Acoustics Module

Per l'analisi dell'acustica e delle vibrazioni

Acoustics Module

Simulazione acustica dell'interno di un'autovettura, incluse le sorgenti sonore nelle posizioni degli altoparlanti.

Analisi acustica e delle vibrazioni a un nuovo livello

L'Acoustics Module è destinato a chi lavora con dispositivi che generano, misurano e utilizzano onde sonore. Le aree di applicazione comprendono, a titolo di esempio, altoparlanti, microfoni, apparecchi acustici e sonar. Questo strumento consente anche di affrontare il controllo del rumore nella progettazione acustica di edifici, silenziatori e barriere sonore.

Approfondire la conoscenza di prodotti nuovi ed esistenti

Le intuitive interfacce utente offrono gli strumenti per modellare la propagazione delle onde di pressione acustica nell'aria, nell'acqua e in altri fluidi. Le funzionalità dedicate alla termoacustica permettono di eseguire simulazioni estremamente precise di altoparlanti e microfoni miniaturizzati per dispositivi portatili. È inoltre possibile modellare le vibrazioni e le onde elastiche in solidi, materiali piezoelettrici e strutture poroelastiche. Le interfacce multifisiche per interazioni acustica-solidi, acustica-piastre vibranti e acustica-piezoelettrici portano a un nuovo livello di potenza simulativa le simulazioni acustiche.

Utilizzando simulazioni realistiche in 1D, 2D o 3D, è possibile ottimizzare i prodotti esistenti e progettarne di nuovi in maniera più veloce. Inoltre, le simulazioni offrono a progettisti, ricercatori e ingegneri ottimi spunti per capire meglio i problemi difficili da gestire in maniera sperimentale. Collaudare un progetto prima della fase di produzione consente alle aziende di risparmiare tempo e denaro.

Altre immagini:

  • Distribuzione del livello di pressione sonora in un silenziatore. Distribuzione del livello di pressione sonora in un silenziatore.
  • This simulation of a concert hall uses ray acoustics to determine the sound pressure around the stage. This simulation of a concert hall uses ray acoustics to determine the sound pressure around the stage.
  • Il trasduttore piezoelettrico Tonpilz è un trasduttore per l'emissione sonora ad alta potenza e frequenza relativamente bassa. Il trasduttore consiste di anelli piezoceramici impilati tra due estremità spesse e pre-compressi mediante un bullone centrale. La massa di testa e dado del bullone abbassa la frequenza di risonanza del dispositivo. Il trasduttore piezoelettrico Tonpilz è un trasduttore per l'emissione sonora ad alta potenza e frequenza relativamente bassa. Il trasduttore consiste di anelli piezoceramici impilati tra due estremità spesse e pre-compressi mediante un bullone centrale. La massa di testa e dado del bullone abbassa la frequenza di risonanza del dispositivo.
  • Onde poroelastiche e acustica in un sistema simile a quello di un filtro antiparticolato. I filtri antiparticolato per i motori diesel (DPF) sono progettati per rimuovere/filtrare le polveri sottili (particelle gasolio) dallo scarico dei veicoli con motore diesel. Sebbene la sua funzione principale sia filtrare il flusso dello scarico, un filtro antiparticolato ha anche proprietà di smorzamento acustico correlate all'impianto silenziatore. Onde poroelastiche e acustica in un sistema simile a quello di un filtro antiparticolato. I filtri antiparticolato per i motori diesel (DPF) sono progettati per rimuovere/filtrare le polveri sottili (particelle gasolio) dallo scarico dei veicoli con motore diesel. Sebbene la sua funzione principale sia filtrare il flusso dello scarico, un filtro antiparticolato ha anche proprietà di smorzamento acustico correlate all'impianto silenziatore.
  • Modello del microfono a condensatore 4134 della Brüel e Kjær. La geometria e i parametri del materiale rispecchiano quelli del microfono reale. Il livello di sensibilità simulato è confrontato con le misurazioni effettuate su un microfono reale e ne mostra l'effettiva corrispondenza. Sono stati inoltre calcolati la deformazione della membrana, la pressione, la velocità e il campo elettrico. Modello fornito per gentile concessione di Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement, Nærum, Danimarca.

    Modello del microfono a condensatore 4134 della Brüel e Kjær. La geometria e i parametri del materiale rispecchiano quelli del microfono reale. Il livello di sensibilità simulato è confrontato con le misurazioni effettuate su un microfono reale e ne mostra l'effettiva corrispondenza. Sono stati inoltre calcolati la deformazione della membrana, la pressione, la velocità e il campo elettrico. Modello fornito per gentile concessione di Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement, Nærum, Danimarca.

  • La visualizzazione mostra le isosuperfici della pressione acustica all'interno di un'autovettura. Il LiveLink™ for Inventor® offre direttamente dall'interfaccia utente di Inventor® l'accesso alle funzionalità di COMSOL, comprese quelle contenute nell'Acoustics Module. La visualizzazione mostra le isosuperfici della pressione acustica all'interno di un'autovettura. Il LiveLink for Inventor® offre direttamente dall'interfaccia utente di Inventor® l'accesso alle funzionalità di COMSOL, comprese quelle contenute nell'Acoustics Module.

Per la modellazione di diverse applicazioni acustiche

L'Acoustics Module si compone di una serie di interfacce fisiche – interfacce utente con strumenti di modellazione e simulazione associati – con cui predire la propagazione del suono in fluidi e solidi. Queste interfacce all'interno dell'Acoustics Module sono organizzate in acustica nei fluidi (pressure acoustics), interazione acustico-strutturale, aeroacustica e termoacustica.

Le simulazioni acustiche, con le interfacce fisiche per la pressione acustica, possono modellare con facilità i classici problemi come diffusione, diffrazione, emissione, radiazione e trasmissione del suono. Tali problemi sono importanti per la progettazione di silenziatori e altoparlanti, per l'isolamento acustico in assorbitori e diffusori, per la valutazione dei modelli acustici direzionali, per affrontare i problemi di radiazione del rumore e molto altro ancora. Con le interfacce fisiche per l'interazione acustica-struttura è possibile modellare problemi che implicano onde elastiche, rumore indotto da fluido e loro interazione. Ad esempio, l'interazione acustico-strutturale viene utilizzata nella progettazione dettagliata di silenziatori, attuatori piezoelettrici a ultrasuoni, tecnologia sonar e analisi delle vibrazioni e del rumore dei macchinari nel settore automobilistico. Mediante le funzionalità di COMSOL Multiphysics è possibile analizzare e progettare trasduttori elettroacustici, tra cui altoparlanti, sensori, microfoni e ricevitori.

Le interfacce fisiche per l'aeroacustica sono utilizzate per modellare l'interazione unidirezionale tra un flusso esterno e un campo acustico, ossia il fluid-borne noise (FBN). Le applicazioni spaziano dall'analisi del rumore di un motore a reazione alla simulazione di sensori eolici. Le interfacce fisiche per la termoacustica sono in grado di modellare con precisione sistemi con quote geometriche molto piccole, tipiche nei settori dei telefoni cellulari e degli apparecchi acustici, nelle applicazioni MEMS e nella progettazione di trasduttori.

Multiphysics Couplings

Completely integrated in the COMSOL Multiphysics® environment, the Acoustics Module can be combined with other modules for a wider range of multiphysics simulations. Such is the case for the multiphysics interfaces for acoustic-shell interaction and thermoacoustic-shell interaction, which are available when combining the Acoustics Module with the Structural Mechanics Module. Similarly, physics interfaces for pipe acoustics are available when combining the Acoustics Module with the Pipe Flow Module.

Multiphysics couplings and predefined multiphysics interfaces are set up in COMSOL Multiphysics by introducing a Multiphysics node. For example, coupling the physics describing pressure acoustics in a fluid domain to the physics describing structural mechanics in a surrounding solid is achieved in COMSOL Multiphysics by adding an Acoustics interface and a Solid Mechanics interface separately and then coupling them at the boundary using the relevant coupling under the multiphysics node. This functionality makes it possible to decouple or one-way couple the two contributing physics, as well as giving full control over all functionalities in the Acoustics and Solid Mechanics interfaces.

Among the many multiphysics couplings available are the Acoustic-Structure Boundary, the Aeroacoustic-Structure Boundary, and the Thermoacoustic-Structure Boundary multiphysics interfaces. These all couple a fluid domain to a structure that includes a solid, an external or internal shell, or a membrane. Also available are the Acoustic-Thermoacoustic Boundary, Acoustic-Porous Boundary, and Porous-Structure Boundary multiphysics interfaces, while the Piezoelectric Effect multiphysics interface connects a Solid Mechanics interface and an Electrostatics interface for modeling piezoelectric materials. All multiphysics models are fully coupled by default, while one-way coupling and dissociating the couplings can be achieved by manipulating the Multiphysics node.

Flusso di lavoro coerente

L'Acoustics Module rispecchia il flusso di lavoro di qualsiasi altro modulo aggiuntivo della suite di prodotti COMSOL. Tutte le fasi di modellazione sono accessibili da COMSOL Desktop® e si riassumono in questa sequenza: definire la geometria, selezionare i materiali, selezionare un'interfaccia fisica adatta, definire le condizioni iniziali e al contorno, creare automaticamente la mesh agli elementi finiti, risolvere e visualizzare i risultati. Le simulazioni realizzate con l'Acoustics Module possono essere abbinate a qualsiasi altro prodotto COMSOL grazie a una suite di accoppiamenti predefiniti, ad esempio con lo Structural Mechanics Module per l'interazione acustica-shell, oppure tramite accoppiamenti definiti dall'utente. L'Optimization Module può essere combinato con l'Acoustics Module per ottimizzare le quote geometriche, la trasmissione acustica e altro ancora.

Collegare l'Acoustics Module con il CAD, MATLAB® ed Excel®

Per operazioni di modellazione ripetitive, il LiveLink for MATLAB® consente di avviare simulazioni COMSOL con script o funzioni di MATLAB®. Qualsiasi operazione disponibile in COMSOL Desktop® è anche accessibile tramite i comandi MATLAB. Inoltre, si possono unire i comandi COMSOL al codice MATLAB esistente nell'ambiente MATLAB. Per le simulazioni acustiche avviate da fogli di calcolo, il LiveLink for Excel® è una comoda alternativa alla modellazione da COMSOL Desktop®, poiché consente di sincronizzare i dati del foglio di calcolo ai parametri definiti nell'ambiente COMSOL. Il CAD Import Module e i prodotti LiveLink per i principali sistemi CAD agevola l'esecuzione di simulazioni acustiche mediante modelli CAD. I prodotti LiveLink assicurano l'integrità del modello CAD parametrico nel proprio ambiente nativo, ma consentono la manipolazione delle quote geometriche all'interno di COMSOL Multiphysics. Mettendo in relazione i modelli acustici ai prodotti CAD è possibile eseguire contemporaneamente sweep parametrici su diversi parametri del modello.

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Modellazione acustica flessibile e robusta

Le equazioni dell'Acoustics Module vengono risolte sulla base del metodo agli elementi finiti con discretizzazione degli elementi di ordine superiore grazie a solutori dedicati e all'avanguardia. Le diverse formulazioni prevedono simulazioni sia nel dominio della frequenza sia in quello temporale. I risultati sono presentati nella finestra grafica sotto forma di grafici preimpostati dei campi acustici e di spostamento, dei livelli di pressione, di sollecitazioni e deformazioni o come espressioni delle quantità fisiche definibili liberamente, ma anche come quantità tabulate derivate.

Simulazioni che considerano l'abbattimento acustico

L'Acoustics Module contiene una ricca libreria di modelli con molti esempi di applicazioni per la modellazione di rivestimenti fonoassorbenti, altoparlanti, microfoni e silenziatori. Molti di questi esempi mostrano come simulare le perdite acustiche. I modelli di abbattimento dell'Acoustics Module spaziano da quelli empirici fluido-equivalenti per i materiali fibrosi (lane di roccia) a modelli che risolvono la teoria di Biot nell'interfaccia Onde poroelastiche, a un modello di perdita viscosa e termica completo che utilizza l'interfaccia Termoacustica.

Interfacce fisiche intuitive per l'analisi acustica

Acustica nei fluidi (pressure acoustics)

Le interfacce fisiche dell'Acustica di pressione descrivono e risolvono il campo sonoro attraverso una pressione acustica scalare. Il campo di pressione acustica rappresenta le variazioni acustiche (o sovrapressioni) in relazione alla pressione atmosferica stazionaria. In assenza di flusso, la pressione atmosferica è semplicemente la pressione statica assoluta. Le interfacce fisiche consentono la soluzione sia nel dominio della frequenza (soluzioni dell'equazione di Helmholtz), sia come sistema transitorio (soluzione della classica equazione delle onde). Per lo studio dei modi di propagazione nelle guide d'onda e nei condotti si utilizza una speciale interfaccia fisica per l'acustica con condizioni al contorno, basata sul fatto che solo una serie finita di forme o modi può propagarsi su distanze maggiori.

Sono disponibili numerose condizioni al contorno, comprendenti condizioni di parete rigida e condizione di impedenza, radiazione, simmetria e condizioni periodiche, per modellare contorni aperti (anecoici), nonché condizioni di applicazione delle sorgenti. Le interfacce offrono inoltre diversi modelli fluido-equivalenti, che imitano il comportamento della propagazione del suono in mezzi più complessi, quali i materiali porosi e quelli fibrosi, nonché i fluidi viscosi e termoconduttivi. Sono disponibili anche strati perfettamente adattati (PML, perfectly matched layer) per troncare il dominio computazionale assorbendo le onde acustiche in uscita, simulando quindi con uno sforzo limitato un dominio infinitamente esteso. Infine, è possibile utilizzare una funzione far-field per determinare la pressione all'esterno del dominio computazionale. Per la visualizzazione del far-field con grafici polari in 2D e 3D sono disponibili funzionalità di analisi e risultati dedicati.

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Interazione acustica-struttura

Da un lato del contorno fluido-solido, le interfacce Interazione acustica-struttura considerano la pressione del fluido che agisce sul dominio solido e dall'altro l'accelerazione strutturale che agisce sul dominio del fluido. Le interfacce affrontano le interazioni acustica-solido, acustica-shell e acustica-piezoelettrica – il tutto nell'ambito dei domini della frequenza e del tempo e in modelli di geometria 3D, 2D e 2D assialsimmetrica. Le interfacce che comprendono piastre vibranti (shell) sono disponibili abbinando l'Acoustics Module allo Structural Mechanics Module, che dà accesso anche ad altre funzionalità di modellazione strutturale avanzate. L'interfaccia Interazione acustica-piezoelettrica simula con estrema precisione non solo l'interazione acustica-struttura, ma supporta anche la soluzione e la modellazione del campo elettrico nel materiale piezoelettrico. Se unita all'AC/DC Module o al MEMS Module, consente inoltre di combinare simulazioni piezoelettriche con circuiti SPICE. Questa funzionalità è utilissima anche quando, ad esempio, si utilizzano modelli a parametri concentrati per descrivere determinate parti di un trasduttore mentre si utilizza la completa descrizione agli elementi finiti per il resto. I modelli sono totalmente accoppiati.

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Le interfacce Acustica in condotti (disponibili insieme al Pipe Flow Module) sono utilizzate per la modellazione 1D della propagazione delle onde sonore in impianti di condotti flessibili. Le equazioni sono formulate in modo generico per includere gli effetti della conformità della parete del tubo con la possibilità di un flusso di fondo stazionario. L'interfaccia Onde elastiche fornisce la formulazione completa dinamico-strutturale, comprendente tutti gli effetti delle onde di taglio e delle onde di pressione. L'interfaccia Onde poroelastiche modella con precisione, sulla base della teoria di Biot, la propagazione del suono in un materiale poroso, compreso l'accoppiamento bidirezionale tra la deformazione della matrice solida e le onde di pressione nel fluido che lo satura.

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Geometrical Acoustics

The Geometrical Acoustics branch includes the Ray Acoustics and the Acoustic Diffusion Equation physics interfaces. The physics in both interfaces are valid in the high-frequency limit where the acoustic wavelength is smaller than the characteristic geometric features. This is at frequencies above the Schroeder frequency for rooms. Both interfaces are suited for modeling acoustics in rooms and buildings like concert halls. The Acoustic Diffusion Equation is restricted to indoor applications whereas the Ray Acoustics interface can be used, for example, in ocean acoustics and atmosphere acoustics. The acoustic properties at boundaries are included through different models for the absorption.

The Ray Acoustics physics interface is used to compute the trajectories, phase, and intensity of acoustic rays. Ray acoustics is valid in the high-frequency limit where the acoustic wavelength is smaller than the characteristic geometric features. The interface can be used to model acoustics in rooms, concert halls, schools, office buildings, and many outdoor environments. The properties of the media in which the rays propagate can change continuously within domains (graded media) or discontinuously at boundaries. At exterior boundaries, it is possible to assign a variety of wall conditions, including combinations of specular and diffuse reflection. Impedance and absorption can depend on the frequency, intensity, and direction of incident rays. Transmission and reflection are also modeled at material discontinuities. A background velocity may also be assigned to any medium.

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The Acoustic Diffusion Equation interface solves a diffusion equation for the acoustic energy density. It is applicable for high-frequency acoustics where the acoustic fields are diffuse. The diffusion properties are dependent on both the room geometry and absorption properties of walls, room fittings (uses average volumetric absorption based on average cross-section and attenuation), and volumetric attenuation (viscous and thermal in large volumes only). The interface is well suited for quick assessment of sound pressure level distribution inside buildings and other large structures.

The Acoustic Diffusion Equation interface can be used to determine the reverberation times at different locations. This can be done either by performing a transient analysis and looking at the energy decay curve, or by performing an eigenvalue analysis. Inputs for all sources, absorption parameters, and transmission losses can be determined using one of the bands, provided in the module. Using these input types and a parametric sweep over the studied band, the user can easily plot and analyze the model results to express results in these bands.

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Aeroacustica

L'interazione unidirezionale di un flusso medio e un campo acustico (il cosiddetto fluid-borne noise) è modellata abbinando la fluidomeccanica e i fenomeni acustici in base alla formulazione potenziale delle equazioni fluidodinamiche e acustiche. Le interfacce basate sull'aeroacustica modellano l'interazione di un flusso di fondo statico e del campo acustico sia nel dominio della frequenza sia nel dominio del tempo. L'interfaccia Flusso potenziale comprimibile modella il flusso di un fluido comprimibile non viscoso e senza vorticità (essendo il flusso in tali casi irrotazionale). L'interfaccia Aeroacustica con flusso modella il problema di propagazione acustica e flusso potenziale accoppiati nel dominio della frequenza o come sistema transitorio. L'interfaccia Aeroacustica in modalità di bordo è utilizzata per studiare la distribuzione acustica ai contorni in presenza di un flusso medio.

Gli strumenti primari nell'Acoustics Module for fluid-borne sound sono le intefacce fisiche Linearized Euler. Queste vengono utilizzate per calcolare le variazioni acustiche a pressione, velocità e densità di un flusso di campo di fondo principale. Esse risolvono le equazioni di Eulero linearizzate inclusa l'equazione dell'energia, ipotizzando che il flusso di fondo sia un gas ideale (oppure sia ben approssimabile con tale ipotesi di gas) e che non vi siano perdite termiche e viscose. Le interfacce fisiche Linearized Euler sono disponibili per analisi tempo dipendenti, nel dominio delle frequenze e per autofrequenze. Esempi applicativi per l'aeroacustica mediante le equazioni utilizzate in Linearized Euler sono l'analisi di propagazione di rumore dai motori a reazione, la modellazione delle proprietà di attenuazione di marmitte in presenza di flussi non isotermi e lo studio di flussimetri a gas. Queste risultano essere tutte situazioni in cui il flusso di fondo influisce sulla propagazione delle onde acustiche nel fluido.

Nel caso di interazioni one-way semplificate dove le formulazioni sono basate sul potenziale del fluido, le interfacce fisiche Linearized Potential Flow risultano essere disponibili sia nel dominio delle frequenze sia nel dominio del tempo. L'interfaccia Compressible Potential Flow viene utilizzata per modellare il flusso di fondo principale nel caso di flussi comprimibili non viscosi in cui non vi siano vorticità e in cui questi siano di natura irrotazionale. L'interfaccia Boundary Mode Aeroacoustics viene utilizzata per lo studio di problemi acustici boundary mode in presenza di un campo di flusso di fondo, tipicamente per specificare le sorgenti agli ingressi.

Termoacustica

L'Acoustics Module offre funzionalità di modellazione all'avanguardia per la termoacustica (nota anche come acustica viscotermica o termoviscosa), cruciale per la simulazione precisa dell'acustica in modelli geometrici di piccole dimensioni. In prossimità delle pareti, la viscosità e la conduzione termica diventano importanti via via che si crea uno strato limite viscoso e termico, che determina perdite significative. Per questo è necessario includere esplicitamente gli effetti della conduzione termica e delle perdite viscose nelle equazioni. Le interfacce fisiche per la termoacustica sono utilizzate per la soluzione di tutte le equazioni di trasporto per un fluido comprimibile nel caso di piccole fluttuazioni, ossia le equazioni linearizzate di Navier-Stokes, di continuità e dell'energia. Poiché è necessaria una descrizione dettagliata per modellare la termoacustica, tutte le interfacce fisiche si risolvono simultaneamente in termini di pressione acustica, vettore di velocità delle particelle e variazione di temperatura.

Nelle interfacce fisiche per la termoacustica, le equazioni di sistema sono implementate nel caso di segnali armonici e vengono risolte nel dominio della frequenza. Sono disponibili sia le condizioni al contorno meccaniche che termiche. L'abbinamento di un dominio termoacustico a un dominio acustico di pressione risulta semplice, in quanto imponibile con una condizione al contorno predefinita. È disponibile un'interfaccia Interazione termoacustica-solido, che agevola l'analisi acustica-vibrazionale accoppiata, ad esempio per modellare piccoli trasduttori elettroacustici o lo smorzamento in dispositivi MEMS. Esistono condizioni al contorno predefinite tra i domini solido e fluido. L'interfaccia Interazione termoacustica-shell è utilizzata per modellare l'interazione tra le shell e l'acustica in strutture di piccole dimensioni, ad esempio per analizzare le vibrazioni smorzate di shell negli apparecchi acustici e impedire alcuni problemi di funzionamento.

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