantiza tiempos de representación rápidos al cambiar las opciones en el gráfico de respuesta al impulso. Una vez que se procesa el gráfico, en la primera ejecución, las operaciones de postprocesado como FFT, cambiar las opciones de filtro o analizar el decaimiento energético con la nueva subfunción Decaimiento energético, ocurren casi instantáneamente.
Hay mejoras importantes con respecto al análisis de respuesta al impulso, así como una nueva funcionalidad, para la subfunción Decaimiento energético. Esto incluye un cálculo más preciso del tiempo de llegada al receptor cuando la fuente o la última reflexión está cerca del receptor. El sonido directo ahora obtiene un cálculo constante del tiempo de llegada y una suma de potencia. Para aprovechar al máximo la nueva funcionalidad, los modelos creados en versiones anteriores deben actualizarse manualmente. Las nuevas métricas de acústica de sala cualitativas, disponibles cuando se utiliza la subfunción Decaimiento energético, son: tiempos de reverberación (T20, T30 y T60), claridad, definición, EDT, índice de transmisión de voz (STI) y las funciones de transferencia de modulación.
Análisis de las métricas de calidad acústica objetivas de la sala utilizando la nueva subfunción de Decaimiento energético para el gráfico de respuesta al impulso.
Ahora se puede exportar todos los archivos 1D a archivos de formato .wav. Esto es de especial utilidad para resultados acústicos de una simulación transitoria o de respuesta impulsional en una simulación de acústica de rayos. Se podrá escuchar el archivo o utilizarlo para un análisis más amplio en una herramienta de análisis de sonido externa. Como ejemplo puede grabarse el ruido de un motor eléctrico a medida que aumentan las RPM, como ocurre en el nuevo modelo tutorial "Electric Motor Noise: Analysis of a Permanent Magnet Synchronous Motor".
Cuando se utiliza la opción Numeric (plane wave mode) en la funcionalidad de Puerto en un modelo de Acústica termo-viscosa, dominio de la frecuencia, ahora detecta automáticamente las condiciones de contorno aplicadas en los límites de la guía de ondas adyacentes. Las condiciones se incluyen entonces automáticamente al calcular la forma del modo del modo acústico de propagación. Esto asegura formas de modo físicamente consistentes para el puerto. La opción Numeric (plane wave mode) admite el uso de condiciones de Muro, Sin deslizamiento, Isotérmico, Adiabático y Simetríco. Al generar el resolvedor predeterminado para una configuración que usa los puertos numéricos, el resolvedor ahora se configura automáticamente.
En presión acústica, se ha añadido una nueva opción para calcular la forma del modo y la frecuencia de corte para los modos numéricos en sistemas sin pérdidas. Para un modelo sin pérdidas, la nueva opción de Frecuencia de corte del modo sin pérdidas calculado hace posible ejecutar un barrido de frecuencia utilizando un único estudio de análisis de modo límite para cada puerto. Las funciones del puerto en Presión acústica, frecuencia y Acústica termo-viscosa, Dominio de frecuencia ahora tienen la opción de usar escalado de potencia para formas de modo. El valor predeterminado es utilizar escalado de amplitud. Con la opción de escalado de potencia, los parámetros de dispersión calculados se pueden relacionar directamente con la potencia transportada por un modo específico.
Las variables de potencia predefinidas de las condiciones de contorno de Puerto se han reformulado de forma que puedan utilizarse directamente en modelos de optimización. Para ver un ejemplo, consulte el modelo de tutorial "Shape Optimization of an Acoustic Demultiplexer".
Se ha añadido una nueva opción de Three-parameter approximation JCAL model a la funcionalidad Poroacústica en la interfaz Presión acústica, frecuencia. El modelo es una aproximación del modelo existente de Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL) , pero solo requiere que se especifiquen tres parámetros porosos. Los tres parámetros son la Porosidad, Tamaño del poro medio y la standard deviation in pore size distribution. Por lo tanto, el modelo requiere menos entradas para definir la matriz porosa y las entradas en el modelo se basan en propiedades de topología de poros promediadas.
La estabilización en las interfaces físicas de Navier-Stokes linealizadas se ha mejorado con una formulación más consistente. En concreto, se ha mejorado el equilibrio entre las contribuciones a la estabilización de las ecuaciones de continuidad, momento y energía. Puede verse en el modelo tutorial "Helmholtz Resonator with Flow: Interaction of Flow and Acoustics" donde los resultados son más suaves en la nueva versión.
Sugerencias de resolvedor para la descomposición de dominios y los métodos de Laplace desplazados Para Presión acústica, frecuencia pura, se han añadido dos nuevas sugerencias de resolvedor iterativo: una que usa la aproximación de Laplace desplazado y otra que usa la Descomposición de dominio. Las sugerencias del resolvedor iterativo ahora añaden automáticamente las contribuciones de ecuaciones necesarias en dominios y en los contornos interiores, entre dominios, para garantizar la eficiencia del resolvedor. El resolvedor Laplace desplazado es eficiente para resolver modelos grandes en una sola máquina con mucha RAM, mientras que el método de Descomposición de dominios es adecuado para resolver problemas muy grandes utilizando computación distribuida en un clúster. Puede verse esta nueva funcionalidad en el modelo "Car Cabin Acoustics- Frequency Domain Analysis".
Al resolver un modelo de Presión Acústica, frecuencia, la lista de resolvedores iterativos sugeridos incluye los resolvedores Laplace desplazado y Descomposición de dominio. Aquí, el resolvedor Shifted Laplace se ha habilitado y utilizado para resolver un modelo de acústica de la cabina de un automóvil.
Se han introducido nuevas configuraciones en la interfaz de Mecánica de sólidos que aseguran una configuración correcta y eficiente del resolvedor al solucionar problemas de ondas elásticas en el dominio del tiempo. La configuración es similar a la configuración existente en las interfaces de acústica transitoria. En el nodo de interfaz de Mecánica de sólidos, se ha introducido una nueva sección Ajustes del resolvedor transitorio con una opción para especificar la Frecuencia máxima para resolver. Este debe ser el contenido de frecuencia máxima de la excitación de la fuente o la frecuencia máxima en modo propio que se puede excitar. La sugerencia de solucionador generada automáticamente tendrá configuraciones que utilizan un método de solucionador apropiado para la propagación de ondas y aseguran una resolución adecuada tanto en el tiempo como en el espacio.
Al representar un gráfico de Trayectorias de rayos, se puede usar una nueva configuración para representar con precisión todos los puntos de intersección de rayos con superficies en la geometría, incluso si no corresponden a los pasos de tiempo de salida en los datos de la solución. Para representar perfectamente cada punto de intersección de cada rayo con una superficie, las implementaciones antiguas escalaban cuadráticamente con el número de rayos, mientras que el nuevo comportamiento escala linealmente con el número de rayos, dando potencialmente una aceleración masiva cuando el número de rayos es muy grande. Esto también se aplica al cálculo de puntos de intersección entre rayos y una esfera, hemisferio o plano.
En los modelos 3D, cuando se libera un cono de rayos, ahora se puede elegir definir un abanico de rayos o un cono plano. Se puede orientar el cono de rayos aplanado para que quede en cualquier plano. Además, algunas otras funciones de liberación de rayos cónicos ofrecen más flexibilidad para elegir la dirección transversal, lo que significa que ahora se tiene más control sobre la ubicación exacta de los rayos en la distribución cónica.
En todas las interfaces de mecánica estructural, se ha añadido una nueva característica llamada Amortiguador del resorte para conectar dos puntos con un resorte y/o amortiguador. Los puntos pueden ser puntos geométricos, pero también pueden ser abstractos, por ejemplo, mediante el uso de adjuntos o conexiones directas a cuerpos rígidos. El resorte puede ser físico, con una fuerza que actúa a lo largo de la línea entre los dos puntos, o descrito por una matriz completa, que conecta todos los grados de libertad de traslación y rotación en los dos puntos. La característica también hace posible conectar un resorte entre puntos en dos interfaces físicas diferentes.
Las interfaces de Acústica en tuberías, dominio de la frecuencia y Acústica en tuberías, transitoria están ahora disponibles con el módulo Pipe Flow Module o el Acoustics Module.
Propagation of Seismic Waves Through Earth |
Submarine Target Strength |
Mechanical Multiport System: Elastic Wave Propagation in a Small Aluminum Plate |
High-Intensity Focused Ultrasound (HIFU) Propagation Through a Tissue Phantom |
Electric Motor Noise: Analysis of a Permanent Magnet Synchronous Motor |
Nonlinear Slit Resonator |
Topology Optimization and Verification of an Acoustic Mode in a Room |
Nonlinear Propagation of a Cylindrical Wave — Verification Model |
Piezoelectric MEMS Speaker |
Pressure Reciprocity Calibration Coupler with Detailed Moist Air Material Properties |
Loudspeaker Driver - Frequency Domain Analysis |
Vented Loudspeaker Enclosure |
Piezoelectric Tonpilz Transducer with a Prestressed Bolt |
The Brüel & Kjær 4134 Condenser Microphone |
Diesel Particulate Filter Analysis Using an Acoustic Transfer Matrix |
Acoustic Analysis of Leaks Around an Earbud |
Sound Transmission Loss Through a Window |
Ear Canal Acoustics |
Ear Canal Simulator Optimization |
Underground-Train-Induced Noise in Urban Buildings |
Fuel Tank Vibration |
Shape Optimization of an Acoustic Demultiplexer with 4 Ports |
Damping Pad with a Constrained Layer |
Tweeter Dome and Waveguide Shape Optimization |
Acoustics Module 5.5 incluye una nueva interfaz Elastic Waves, Time Explicit Physics acoplamientos multifísicos para interacción acústica-estructura con la formulación explícita del tiempo y una condición de contorno Port para la interfaz Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain.
Nueva interfaz física Ondas elásticas, Tiempo explícito
La nueva interfaz física Elastic Waves, Time Explicit está basado en el método explícito de tiempo Galerkin discontinuo y permite cálculos multinúcleo eficientes de propagación de ondas elásticas en sólidos. Se han incluído funcionalidades para proporcionar datos de materiales realistas incluyendo anisotropía y amortiguamiento. La interfaz es adecuada para modelar propagación de ultrasonidos en sólidos, como con transductores y sensores, y para aplicaciones de análisis no destructivos (NDT), y es aplicable a cualquier sistema acústicamente grande que involucre propagación transitoria sobre muchas longitudes de onda, lo que incluye propagación de ondas sísmicas en suelo y rocas.
Interfaz de usuario para la nueva interfaz Elastic Waves, Time Explicit mostrando aquí un modelo de ondas sísmicas propagánddose en el suelo.
Multifísica para interacción acústico-estructural con interfaces explícitas del tiempo
Para simulaciones grandes de interacción acústico-estructural transitoria, se dispone de un nuevo acoplamiento multifísico Acoustic-Structure Interaction, Time Explicit. Este acoplamiento conecta las interfaces Pressure Acoustics, Time Explicit y la nueva Elastic Waves, Time Explicit. Para aprovechar las ventajas de la formulación explícita del tiempo, es esencial el uso de mallas no conformadas cuando se acoplan dominios con diferentes propiedades. Esto se consigue a través del nuevo acoplamiento multifísico Pair Acoustic-Structure Boundary, Time Explicit que gestiona montajes geométricos. El uso de mallas no conformadas es una extensión natural y el uso de las propiedades de los elementos discontinuos. Puede verse el uso de esta funcionalidad en el modelo Immersion Ultrasonic Testing Setup.
En el nuevo modelo Immersion Ultrasonic Testing Setup, se pueden ver los ajustes para la nueva funcionalidad de acoplamiento multifísico Pair Acoustic-Structure Boundary, Time Explicit.
Interfaces Material Discontinuity, Pair Conditions y Dissipation for the Acoustic Time Explicit
Las interfaces acústicas de fluido que están basadas en el método explícito de tiempo de Galerkin discontinuo ahora tienen la opción de incluir la disipación. La disipación juega un importante papel cuando se modelan aplicaciones de alta frecuencia como imagen de ultrasonidos y medidores de flujo. La nueva opción existe para las interfaces Pressure Acoustics, Time Explicit y Convected Wave Equation, Time Explicit.
La interfaz Pressure Acoustics, Time Explicit ahora incluye una condición de contorno (interior) Material Discontinuity y una funcionalidad de par Continuity. Estas se utilizan para manejar saltos en propiedades del material para una unión con una malla conforme, o un montaje utilizando una malla no conforme, respectivamente. Puede verse la funcionalidad Material Discontinuity en el modelo Isotropic-Anisotropic Sample: Elastic Wave Propagation.
Uso de la funcionalidad Material Discontinuity para acoplar un material sólido isotrópico y uno anisotrópico.
Puertos para acústica termoviscosa
Se ha incluido una nueva condición de contorno Port en la interfaz Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain, que se utiliza para excitar y absorber ondas acústicas que entran o salen de estructuras guía de ondas en aplicaciones de microacústica. Las condiciones de puerto proporcionan una condición de radiación sin reflexión casi perfecta para entradas/salidas de guías de onda, incluyendo las caps de contorno viscoso y térmico. En muchos casos usando la nueva condición Port se proporciona una facilidad de uso y precisión superior en comparación con una configuración PML. Al trabajar con subsistemas acústicos pequeños, se utilizan y combinan dos condiciones Port para automáticamente calcular la matriz de dispersión, la matriz de transferencia y la matriz de impedancias relacionando la entrada con la salida. Todas estas son representaciones concentradas simplificadas de subsistemas típicamente utilizados para analizar eficientemente su integración dentro de un sistema completo. Puede verse esta funcionalidad en el modelo Wax Guard Acoustics: Transfer Matrix Computation.
Uso de la nueva función de puerto en la interfaz Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain. Hay tres opciones para el tipo de puerto: definido por el usuario, numérico y circular.
Funcionalidad de puerto actualizada en acústica de presión
La condición Port ahora está disponible en 2D para la interfaz Pressure Acoustics, Frequency Domain, y tiene una opción User defined y una opción Slit para definir las formas de los modos. En general, cuando se realiza el barrido de un puerto y se utilizan dos puertos, uno en la entrada y otro en la salida, la matriz de transferencia y la matriz de impedancia del sistema son calculados automáticamente. En COMSOL Multiphysics® versión 5.5, se generan automáticamente variables de pérdidas de transmisión entre dos o más puertos. La funcionalidad de barrido de puerto ahora también trabaja cuando se realiza un barrido interno sobre el número de puerto. Puede verse esta funcionalidad en el modelo Shape Optimization of an Acoustic Demultiplexer.
Acoplamiento de flujo de fluido de fondo y estudio de mapeado para aeroacústica
El nuevo acoplamiento multifísico Background Fluid Flow Coupling y funcionalidades de estudio de Mapping dedicadas han sido añadidas en la versión 5.5 para automatizar y simplificar el acoplamiento de un modelo CFD y un modelo acústico convectivo. Esto incluye las físicas Navier-Stokes linealizada, Euler linealizada y de ecuación de onda convectiva. El acoplamiento multifísico y el mapeado aseguran que la solución CFD calculada es correctamente mapeada desde la malla del flujo de fluido a la malla acústica, mientras también se tien cuidado en los diferentes órdenes de discretización. El mapeo e interpolación son esenciales para evitar introducir ruido numérico en el modelo acústico, donde los términos reactivos son especialmente importantes para tratarlo correctamente.
Uso del acoplamiento multifísico Background Fluid Flow Coupling y el estudio Mapping, visto en la ventana de Model Builder, para acoplar flujo y acústica, como se ve en el modelo tutorial Helmholtz Resonator with Flow.
Materiales anisótropos en interfaces de acústica de presión
La nueva funcionalidad Anisotropic Acoustics para acústica de presión posibilita la definición de fluidos con una densidad anisótropa efectiva y un módulo volumétrico escalar efectivo. Con esta funcionalidad se puede congigurar propiedades de material homogeneizado para metamateriales y definir propiedades de fluido efectivas de materiales porosos y fibrososque tienen estructuras anisótropas. La densidad efectiva puede estar definida como si se dispone de estructuras Isótropas, Diagonal o Simétricas. Puede verse la funcionalidad en el modelo Acoustic Cloaking.
Acoplamiento de Lorentz para modelado de transductores electroacústicos
La funcionalidad Lorentz Coupling soporta un acoplamiento bidireccional entre las interfaces Magnetic Fields y Solid Mechanics. La fuerza de Lorentz se determina calculando el producto vectorial de la densidad de corriente, J, y el flujo magnético, B, en el volumen del dominio, que entonces se aplica en el lado mecánico como una fuerza volumétrica. Al mismo tiempo, la velocidad se toma de la interfaz Solid Mechanics y aplicada en la interfaz Magnetic Fields como un término de velocidad de Lorentz. La funcionalidad automáticamente gestionalos marcos y efectos de mallas móviles.
Esta funcionalidad está pensada para dominios conductivos, no magnetizables (típicamente, bobinas de cobre), y cuando se combina con el acoplamiento multifísico Acoustic-Structure Boundary, permite modelar transductores electroacústicos. Esta disponible en 2D, 2D axisimétrico y 3D, para análisis dependiente del tiempo, en el dominio de la frecuencia (perturbación) y frecuencias propias. Esta funcionalidad requiere el AC/DC Module junto con uno de los módulos Structural Mechanics, Acoustics o MEMS.
Uso de la funcionalidad multifísica Lorentz Coupling para el acoplamiento electromecánico en la bobina de voz en una unidad de altavoz.
Acoplamiento multifísico de conexión acústica - acústica de tuberías
Con el nuevo acoplamiento multifísico Acoustic-Pipe Acoustic Connection se pueden acoplar las interfaces de presión acústica a las interfaces de acústica de tubos tanto en simulaciones en los dominios de la frecuencia y tiempo. El acoplamiento se define entre un punto en la interfaz y un contorno en la interfaz de acústica de presión. Puede verse esta funcionalidad utilizada en los modelos Probe Tube Microphone y Acoustics of a Pipe System with 3D Bend and Junction.
Uso del nuevo acoplamiento multifísico Acoustics-Pipe Acoustic Connection en el modelo tutorial Acoustics of a Pipe System with 3D Bend and Junction.
Acoplamientos acústica-estructura para conchas con capas
Los acoplamientos multifísicos entre acústica y estructuras se han ampliado para soportar la interfaz física Layered Shell. Con esta funcionalidad se pueden modelar problemas vibroacústicos que involucren materiales compuestos y otras estructuras con capas. Nótese que se necesita Composite Materials Module para habilitar esta función.
La interfaz Layered Shell ahora es soportada por los siguientes acoplamientos multifísicos:
Fuerza acustoforética mejorada
La funcionalidad Acoustophoretic Force ha sido renombrada como Acoustophoretic Radiation Force. Esta funcionalidad tiene nuevas expresiones de fuerza que son más precisas, porque tienen en cuenta las capas de contorno viscoso y térmico que se forman alrededor de partículas en un campo de presión acústico. Ahora se puede especificar si las partículas son sólidas o líquidas. Entonces se puede escoger entre Thermodynamic loss model: Ideal, Viscous o Thermoviscous. La funcionalidad puede combinarse con acústica de presión y acústica termoviscosa para modelar la ordenación de partículas y otras aplicaciones acustofluídicas. Puede verse esta funcionalidad en los modelos Acoustic Levitator y Acoustic Streaming in a Microchannel Cross Section.
Novedades en acústica de rayos
Previsualización de posiciones de liberación de rejilla
Cuando se liberan partículas desde una rejilla de puntos utilizando la funcionalidad Release from Grid, ahora se puede previsualizar las posiciones iniciales de las partículas en la ventana gráfica. En la sección de Initial Coordinates de la ventana de Ajustes, se hace clic en el botón Preview Initial Coordinates para ver las coordenadas iniciales de las partículas como una rejilla de puntos. Haciendo clic en el botón Preview Initial Extents se ve la extensión espacial de las coordenadas iniciales como una caja delimitadora. Estos botones permiten verificar las posiciones iniciales de partículas antes de correr un estudio.
Además, cuando se hace clic con el botón derecho en un nodo de Estudio y se hace clic en Get Initial Value, se puede previsualizar las posiciones iniciales de las partículas y las velocidades para todos los tipos de liberación.
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Nuevo tipo de liberación: Cono hexapolar
Cuando se liberan rayos en un cono, se dispone de un nuevo tipo de Conical distribution: Hexapolar. Para la opción de cono hexapolar, los rayos son liberados en ángulos distribuidos uniformemente desde el eje del cono, con cada anillo teniendo seis rayos más que el anillo previo.
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Condición de pared de dispersión isotrópica
Ahora se puede seleccionar Isotropic scattering como condición de pared cuando lasa partículas golpean los contornos en la geometría. Como la condición de Diffuse scattering, la condición de dispersión isotrópica hace que las partículas se reflejen con direcciones de velocidad muestreada aleatoriamente alrededor de la normal de superficie. Sin embargo, mientras la condición de dispersión difusa utiliza una distribución de probabilidad basada en la ley del coseno, la condición de dispersión isotrópica sigue una probabilidad que da igual flujo a través de cualquier ángulo sólido diferencial en el hemisferio.
Comparación de condiciones de pared de dispersión difusa (izquierda) e isotrópica (derecha). Cada lado muestra una distribución de 1000 partículas.
Funcionalidades de liberación de rayos renombradas
En COMSOL Multiphysics® 5.5 se han renombrado funcionalidades de liberación de rayos. La Entrada (Inlet) ahora se denomina Release from Boundary, y la entrada en eje (Inlet on Axis) (en modelos 2D axisimétricos) ahora se llama Release from Symmetry Axis.
Elección de funcionalidades de contorno en la interfaz Geometrical Optics en una geometría 2D axisimétrica.
Mejoras a las sugerencias del resolvedor iterativo en acústica
Las sugerencias del resolvedor autogeneradas se han mejorado para los modelos que incluyen interfaces del módulo Acoustics Module junto con acoplamientos multifísicos. Adicionalmente, las variables multiplicadoras de Lagrange se manejan correctamente por el precondicionador de Vanka cuando es necesario. Las sugerencias del resolvedor iterativo ahora se configuran para los siguientes acoplamientos y combinación de acoplamientos:
Otras mejoras de sugerencias del resolvedor y por defecto incluyen una sugerencia de resolvedor iterativo para la interfaz Compressible Potential Flow. Una nueva configuración de resolvedor Estacionario-Frecuencia y Estacionario-Transitorio está disponible cuando se acopla Compressible Potential Flow y Linearized Potential Flow en una simulación acústica convectiva. Ahora se añade una segunda sugerencia de resolvedor iterativo para modelos para acoplar Pressure Acoustics a Solid Mechanics con el acoplamiento multifísico Acoustic-Structure Boundary. Últimamente, un resolvedor por defecto mejor se ha añadido para las interfaces de Euler linealizada. Pueden verse algunas de estas mejoras utilizadas en el modelo Loudspeaker Driver in a Vented Enclosure.
Uso de resolvedor iterativo sugerido en el modelo tutorial Loudspeaker Driver in a Vented Loudspeaker Enclosure.
Nuevos resolvedores para problemas acústicos grandes
Se han introducido dos métodos de resolvedor iterativo especializados para simulaciones en el dominio de la frecuencia modeladas con la interfaz Pressure Acoustics, Frequency Domain, para simular modelos por el método de los elementos finitos a altas frecuencias. Primero, el método de descomposición de dominio ahora soporta el uso de condiciones de contorno absorbentes para los contornos de dominio, lo que es de importancia para cálculos en clúster utilizando descomposición de dominio para acústica en el dominio de la frecuencia. En segundo lugar, el nuevo método complejo Shifted Laplacian (SL) puede ser utilizado tant para el precondicionador multirejilla normal y el método de descomposición de domino. La alternativa multirejilla es la mejor opción para modelos grandes cuando no se utiliza un clúster.
Con esta nueva funcionalidad, se pueden resolver modelos en acústica significativamente más grandes que antes. Por ejemplo, un modelo acústico de la cabina de un coche ahora puede resolverse hasta 7 kHz, resolviendo 83.5 millones de grados de libertad utilizando 105 GB de RAM, mientras solo convergía hasta 3 kHz en versiones anteriores del software. Esto corresponde a un orden de magnitud de simulaciones más grandes debido al hecho que la acústica en el dominio de la frecuencia escala con aproximadamente el cubo de la frecuencia. Puede verse esta funcionalidad utilizada en el modelo de análisis Car Cabin Acoustics — Frequency Domain.
La respuesta acústica del interior de una cabina de automóvil resuelta a 7 kHz utilizando el nuevo resolvedor complejo Shifted Laplacian.
Reestructuración del árbol del ayudante de modelo y la librería de aplicaciones
Con la introducción de la nueva interfaz Elastic Waves, Time Explicit, las localizaciones de la interfaz física en el árbol del Model Wizard han sido actualizadas con dos nuevas ramas: Elastic Waves y Pipe Acoustics. Para conseguir un visión general mejor de los modelos tutoriales existentes y los muchos nuevos añadidos, las categorías del Application Library también han sido actualizadas con nuevas categorías:
Mejoras importantes en el módulo de acústica
Soporte extendido para histéresis de Jiles-Atherton
El Magnetostrictive Material no lineal se ha ampliado para incluir el modelo Jiles-Atherton de histéresis magnética. El modelo es adecuado para investigar los efectos de pérdidas histeréticos en aplicaciones como transformadores de potencia y máquinas eléctricas rotatorias. Los parámetros del modelo están relacionados con los efectos físicos microscópicos en materiales magnéticos y también pueden ser estimados basándose en datos experimentales.
Adicionalmente, el modelo de material Jiles–Atherton para histéresis magnética ha sido ampliado para soportar estudios estacionarios paramétricos (ademád del análisis Dependiente del tiempo previamente disponible). La histéresis ferromagnética es para frecuencias bajas a moderadas, independiente de la velocidad, y puede analizarse utilizando un estudio estacionario paramétrico, por ejemplo cuando se estudia magnetización o demagnetización. Esta funcionalidad requiere el AC/DC Module junto con uno de los módulo Structural Mechanics Module, Acoustics Module, o MEMS Module.
Ajustes para el modelo magnetostrictivo histerético, junto con los bucles de histéresis generados con la simulación.
Visualización de cargas
Las cargas mecánicas aplicadas ahora están disponibles como gráficos por defecto en todas las interfaces físicas de mecánica de estructuras. Los gráficos de cargas son dependientes de la solución, así que tanto las direcciones de flechas y colores son actualizados cuando un conjunto de datos se actualiza con una nueva solución. Incluso las cargas abstractas, como fuerzas y momentos aplicados a conectores rígidos y dominios rígidos se grafican en su verdadero punto de aplicación. Un nuevo tipo de flecha, utilizado para graficar momentos aplicados, ha sido introducido para esta funcionalidad. Más de 100 modelos se han actualizado con esta nueva funcionalidad.
Tres conjuntos de cargas graficadas en un modelo de un tubo.
Las siguientes nuevas funcionalidades están disponibles:
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.
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:
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
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.
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:
Beneficios en los grandes modelos por las siguientes nuevas funcionalidades:
Nuevas funcionalidades y opciones físicas que incluyen:
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:
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:
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
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:
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.
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.
Una animación que muestra un pulso de presión sinusoidal continuo en el plano de simetría del modelo.
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Esta animación muestra un pulso de presión Gausiano en el plano de simetría del modelo con deformación añadida. Las ondas son absorbidas en las capas absorbentes a la izquierda y derecha del canal de flujo principal.
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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:
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®.
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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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Acoplamientos multifísicosNuevos 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).
Difusión acústicaLa 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). Acústica de rayosLa 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:
Modelos de fluidos adicionales para acústica en regiones estrechas
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 linealizadasLas 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. Nuevos modelos tutoriales:
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