Software de Simulação para Análise de Acústica e Vibrações
Software para Modelagem do Comportamento Acústico
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Produto: Acoustics Module
Análise de Acústica e Vibrações com o Acoustics Module
Software para Modelagem do Comportamento Acústico de Produtos e Projetos
Produtos e projetos que envolvem fenômenos acústicos podem ser modelados para estudar e prever fatores como qualidade do som e desempenho de redução de ruído. O Acoustics Module é um complemento do software COMSOL Multiphysics® software que fornece ferramentas para modelar acústica e vibrações para aplicativos como alto-falantes, dispositivos móveis, microfones, silenciosos, sensores, sonar e medidor de vazão. Você pode usar os recursos especializados para visualizar campos acústicos e criar protótipos virtuais de dispositivos ou componentes.
Para estudos mais detalhados, a acústica pode ser acoplada a outros efeitos físicos, incluindo mecânica estrutural, piezoeletricidade e escoamento. O software COMSOL® contém acoplamentos multifísicos para permitir avaliar o desempenho de um produto ou design em um ambiente o mais próximo possível do mundo real.
O Acoustics Module também inclui muitas formulações especializadas e modelos de materiais que podem ser usados em áreas de aplicação dedicadas, como acústica termoviscosa usada em transdutores e dispositivos móveis em miniatura ou as equações de Biot para modelar ondas poroelásticas. O ambiente multifísico é estendido ainda mais com vários métodos numéricos dedicados, incluindo o método dos elementos finitos (FEM), método dos elementos de contorno (BEM), acústica de raios e método discontinous Galerkin FEM (dG-FEM).
O que você pode modelar com o Acoustics Module
Ao expandir a plataforma COMSOL Multiphysics® com o Acoustics Module, você tem acesso a recursos para análise acústica e de vibração especializada, além da funcionalidade principal do software COMSOL®.
O Acoustics Module inclui ferramentas para modelagem:
Radiação Acústica
Comportamento modal de salas
Aplicações bioacústicas
Ondas acústicas volumétricas (BAW)
Acústica para salas de concertos
Acústica com convecção
Instabilidades de combustão
Medidores de vazão coriolis
Acústica de cabine automotiva
Transdutores eletroacústicos
Ruído transmitido por fluido
Interação fluido-estrutura (FSI) no domínio da frequência
Ruído de jato
Sensores acústicos MEMS
Microfones MEMS
Ruído e vibração de máquinas
Materiais para redução de ruído e isolamento acústico
Teste não destrutivo (NDT)
Transdutores piezoacústicos
Silenciadores reativos e de absorção
Aparelhos de sonar
Ondas acústicas de superfície (SAWs)
Incluído no módulo de acústica:
Interação estrutura-acústica
Interação estrutura-acústica em materiais piezoelétricos
Interação de ondas acústico-poroelásticas
Interação poroelástica-estrutural
Acoplamento de domínios acústicos FEM e BEM
Interação acústico-termoviscosa
Interação termoviscosa estrutural acústica
Interação aeroacústica-estrutural
Acessível com módulos adicionais:
Interação acústico-casca estrutural
Interação acústica termoviscosa-casca
Propagação de som em sistemas de tubulação
Comportamento elétrico de transdutores via modelos de parâmetros concentrados
Comportamento elétrico de ímãs, bobinas e materiais de ferro macio em transdutores
Escoamento médio de fundo em aeroacústica
Interação onda poroelástica-casca
O comportamento modal de uma sala é estudado usando uma análise de auto-frequência. O modelo inclui condições complexas de impedância para modelar superfícies absorventes.
A distribuição do nível de pressão sonora na cabine do carro é gerada por um pequeno alto-falante localizado no painel. O modelo de acústica de pressão inclui impedância de superfície com valor complexo do revestimento, carpete, superfície plástica e assentos.
Projeto e análise de um conjunto de transdutores tonpilz usado em aplicações de sonar. O modelo combina estruturas de material piezoelétrico e acústica em água modelada com elementos de contorno. A sensibilidade espacial é facilmente calculada e visualizada.
Modelagem de vibração e ruído em uma caixa de sincronização de 5 velocidades. Uma análise multicorpos transitória calcula as vibrações da caixa de engrenagens para a velocidade do motor especificada e a carga externa. A análise acústica encontra as SPLs nos campos próximo, distante e exterior.
Para modelar efeitos acústicos de pressão, como dispersão, difração, emissão, radiação e transmissão de som, você pode usar as interfaces de acústica de pressão. Os problemas são modelados no domínio da frequência através da equação de Helmholtz ou no domínio do tempo através da equação clássica das ondas escalares.
Existem muitas opções considerar condições de contornos nos modelos acústicos. Por exemplo, você pode adicionar uma condição de contorno para uma parede ou uma condição de impedância para uma camada porosa. Você pode usar portas para excitar ou absorver ondas acústicas na entrada e saída de guias de onda usando expansão modal. Fontes como aceleração, velocidade, deslocamento ou pressão prescritas podem ser aplicadas nos contornos externos ou internos. Além disso, você pode usar condições de limite periódicas de radiação ou Floquet para modelar limites abertos ou periódicos.
Você também pode calcular e visualizar o campo externo em um modelo aberto de radiação, incluindo tudo desde o campo próximo ao campo distante. O padrão de radiação ou resposta espacial pode ser visualizado com gráficos polares ou um gráfico de diretividade.
Interfaces acústicas de pressão:
Resolva os problemas descritos pela equação de Helmholtz e inclua muitas relações de engenharia para condições de contorno e modelos de fluidos
Use uma análise de frequência própria para encontrar modos e formas acústicos
Pressure Acoustics, Transient
Estudar a propagação transitória de ondas acústicas usando sinais de entrada arbitrários e dependentes do tempo
Incluir efeitos não lineares usando o modelo Westervelt
Boundary Mode Acoustics
Identificar e estudar modos de propagação e não propagação em guias de ondas e dutos
Pressure Acoustics, Boundary Element
Use o método do elemento de contorno para resolver com eficiência problemas de radiação e espalhamento
Associa-se perfeitamente à física baseada no FEM, como estruturas elásticas e materiais piezoelétricos
Pressure Acoustics, Time Explicit
Use o método dG para modelar a propagação transitória do som na acústica da sala ou modelar grandes problemas de dispersão com eficiência computacional
Radiação sonora de máquinas
Acústica para cabine de automóvel
Comportamento modal em acústica de salas
Painéis de absorção e difusores
Problemas de dispersão
Análise de desempenho de um sistema silencioso que contém um material de revestimento poroso. Os resultados da simulação no domínio da frequência incluem a perda de transmissão do sistema. Aqui, o fluxo de energia (intensidade) é visualizado juntamente com as superfícies de pressão.
Um alto-falante ventilado colocado em um plano infinito. Radiação modelada com uma abordagem FEM-BEM: reservatórios estruturais baseados no FEM para o motorista, acústica interior baseada no FEM e BEM para a radiação externa. A distribuição do SPL é mostrada em 3000 Hz.
Interação Estrutura Acústica
Usando o Acoustics Module, você pode simular a interação entre acústica e mecânica estrutural em um produto ou projeto. Interfaces predefinidas permitem estudar a vibro-acústica e associar automaticamente domínios fluidos e estruturais. A interface Solid Mechanics usa uma formulação de dinâmica estrutural completa que considera os efeitos das ondas de cisalhamento e ondas de pressão nos sólidos e analisa as ondas elásticas. Uma interface dedicada Poroelastic Waves é usada para modelar a propagação acoplada de ondas elásticas e de pressão em materiais porosos, resolvendo as equações de Biot.
Os acoplamentos multifísicos podem acoplar facilmente domínios porosos, domínios sólidos, materiais piezoelétricos e domínios fluidos para modelar o comportamento de dispositivos da vida real. As estruturas podem ser protendidas e seu comportamento harmônico pode ser analisado enquanto totalmente acoplado à acústica.
Interações do silenciador com vibrações estruturais
Componentes de alto-falante
Isolamento acústico e transmissão em materiais de construção
Piezotransdutores
Transdutores de sonar
Matrizes de sonar
Modelagem detalhada de materiais porosos com ondas poroelásticas (Biot)
Problemas de retorno
Análise de domínio de frequência de uma unidade de driver de alto-falante ventilado para determinar a sensibilidade no eixo e a sensibilidade espacial. O modelo combina conchas estruturais e acústicas e é configurado usando um acoplamento multifísico predefinido.
A resposta de frequência de um transdutor tonpilz é estudada para encontrar respostas estruturais/ acústicas: deformação, tensões, pressão irradiada, SPL, padrão de feixe de campo distante, curva de resposta de tensão de transmissão e índice de diretividade do feixe sonoro.
Os recursos de acústica geométrica do software COMSOL® podem ser usados para avaliar sistemas de alta frequência em que o comprimento de onda acústico é menor que as características geométricas dos detalhes. Existem duas interfaces para calcular a acústica geométrica disponíveis no Módulo Acústica: Ray Acoustics e Acoustic Diffusion Equation.
Com a interface Ray Acoustics, você pode calcular as trajetórias, fase e intensidade dos raios acústicos. Além disso, você pode calcular resposta impulsiva e curvas de queda de energia com um conjunto de dados Receiver especializado e outras ferramentas de pós-processamento. Os raios podem se propagar em meios com propriedades variáveis, o que é necessário em aplicações acústicas submarinas. Para simular a acústica de raios no ar e na água, estão disponíveis modelos especializados de materiais de atenuação da atmosfera e do oceano, importantes para a propagação de ondas em grandes distâncias e em altas frequências.
Com a interface Acoustic Diffusion Equation, você pode determinar a distribuição do nível de pressão sonora em salas acopladas e os tempos de reverberação em diferentes locais. A acústica é modelada de maneira simplificada usando uma equação de difusão para a densidade de energia acústica. Essa interface é adequada para análises rápidas dentro de edifícios e outras grandes estruturas.
Acústica de cabine de automóvel
Propagação de som ao ar livre
Acústica atmosférica
Simulação da acústica de uma pequena sala de concertos usando a interface * Ray Acoustics *. As condições de contorno incluem propriedades de absorção e dispersão dependentes da frequência. Resposta ao impulso reconstruída usando a funcionalidade de pós-processamento dedicada.
A interface *Equação de difusão acústica * resolve a distribuição SPL (densidade de energia acústica) de estado estacionário de uma determinada fonte de som em uma casa de 2 andares. Um solucionador de autovalor encontra os tempos de reverberação da sala. Um estudo dependente do tempo encontra curvas de decaimento de energia.
É possível resolver com eficiência problemas de aeroacústica computacional (CAA) com uma abordagem de duas etapas dissociada no Acoustics Module. Primeiro, você encontra o escoamento médio de fundo usando ferramentas do [CFD Module](/ cfd-module) ou um perfil de escoamento definido pelo usuário; então, você resolve o problema de propagação acústica. Às vezes, isso também é chamado de acústica com conveção ou simulações de ruído transmitido por escoamento.
Interfaces predefinidas podem calcular variações acústicas na pressão, densidade, velocidade e temperatura na presença de qualquer escoamento médio estacionário isotérmico ou não isotérmico.
Existem formulações estabilizadas de elementos finitos para:
Navier-Stokes linearizado
Euler linearizado
Fluxo potencial linearizado
As formulações já consideram som transmitido pelo fluido, convecção, amortecimento, reflexão e difração de ondas acústicas pelo escoamento. Também há funcionalidade para análises FSI no domínio da frequência com acoplamentos pré-definidos para estruturas elásticas.
Ruído de motor a jato
Silenciadores com escoamento de fundo
Medidores de vazão por efeito Coriolis
Análises de revestimentos e placas perfuradas na presença de escoamento
Instabilidade de combustão
Análise acústica de um ressonador Helmholtz e o efeito do fluxo médio no sistema, modelado usando a interface Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain. O modelo captura os efeitos convectivos do fluxo e atenuação devido à turbulência.
O campo acústico de um duto aeroginoso axialmente simétrico, gerado por uma fonte de ruído na fronteira, é modelado. Os resultados da simulação são calculados para dutos com e sem fluxo irrotacional de fundo compressível e paredes de dutos rígidos e revestidos.
Acústica Termoviscosa
Para uma análise precisa da propagação acústica em geometrias com pequenas dimensões, é necessário considerar as perdas associadas à viscosidade e condução térmica; particularmente, as perdas nas camadas limite viscosas e térmicas. Esses efeitos são resolvidos na íntegra e incluídos automaticamente nas equações resolvidas pelas interfaces acústicas termoviscosas.
Essas interfaces são adequadas para modelagem vibroacústica em transdutores eletroacústicos em miniatura, como microfones, celulares, aparelhos auditivos e dispositivos MEMS. Para modelagem detalhada do transdutor, você pode usar os acoplamentos multifísicos integrados entre estruturas e domínios acústicos termoviscosos.
A interface considera efeitos adicionais, incluindo o comportamento de transição completo de adiabático para isotérmico em frequências muito baixas. Também existe uma interface dedicada para calcular e identificar modos de propagação e não propagação em guias de onda e dutos estreitos.
Transdutores em miniatura
Furos e chapas perfuradas
Resposta de um receptor de armadura equilibrado Knowles ED23146 (alto-falante miniatura) quando colocado em uma configuração de medição padronizada. Os resultados do modelo se alinham muito melhor com a configuração da Knowles ao incorporar perdas acústicas.
As interfaces * Ultrasound* são usadas para calcular a propagação transitória de ondas acústicas em grandes distâncias, em relação aos comprimentos de onda. Os distúrbios acústicos com frequências que não são audíveis para humanos são classificados como ultrassom. Isso implica que as ondas ultrassônicas têm um comprimento de onda curto.
A interface Convected Wave Equation, Time Explicit é usada para resolver grandes problemas acústicos lineares transitórios que contêm muitos comprimentos de onda em um escoamento estacionário de fundo. É adequado para simulações transientes com fontes e campos arbitrários e dependentes do tempo.
A interface é baseada no método dG e usa um solver explícito no tempo, que é um método que não requer muita memória.
Medidores de escoamento por ultrassom
Sensores de ultrassom com tempo de voo
Propagação transitória de sinais sonoros na presença de escoamento
Recursos e Funcionalidades Incluídos no Acoustics Module
Explore alguns dos principais recursos e funcionalidades do Acoustics Module nas seções abaixo.
Fluxo de trabalho de modelagem intuitiva
O software COMSOL® fornece um fluxo de trabalho consistente e fácil de seguir, esteja você trabalhando apenas com COMSOL Multiphysics® e o Acoustics Module ou combinando produtos adicionais do conjunto de produtos. As etapas de modelagem são diretas e incluem:
Selecição de uma interface física adequada
Definição das condições iniciais e de contorno
Criação automática ou manual da malha de elementos finitos
Resolução das físicas
Recursos de interface para outras plataformas de software
Se você deseja usar dados da planilha em seu modelo ou importar uma geometria CAD complexa, existe um produto de interface para suas necessidades. Você pode interagir com o software COMSOL Multiphysics® com várias ferramentas de terceiros, como o software MATLAB®, Microsoft® Excel®, software de planilha, Inventor® e muito mais através do LiveLink™ produtos.
Métodos Numéricos e Estudos
Os solvers e métodos usados para concluir análises no software COMSOL® são flexíveis e eficientes. Os problemas encontrados na acústica abrangem muitas de frequências. A complexidade computacional pode ser altamente dependente da formulação acústica. Como consequência, nenhum único método ou técnica numérica é adequado para todos os problemas acústicos.
O Acoustics Module inclui quatro métodos computacionais diferentes: FEM, BEM, traçado de raios e dG-FEM, conforme descrito abaixo. Diferentes tipos de estudo complementam as diferentes formulações numéricas para permitir todos os tipos de análise necessários. Isso inclui, mas não está restrito a, domínio da frequência, frequências e modo naturais, e estudos transientes. Métodos iterativos dedicados tornam possível modelar grandes problemas multifísicos e multimétodos envolvendo muitos milhões de graus de liberdade.
O Módulo Acústica inclui formulações baseadas em:
O método mais comum e versátil, que inclui discretização de elementos de ordem superior
Formulações implícitas no domínio da frequência e no domínio do tempo
Formulação integral do equacionamento, que requer apenas malhas de superfície
Oferece recursos multifísicos completos para acoplamento contínuo a estruturas (sólidos, cascas, membranas) e domínios acústicos FEM
Método dG explícito no tempo
Técnica com eficiência de memória para simulações transientes de modelos grandes, incluindo muitos milhões de graus de liberdade
Método de Raios
Modelo de acústica de alta frequência, como para simulações de acústica submarina e de ambientes
O Acoustics Module inclui os seguintes estudos:
Calcular resposta e comportamento acústico em uma faixa de frequência
Calcula tempo de voo
Simula o tempo reverberação
Analisa sinais acústicos de banda larga
Simula comportamento não linear
Calcula frequências e modos de ressonância de espaços e estruturas fechados
Extrai o fator Q e o fator de perda
Análise de modo de propagação
Computa e identifica modos de propagação e não propagação em guias de ondas e dutos
Perdas Acústicas
É simples incluir perdas acústicas em um modelo. Isso permite modelar, por exemplo, materiais porosos e fibrosos, resolvendo a teoria de Biot através da interface Poroelastic Waves. Como alternativa, os domínios porosos podem ser modelados com uma abordagem de fluido equivalente usando o modelo de material Poroacoustics em acústica de pressão. A poroacústica inclui, por exemplo, os modelos Delany-Bazley, Miki e Johnson-Champoux-Allard. Perdas e atenuação também podem ser incluídas como expressões definidas pelo usuário, modelos analíticos ou dados com base em medições.
Modelos detalhados, incluindo perdas térmicas e viscosas, podem ser configurados com a interface Thermoviscous Acoustics. Isso inclui todos os efeitos associados às camadas limites viscosas e térmicas. Para modelar esse amortecimento, você pode acoplar a modelos estruturais simplesmente usando os acoplamentos multifísicos incorporados. Em guias de onda ou estruturas de seção transversal constante, uma abordagem simplificada baseada na homogeneização das perdas da camada limite pode ser alcançada usando o modelo de material Narrow Region Acoustics em problemas de acústica de pressão.
A atenuação dos sinais acústicos enquanto eles viajam através de um fluido em movimento, incluindo altos gradientes de escoamento, gradientes de temperatura ou turbulência, pode ser modelada em detalhes com as interfaces Linearized Navier-Stokes. O escoamento em segundo plano pode ser calculado usando os recursos do CFD Module.
Recursos de Eletroacústica
Ao modelar transdutores de todos os tipos, os recursos incluídos no Acoustics Module são prontamente combinados com a funcionalidade do AC/DC Module ou do MEMS Module para criar modelos multifísicos FEM totalmente acoplados. Isso inclui modelagem detalhada de ímãs e bobinas de voz em drivers de alto-falante ou as forças eletrostáticas em microfones de condensação. Nos sistemas de transdutores eletromecânicos-acústicos, é fácil usar modelos de circuitos agrupados para simplificar os componentes elétricos e mecânicos. Ambas as abordagens são resolvidas com um acoplamento totalmente bidirecional. Em sistemas de transdutores em miniatura, como celulares, microfones de condensação e receptores de aparelhos auditivos, o importante amortecimento devido às perdas da camada limite termoviscosa é incluído em detalhes usando as interfaces Termoviscous Acoustics e os acoplamentos multifísicos a outras físicas, como estruturas vibratórias.
As aplicações incluem, mas não se limitam a:
Modelagem de alto-falante totalmente acoplada
Acoplando modelos de circuitos agrupados a domínios FEM
Uso do AC/DC Module para otimizar componentes magnéticos
Domínios Abertos e Problemas de Radiação
No estudo da acústica, é comum simular problemas de propagação livre em que as ondas acústicas devem poder irradiar sem reflexão. Isso inclui modelar a sensibilidade espacial dos transdutores ou problemas de espalhamento em aplicações de sonar. A modelagem de limites não refletivos é obtida usando diferentes técnicas e recursos. Existem condições de impedância e radiação para problemas simples. Para padrões complexos de radiação ou física avançada, pode ser vantajoso usar a chamada camada de esponja.
O Acoustics Module inclui várias formulações para esse fim:
Perfectly matched layers (PMLs), que podem ser aplicadas em todos os modelos no domínio da frequência * PMLs formuladas para o domínio do tempo, existentes para a interface *Pressure Acoustics, Transient * Camadas de absorção (ALs), que existem para todas as interfaces baseadas na formulação dG-FEM e para a interface Linearized Euler
Usando os recursos multifísicos para modelagem com a abordagem híbrida FEM-BEM, os problemas de propagação livre são tratados com eficiência com o BEM e a interface * Pressure Acoustics, Boundary Element *.
Modelagem Baseada em Equações: Modifique as Equações Governantes ou Configure Você Mesmo os Acoplamentos Multifísicos
Para controle total sobre as simulações, você pode usar a modelagem baseada em equações para modificar as equações que governam e as condições de contorno diretamente no software, personalizando ainda mais os modelos para suas próprias análises. Por exemplo, você pode modelar física que não é predefinida no Acoustics Module ou configurar novos acoplamentos multifísicos. Isso inclui modificar modelos de material para modelar efeitos não lineares, adicionando ou modificando relações constitutivas. Também é possível acoplar a física de maneira fora do padrão. Exemplos disso incluem acústica de acoplamento e CFD para modelar acoustic streaming ou os efeitos não lineares da separação de vórtices gerado por ondas acústicas.
Como um benefício adicional, usando uma abordagem de modelagem baseada em equações e eliminando a necessidade de programação, você pode aumentar bastante a flexibilidade do que pode modelar e reduzir o tempo necessário para configurar simulações.
Aplicativos de Simulação: Fluxo de Trabalho de Modelagem Simplificado
Pense no tempo e energia que você poderia se dedicar a novos projetos se não tivesse que executar testes de simulação repetitivos para outras pessoas em sua equipe. Com o Application Builder, incorporado ao COMSOL Multiphysics®, você pode criar aplicativos de simulação que simplificam ainda mais o fluxo de trabalho da simulação, permitindo restringir as entradas e controlar as saídas do seu modelo para que seus colegas possam executar suas próprias análises.
Com os aplicativos, você pode alterar facilmente um parâmetro de projeto, como impedância acústica, e testá-lo quantas vezes for necessário, sem precisar executar novamente a simulação inteira. Você pode usar aplicativos para executar seus próprios testes mais rapidamente ou distribuir aplicativos para outros membros de sua equipe para executar seus próprios testes, liberando ainda mais tempo e recursos para outros projetos.
Transforme seu modelo acústico complexo em uma interface de usuário simples (um aplicativo)
Personalize o aplicativo de acordo com suas necessidades, selecionando entradas e saídas para os usuários do aplicativo
Use os produtos COMSOL Server™ ou COMSOL Compiler™ para torná-los acessíveis a outros membros da equipe
Permita que sua equipe execute suas próprias análises de projeto sem assistência adicional
Você pode expandir os recursos de simulação em toda a equipe, organização, sala de aula ou base de clientes criando e usando aplicativos de simulação.
Um aplicativo de simulação para analisar a reflexão acústica, criada com o Application Builder no COMSOL Multiphysics e o Acoustics Module adicional.