Aggiornamenti dell'Acoustics Module

COMSOL Multiphysics® versione 5.3 presenta nell'Acoustics Module una nuova funzionalità che migliora sensibilmente la simulazione di fenomeni acustici nel dominio del tempo e che facilita la risoluzione di grandi modelli in ambito acustico. Gli altri miglioramenti includono una serie di nuove funzionalità e opzioni dell'interfaccia fisica, nonché nuovi strumenti di postprocessing.

Panoramica sulle novità dell'Acoustics Module

In sintesi, i miglioramenti apportati alle simulazioni nel dominio del tempo includono:

  • Strati perfettamente adattati (PML, Perfectly matched layers) per la pressione acustica nel dominio del tempo
  • L'interfaccia Thermoviscous Acoustics, Transient per il dominio del tempo
  • La possibilità di regolare le impostazioni del solutore transitorio a livello della fisica, per simulazioni più robuste
  • Accelerazione per il metodo degli elementi discontinui di Galerkin (dG)

I modelli di grandi dimensioni traggono vantaggio da queste nuove funzionalità:

  • Suggerimenti per il settaggio ottimale del solutore per i solutori iterativi
  • Possibilità di utilizzare elementi Serendipity

Le nuove funzionalità e opzioni dell'interfaccia fisica includono:

  • Tecniche di stabilizzazione nuove e migliorate per le analisi linearizzate di Navier-Stokes basate sul metodo dei minimi quadrati di Galerkin (GLS)
  • Formulazione migliorata per la condizione al contorno Slip nella funzionalità Wall per le analisi linearizzate di Navier-Stokes e le simulazioni acustiche termoviscose (molto efficiente con i solutori iterativi)
  • Formulazione 2D assialsimmetrica nell'interfaccia Convected Wave Equation
  • Modello di Biot-Allard per includere le perdite termiche e viscose nelle simulazioni di onde poroelastiche
  • Nuova condizione interna Perforated plate
  • Formulazione Ray acoustics in geometrie 2D assialsimmetriche
  • Valutazione della larghezza del fascio per i grafici di campo lontano

Perfectly matched layers per l'interfaccia Pressure Acoustics, Transient

I PML sono utilizzati spesso in situazioni in cui le condizioni al contorno non riflettenti di primo ordine genererebbero riflessioni numeriche spurie e indesiderate. I PML consentono di troncare il dominio di calcolo con uno strato esterno che replica la propagazione di onde in un dominio infinito.

Con COMSOL Multiphysics® versione 5.3, l'interfaccia fisica Pressure Acoustics, Transient ora include la funzionalità PML nel dominio del tempo, per simulazioni acustiche transitorie basate sul metodo agli elementi finiti. Questa funzionalità in precedenza era disponibile solo per le interfacce Pressure Acoustics, Frequency Domain e Convected Wave Equation, Time Explicit. I PML possono essere aggiunti dal nodo Definitions e supportano le opzioni di scaling polinomiale e razionale per i modelli 3D, 2D assialsimmetrici, 2D e 1D in geometrie cartesiane, cilindriche e sferiche.

 
 
Animazioni di impulsi gaussiani dipendenti dal tempo nella modellazione di domini circondati da PML. Le animazioni mostrano il totale assorbimento delle onde senza riflessioni spurie e indesiderate che ricadrebbero nei domini di modellazione.
 
Animazione di un pistone vibrante che emette suono in uno spazio 3D. Vengono mostrati l'evoluzione nel tempo delle isosuperfici della pressione e il loro assorbimento nel PML.


Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza i PML in una simulazione per la determinazione della pressione acustica dipendente dal tempo:
Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_perfectly_matched_layers

Nuova interfaccia Thermoviscous Acoustics, Transient

Il nodo Thermoviscous Acoustics è stato ampliato con un'interfaccia per simulazioni lineari di acustica termoviscosa tempo-dipendenti, che comprende termini sorgente rappresentati da qualsiasi segnale variabile nel tempo, ad esempio un impulso gaussiano. L'interfaccia Thermoviscous Acoustics, Transient è adatta per modellare la propagazione di onde tempo-dipendenti in sistemi in cui è importante tener conto delle perdite termiche e viscose — solitamente applicazioni di piccole dimensioni come dispositivi mobili, altoparlanti miniaturizzati, microfoni o fori di una piastra forata.

L'interfaccia può essere accoppiata, attraverso l'interfaccia multifisica Thermoviscous Acoustic-Structure Boundary, ad applicazioni di meccanica strutturale e interfacce quali Solid Mechanics, Shells e Membranes.

 
Grafico COMSOL dei segnali di ingresso e uscita Un grafico COMSOL dei segnali di ingresso e di uscita. Un grafico COMSOL dei segnali di ingresso e di uscita.
Animazione della propagazione di un segnale armonico con un inviluppo gaussiano attraverso un tubo lungo e stretto, con una contrazione al centro. L'impulso si propaga da un'estremità del tubo all'altra e manifesta un'attenuazione a causa delle perdite termiche e viscose. Le animazioni mostrano la velocità delle particelle (a sinistra) e le variazioni della temperatura acustica (al centro) attraverso il tubo, concentrate in prossimità della contrazione. Il grafico (a destra) mostra il segnale di pressione transitorio in ingresso (curva blu) e il segnale di pressione in uscita attenuato (curva verde).


Interfaccia Poroelastic Waves aggiornata con il nuovo modello di Biot-Allard

Nelle applicazioni in cui le onde di pressione e le onde elastiche si propagano in materiali porosi saturi d'aria, le perdite termiche e viscose sono importanti. Alcuni esempi di applicazioni sono i materiali isolanti per l'acustica ambientale, i materiali di rivestimento negli abitacoli dei veicoli, le schiume di espanso usate in cuffie e altoparlanti e i materiali porosi dei silenziatori.

Per simulare meglio questo tipo di applicazioni, è stata aggiunta l'opzione Biot-Allard model all'interfaccia Poroelastic Waves. L'inclusione di questo modello integra l'opzione Biot model, già disponibile in precedenza, che considera solo le perdite viscose ed è utile per la propagazione delle onde acustiche poroelastiche nelle rocce e nel terreno dove il fluido saturante è un liquido.

Fino ad ora, l'interfaccia Pressure Acoustics, Frequency Domain abbinata a un opportuno modello fluido, come il modello poroacustico, costituiva un metodo adeguato per simulare molte applicazioni audio. Tuttavia, questi modelli non catturano tutti gli effetti del mondo reale; talvolta è necessario includere anche le onde elastiche, ad esempio quando la matrice porosa deve essere accoppiata a strutture vibranti. Questi fenomeni ora possono essere simulati con la nuova opzione Biot-Allard model dell'interfaccia Poroelastic Waves. Qui gli input del materiale rispettano le tipiche condizioni utilizzate e misurate in applicazioni audio e di controllo del rumore.


Link alla Galleria delle applicazioni con un esempio dell'opzione Biot-Allard model in una simulazione di onda poroelastica:
Multilayered Porous Material: Poroelastic Waves with Thermal and Viscous Losses (Biot-Allard Model)

Accoppiamenti multifisici aggiornati per l'interazione acustico-strutturale

Con l'aggiunta dell'opzione Biot-Allard model all'interfaccia Poroelastic Waves, le interfacce multifisiche che accoppiano i domini poroelastici, le strutture e l'acustica sono state rinnovate e migliorate: ora supportano l'accoppiamento della pressione acustica alle onde poroelastiche e delle onde poroelastiche alle strutture (e talvolta l'accoppiamento tra tutte e tre le fisiche). È possibile aggiungere una nuova interfaccia utilizzando il pulsante Add Physics nella barra multifunzione, che apre l'omonima finestra. Le seguenti interfacce aggiornate Poroelastic Waves possono essere selezionate dalla sezione Acoustics e, quindi, dal nodo Acoustic-Structure Interaction:

  • Poroelastic Waves, un'interfaccia di singola fisica
  • Acoustic-Poroelastic Waves Interaction, un'interfaccia multifisica che aggiunge le fisiche e gli accoppiamenti seguenti:
    • Pressure Acoustics, Frequency Domain
    • Poroelastic Waves
    • Multiphysics
      • Acoustic-Porous Boundary
  • Acoustic-Solid-Poroelastic Waves Interaction, un'interfaccia multifisica che aggiunge le fisiche e gli accoppiamenti seguenti:
    • Pressure Acoustics, Frequency Domain
    • Solid Mechanics
    • Poroelastic Waves
    • Multiphysics
      • Acoustic-Structure Boundary
      • Porous-Structure Boundary
      • Acoustic-Porous Boundary
  • Solid Mechanics (Elastic Waves), un'interfaccia che aggiunge l'interfaccia Solid Mechanics, fungendo a tutti gli effetti da scelta rapida per aggiungere questa interfaccia direttamente dalla sezione Acoustics

Formulazione 2D assialsimmetrica per l'interfaccia Convected Wave Equation, Time Explicit

L'interfaccia Convected Wave Equation, Time Explicit è ora disponibile per simulazioni 2D assialsimmetriche. Si estendono così le capacità di modellare la propagazione delle onde acustiche su lunghe distanze, come misura del numero di lunghezze d'onda. L'interfaccia dispone dell'opzione Include out-of-plane components, utile per includere le componenti fuori piano di un flusso di background e la loro interazione con il segnale acustico. Questo è utile, ad esempio, per modellare trasduttori a ultrasuoni assialsimmetrici o tweeter.

 
Fluttuazioni di velocità acustica nel modello 2D assialsimmetrico di un pistone vibrante che crea un'onda a 5000 Hz e che si trova subito davanti a un ostacolo diffrattivo.

Suggerimenti per il solutore iterativo predefinito

Molte delle interfacce fisiche nell'Acoustics Module ora forniscono suggerimenti su solutori iterativi alternativi in aggiunta al solutore diretto predefinito, che viene impostato quando si scelgono le interfacce fisiche e si risolve il modello per la prima volta. In alcuni casi, sono forniti due suggerimenti (v. esempio sotto): un solutore solitamente veloce e l'altro più robusto, ma più lento. I solutori suggeriti possono essere abilitati quando il solutore diretto si scontra con limitazioni di memoria e non riesce a convergere. Questa nuova funzionalità semplifica il flusso di lavoro quando si risolvono modelli grandi e non richiede l'impostazione manuale e la regolazione dei solutori iterativi quando diventa evidente che il solutore diretto non è quello ottimale.

Controllo del solutore transitorio dall'interfaccia fisica

Tutte le interfacce transitorie nell'Acoustics Module ora hanno una sezione Transient Solver Settings nella finestra delle impostazioni dell'interfaccia fisica. Questo permette di impostare controlli automatici del solutore predefinito basati sui dati immessi nella nuova sezione: si ottengono così una configurazione migliore per il solutore transitorio e simulazioni più robuste.

L'impostazione predefinita (e consigliata) consiste nell'utilizzare l'opzione Manual per il menu a discesa Time stepping e quindi immettere un valore di Maximum frequency to resolve nel campo appropriato. Per la maggior parte dei problemi acustici, il contenuto in frequenza di tutte le sorgenti è noto o può essere valutato tracciando la trasformata di Fourier del segnale sorgente. Nelle applicazioni di acustica lineare, la soluzione ricercata avrà lo stesso contenuto in frequenza della sorgente. È sufficiente inserire la frequenza da risolvere nel nuovo campo editabile. Per problemi non lineari, si può decidere quante armoniche generate risolvere. In questo caso, il campo Maximum frequency to resolve deve essere pari al numero di armoniche moltiplicato per la frequenza del segnale sorgente.

Accelerazione del metodo degli elementi discontinui di Galerkin

Sono stati introdotti diversi miglioramenti per accelerare il metodo degli elementi discontinui di Galerkin (dG) e per ridurne il carico computazionale. L'accelerazione è determinata in primis da una nuova metrica utilizzata per calcolare il passo temporale interno: il metodo temporale esplicito in dG. Un secondo miglioramento legato alla velocità consiste nella nuova procedura di ottimizzazione della qualità delle mesh, grazie alla nuova opzione Avoid too small elements, che consente di generare una mesh tetraedrica in 3D (v. immagine).


La quantità di memoria utilizzata si riduce soprattutto quando si eseguono i modelli su sistemi multicore. Viene utilizzato un assemblaggio di matrici sparse nel metodo dG e la memoria richiesta è quasi indipendente dal numero di core CPU disponibili. Inoltre, la memoria necessaria durante l'inizializzazione è stata ridotta sensibilmente.

Si veda, ad esempio, il tutorial Ultrasound Flow Meter with Generic Time-of-Flight Configuration. In un test eseguito su un computer desktop con processore Intel® Core™ i7 a 3.60 GHz a 4 core e 32 GB di RAM, il problema acustico viene risolto in 7 ore e 5 minuti e richiede 6.0 GB di RAM, con la versione 5.2a di COMSOL Multiphysics®. Con la versione 5.3, lo stesso studio si risolve ora in 5 ore e 1 minuto e richiede 5.8 GB di RAM. Si tratta di un'accelerazione pari circa al 30% e di una leggera riduzione della memoria utilizzata. Considerando un processore con più core, la riduzione di memoria su 16 core sarebbe di quasi 1 GB, rispetto a una riduzione di soli 0.2 GB con 4 core, come in questo esempio. Il modello contiene 7.5 milioni di gradi di libertà (DOF).

Percorso dell'Application Library con esempi che utilizzano il metodo dG migliorato:
Acoustics_Module/Ultrasound/ultrasound_flow_meter_generic

Stabilizzazione migliorata per le interfacce fisiche Linearized Navier-Stokes

Sono stati aggiunti metodi di stabilizzazione nuovi e migliorati alle interfacce Linearized Navier-Stokes. Il nuovo schema di stabilizzazione predefinito, Galerkin least squares (GLS) stabilization, migliora notevolmente la stabilità e la convergenza per soluzioni con mesh rade. A scelta, è anche possibile disattivare la stabilizzazione, selezionare uno schema Streamline upwind Petrov-Galerkin (SUPG) stabilization oppure selezionare lo schema Streamline diffusion (legacy method). Le nuove impostazioni predefinite sono adatte per la modellazione dei problemi di interazione fluidodinamica-acustica con le interfacce Linearized Navier-Stokes. Con il nuovo schema di stabilizzazione implementato nelle interfacce Linearized Navier-Stokes, è ora possibile modificare la discretizzazione predefinita per i campi di pressione, velocità e temperatura selezionando elementi lineari. In molte situazioni, questo porta a una riduzione della dimensione del modello.


Percorso dell'Application Library con esempi che utilizzano il metodo migliorato Galerkin least squares (GLS) stabilization:
Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

Riformulazione della condizione Slip

La condizione al contorno Slip nelle interfacce Thermoviscous Acoustics e Linearized Navier-Stokes è stata riformulata per utilizzare la cosiddetta formulazione Discontinuous Galerkin (dG), nota anche come formulazione Penalty-like. La dG è selezionata di default e sostituisce la formulazione basata sui moltiplicatori di Lagrange utilizzata in COMSOL Multiphysics® versione 5.2a (che può comunque sempre essere selezionata, se lo si desidera). Entrambe le formulazioni impediscono i cosiddetti fenomeni di locking su superfici curve che portano a risultati erronei. La nuova formulazione, diversamente dalla vecchia, è particolarmente adatta all'uso con un solutore iterativo.

Quando gli strati limite sono importanti, la condizione predefinita no-slip sulle pareti è l'origine dello strato limite viscoso e la condizione isoterma è l'origine dello strato limite termico. Gran parte della dissipazione termoviscosa si verifica all'interno di questi strati limite acustici, fatto non trascurabile in molte applicazioni.

Una condizione slip impone una condizione di non penetrazione per cui non si crea uno strato limite viscoso. La condizione Slip deve, di conseguenza, essere utilizzata laddove le perdite viscose nello strato limite non sono importanti. Questo elimina la necessità di creare la mesh nello strato limite e produce un minor numero di elementi di mesh e meno GDL. L'utilizzo della condizione Slip è particolarmente utile nei modelli linearizzati di Navier-Stokes, in cui il comportamento d'interesse è descritto dall'accoppiamento del flusso con il flusso medio di background e non dai dettagli nello strato limite.

Elementi Serendipity in acustica

Diverse interfacce fisiche nell'Acoustics Module ora consentono di scegliere tra due famiglie di funzioni di forma nella sezione Discretization: Lagrange e Serendipity. Allo stato attuale l'impostazione predefinita prevede l'uso degli elementi lagrangiani in tutte le interfacce, con l'eccezione dell'interfaccia Solid Mechanics dove è predefinito l'uso di elementi Serendipity. La scelta tra elementi lagrangiani e Serendipity influenza il numero di GDL nella soluzione e la stabilità dei modelli che contengono mesh distorte.

Quando si utilizza una mesh strutturata, è spesso vantaggioso passare a funzioni di forma Serendipity, dato che generano un numero molto inferiore di GDL. Nella maggior parte dei casi, l'accuratezza è quasi paragonabile alla modellazione con funzioni di forma lagrangiane. Gli elementi lagrangiani, tuttavia, sono meno sensibili alle forti distorsioni della mesh e sono da preferire in questi casi. L'utilizzo di elementi Serendipity è vantaggioso solo per le seguenti forme degli elementi, poiché altre genererebbero lo stesso numero di GDL, indipendentemente dalla funzione di forma prescelta:

  • In 2D: per elementi quadrilaterali di ordine di discretizzazione superiore a uno
  • In 3D: per elementi esaedrici, prismatici e piramidali di ordine di discretizzazione superiore a uno
Modello acustico con una mesh che trarrebbe vantaggio da elementi Serendipity Esempio di una mesh estrusa strutturata che può beneficiare dell'uso di elementi Serendipity al posto degli elementi lagrangiani predefiniti. Questo fa la differenza, dal momento che la mesh estrusa è costituita da prismi. In una simulazione acustica termoviscosa, l'utilizzo di elementi lagrangiani produce 59.955 GDL. Scegliendo elementi Serendipity quadratici per la discretizzazione di velocità e temperatura, si riducono i gradi di libertà a 39.955 (la pressione utilizza sempre una discretizzazione lineare nell'acustica termoviscosa, per questo rimane invariata). Esempio di una mesh estrusa strutturata che può beneficiare dell'uso di elementi Serendipity al posto degli elementi lagrangiani predefiniti. Questo fa la differenza, dal momento che la mesh estrusa è costituita da prismi. In una simulazione acustica termoviscosa, l'utilizzo di elementi lagrangiani produce 59.955 GDL. Scegliendo elementi Serendipity quadratici per la discretizzazione di velocità e temperatura, si riducono i gradi di libertà a 39.955 (la pressione utilizza sempre una discretizzazione lineare nell'acustica termoviscosa, per questo rimane invariata).

Anteprima del piano di valutazione per i grafici del campo lontano e di direttività

È ora possibile utilizzare la funzione Preview Evaluation Plane nei grafici del campo lontano e di direttività. In questo modo si traccia il cerchio (scalato) in cui avviene la valutazione del campo lontano, così come i vettori di direzione normale e di riferimento del piano di valutazione (la direzione che rappresenta 0 gradi nei grafici polari). Questo aiuta enormemente a visualizzare e verificare che la valutazione avvenga nella posizione corretta dopo aver inserito o modificato le impostazioni di valutazione.

Funzionalità Preview Evaluation Plane in un grafico di campo lontano Anteprima del piano di valutazione e direzioni normale e di riferimento del piano stesso per i grafici di campo lontano con le relative impostazioni. Dal modello Loudspeaker Driver in a Vented Enclosure. Anteprima del piano di valutazione e direzioni normale e di riferimento del piano stesso per i grafici di campo lontano con le relative impostazioni. Dal modello Loudspeaker Driver in a Vented Enclosure.

Percorso dell'Application Library con un esempio che illustra l'anteprima di un piano di valutazione:
Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/vented_loudspeaker_enclosure

Calcolo della larghezza del fascio per i grafici di campo lontano 1D

La larghezza del fascio e la larghezza del fascio null-to-null dei percorsi della radiazione nello spazio ora possono essere calcolate automaticamente. La funzione Compute beam width è disponibile quando si traccia la risposta spaziale in un gruppo Polar Plot utilizzando il grafico 1D Far-field.

Analisi modale nella meccanica dei solidi e nell'accoppiamento acustica-struttura

L'analisi modale è stata aggiunta all'interfaccia Solid Mechanics per studiare le onde che si propagano in direzione fuori piano per le strutture 2D, nonché i modi circonferenziali nei modelli assialsimmetrici. L'analisi modale è applicabile anche a problemi accoppiati acustico-strutturali, dove riveste un ruolo particolarmente importante. Questo tipo di analisi è utile per modellare i modi di propagazione in applicazioni come guide d'onda, sistemi di tubazioni e silenziatori.

Interfaccia che mostra un modello con accoppiamento fisico acustica-struttura Modi di propagazione riferiti a un'analisi accoppiata acustico-strutturale nella camera di una marmitta con pareti elastiche sottili. Modi di propagazione riferiti a un'analisi accoppiata acustico-strutturale nella camera di una marmitta con pareti elastiche sottili.

Percorso dell'Application Library con esempi d'uso dell'analisi modale:
Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

Aggiornamento della condizione al contorno Interface Perforated Plate

La condizione al contorno Interior Perforated plate, disponibile nell'interfaccia Pressure Acoustics, Frequency Domain, è stata aggiornata e migliorata. Tale condizione ora comprende modelli di perdita viscosa e termica totale, l'interazione foro-foro mediante la funzione Fok, opzioni per aggiungere effetti di perdita non lineare e una formulazione adatta per piastre sia sottili che spesse. Questa condizione viene solitamente usata per modellare i fori nei silenziatori o in assemblati fonoassorbenti.

Modello di una marmitta con condizione al contorno Interior Perforated Plate

Distribuzione della pressione sonora in una marmitta forata. Le superfici in grigio utilizzano la condizione Interior Perforated Plate e la perdita di trasmissione calcolata nel modello viene confrontata con le misurazioni.

Distribuzione della pressione sonora in una marmitta forata. Le superfici in grigio utilizzano la condizione Interior Perforated Plate e la perdita di trasmissione calcolata nel modello viene confrontata con le misurazioni.


Percorso dell'Application Library con esempi d'uso della condizione al contorno Interior Perforated Plate:
Acoustics_Module/Automotive/perforated_muffler

Sorgente termica per le interfacce Pressure Acoustics

La nuova condizione Heat Source è stata aggiunta alle interfacce Pressure Acoustics. È possibile utilizzare questa funzionalità per rappresentare una sorgente di calore sinusoidale o pulsante che genera onde sonore. Ad esempio, in un'applicazione di combustione la sorgente può rappresentare una fiamma che genera onde acustiche in una camera di combustione oppure, in applicazioni optoacustiche, può riprodurre un fascio laser pulsante.

Miglioramenti del Ray Acoustics in geometrie 2D assialsimmetriche

Quando si calcola l'intensità dei raggi in modelli 2D assialsimmetrici, il fronte d'onda associato al raggio propagante viene ora considerato un'onda sferica o ellissoidale, non più un'onda cilindrica come in precedenza (si trattava solo di una semplificazione adeguata nei veri modelli 2D). In altre parole, il raggio principale della curvatura associata alla direzione azimutale è calcolato per tutti i raggi. Questo miglioramento porta a calcoli più realistici dell'intensità dei raggi in modelli 2D assialsimmetrici. Le applicazioni tipiche riguardano le simulazioni acustiche subacquee, come illustrato nell'immagine.

Inoltre, sono state incluse funzionalità dedicate per rilasciare i raggi da lati, punti o coordinate specifiche lungo l'asse di simmetria. Quando si utilizza una di queste funzionalità dedicate, è disponibile un'opzione integrata per rilasciare i raggi in un emisfero anisotropo, in modo che ciascun raggio sottenda più o meno lo stesso angolo solido in 3D.

Grafico di superficie di un modello Ray Acoustics Un modello di raytrace subacqueo in una geometria 2D assialsimmetrica con mezzi graduati (la velocità del suono dipende dalla profondità) e attenuazione del dominio. I modelli assialsimmetrici sono spesso usati come approssimazioni per applicazioni 3D complete nell'acustica subacquea. Un modello di raytrace subacqueo in una geometria 2D assialsimmetrica con mezzi graduati (la velocità del suono dipende dalla profondità) e attenuazione del dominio. I modelli assialsimmetrici sono spesso usati come approssimazioni per applicazioni 3D complete nell'acustica subacquea.

Link all'Application Library con un esempio d'uso di Ray Acoustics in una geometria 2D assialsimmetrica:
Underwater Ray Tracing Tutorial in a 2D Axisymmetric Geometry

Nuovi modelli di coefficiente di riflessione per l'Acoustics Ray Tracing

La funzione Wall offre ora diversi modelli integrati per calcolare il coefficiente di riflessione alle riflessioni speculari, tra cui i modelli Fluid-fluid interface, Fluid-solid interface e Layered fluid half space. Questi nuovi modelli sono ideali per l'impostazione delle condizioni al contorno nelle applicazioni di tracciamento subacqueo di raggi. Completano il modello Absorber, specified impedance, utilizzato di solito nell'acustica ambientale per modellare i pannelli fonoassorbenti. Sono incluse anche l'attenuazione nel fluido di propagazione e l'attenuazione nei domini, modellate dalle condizioni al contorno, per calcolare il corretto spostamento di fase alle riflessioni. Tutte le condizioni al contorno possono essere estese con l'opzione Surface Roughness utilizzando il modello Rayleigh roughness.

Funzionalità Ray Termination

La nuova funzionalità Ray Termination è utile per neutralizzare i raggi senza doverli fermare in corrispondenza di un contorno. I raggi possono essere interrotti se hanno un'intensità o una potenza inferiore a una soglia specifica o se si allontanano troppo dalla geometria del modello. È possibile utilizzare questa funzionalità per evitare di investire eccessive risorse di calcolo su raggi che si sono attenuati per la presenza di mezzi assorbenti, raggi di intensità estremamente bassa a causa dell'interazione con superfici curve o assorbenti o raggi in fuga dalla geometria.

Strati elastici descritti dai dati di materiale

È ora possibile imporre le proprietà elastiche di una Spring Foundation o di un Thin Elastic Layer a partire dai dati di materiale, come il modulo di Young e il coefficiente di Poisson, e dallo specifico spessore dello strato. Ciò semplifica, ad esempio, la modellazione di strati adesivi con proprietà di materiale note. Quando si utilizzano come input lo spessore e i dati del materiale, tra i risultati sono disponibili anche le deformazioni nello strato elastico.

Nuova formulazione per le deformazioni inelastiche nelle analisi geometricamente non lineari

È stata introdotta una formula più rigorosa di decomposizione in deformazioni elastiche e inelastiche per i modelli che includono la nonlinearità geometrica. Le versioni precedenti di COMSOL® utilizzavano un approccio basato sulla decomposizione additiva, con poche eccezioni, ad esempio per le analisi in grandi deformazioni in campo plastico, che prevedevano, al contrario, la decomposizione moltiplicativa.

La decomposizione moltiplicativa è ora disponibile anche per:

  • Dilatazione termica
  • Dilatazione igroscopica
  • Initial Strain
  • External Strain
  • Viscoplasticità
  • Creep

La decomposizione moltiplicativa del tensore gradiente di deformazione è ora l'opzione predefinita per tutti i contributi inelastici negli studi in cui è attiva la non linearità geometrica. Il vantaggio principale è dato dalla possibilità di gestire diversi contributi di grande deformazione inelastica in un materiale. Inoltre, la linearizzazione risulta più coerente; ad esempio, è possibile prevedere con precisione la variazione delle frequenze proprie del sistema dovuta alla pura dilatazione termica. Per ripristinare il comportamento delle versioni precedenti di COMSOL Multiphysics®, è disponibile la nuova casella di controllo Additive strain decomposition nella finestra impostazioni dei rispettivi modelli di materiale.


Tra i miglioramenti introdotti, l'attributo External Strain sotto i nodi Linear Elastic Material e Nonlinear Elastic Material è stato ampliato con diverse nuove opzioni. Queste opzioni consentono di specificare le deformazioni inelastiche in varie forme; è anche possibile trasferire deformazioni inelastiche da altre interfacce fisiche a questo attributo. Inoltre, è stato aggiunto anche al nodo Hyperelastic Material un attributo External Strain con proprietà simili.

Miglioramenti e correzioni importanti dei bug

  • Diverse condizioni al contorno per le interfacce Pressure Acoustics sono state organizzate in nuovi sottomenu più intuitivi
  • Accelerazione dei calcoli di SPL di campo lontano per i grafici Directivity e Far-field
  • La funzionalità Background acoustic fields è ora disponibile anche nella versione transitoria delle interfacce Linearized Euler e Linearized Navier-Stokes
  • A completamento dell'elenco delle condizioni sui contorni interni sono state aggiunte alle interfacce Pressure Acoustics le condizioni Interior Normal Displacement e Interior Normal Velocity
  • Nelle interfacce Termoviscous Acoustics, Linearized Navier-Stokes e Linearized Euler sono state aggiornate le condizioni in corrispondenza dell'asse di simmetria di modelli 2D assialsimmetrici
  • La formulazione nelle interfacce Termoviscous Acoustics è stata aggiornata per supportare mezzi con proprietà materiali dipendenti dallo spazio
  • L'accoppiamento multifisico Aeroacoustic-Structure Boundary ora accoppia l'interfaccia Linearized Navier-Stokes alle strutture (solidi, shell e membrane) nel dominio del tempo

Nuovo tutorial: Helmholtz Resonator with Flow, Interaction of Flow and Acoustics

I risonatori di Helmholtz vengono utilizzati nei sistemi di scarico, poiché possono attenuare una specifica banda ristretta di frequenze. La presenza di un flusso nel sistema altera le proprietà acustiche del risonatore e la perdita di trasmissione del sottosistema. In questo tutorial, un risonatore di Helmholtz è situato in un ramo laterale rispetto al condotto principale. Oggetto dello studio è la perdita di trasmissione attraverso il condotto principale in presenza di un flusso.

Il flusso medio è calcolato con il modello di turbolenza SST per Ma = 0.05 e Ma = 0.1. Il problema acustico viene quindi risolto utilizzando l'interfaccia Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain (LNS). La velocità media del flusso, la pressione e la viscosità turbolenta sono accoppiate al modello LNS. I risultati vengono confrontati con le misurazioni riportate in letteratura e le ampiezze e le posizioni di risonanza mostrano un buon accordo con i dati sperimentali (come si vede nel grafico 1D). L'equilibrio tra l'attenuazione e gli effetti di flusso deve essere modellato in modo rigoroso perché la posizione di risonanza sia corretta.

Nota: questo modello richiede l'Acoustics Module e il CFD Module.

Modello di un risonatore di Helmholtz con interazione di flusso e acustica. La distribuzione del livello di pressione sonora (davanti), le linee di flusso (al centro) e l'ampiezza della velocità di flusso di background (dietro) in un risonatore di Helmholtz localizzato in un ramo laterale di un condotto principale. La distribuzione del livello di pressione sonora (davanti), le linee di flusso (al centro) e l'ampiezza della velocità di flusso di background (dietro) in un risonatore di Helmholtz localizzato in un ramo laterale di un condotto principale.


Percorso dell'Application Library:
Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

Nuovo tutorial: Ultrasonic Flow Meter with Piezoelectric Transducers, Coupling Between FEM and DG

I flussimetri a ultrasuoni sono utilizzati per determinare la velocità di un fluido che scorre in un tubo e funzionano inviando un segnale a ultrasuoni con un angolo inclinato. In assenza di flusso, il tempo di trasmissione tra il trasmettitore e il ricevitore è identico per i segnali inviati nelle direzioni a monte e a valle. Diversamente, l'onda diretta a valle viaggia più velocemente dell'onda diretta a monte: questo consente di verificare il flusso. In molti casi, si usano i trasduttori piezoelettrici per inviare e ricevere l'onda ultrasonica.

Questo tutorial mostra come simulare un flussimetro a ultrasuoni con trasduttori piezoelettrici nel caso semplificato a flusso nullo. Il metodo agli elementi finiti (FEM) viene utilizzato per modellare i trasduttori piezoelettrici, mentre la modellazione della propagazione dell'onda ultrasonica si basa sul metodo degli elementi discontinui di Galerkin (dG). L'intero modello è suddiviso in due sottomodelli. Un accoppiamento monodirezionale FEM-dG viene utilizzato per inviare l'onda dal trasmettitore e un accoppiamento monodirezionale dG-FEM viene utilizzato per simulare il ricevitore.

Tutorial di un flussimetro realizzato mediante accoppiamento FEM e dG Il segnale acustico generato in un flussimetro da un trasduttore piezoelettrico con un matching layer. Il segnale acustico generato in un flussimetro da un trasduttore piezoelettrico con un matching layer.

Percorso dell'Application Library:
Acoustics_Module/Ultrasound/flow_meter_piezoelectric_transducers

Nuovo tutorial: Gaussian Pulse Absorption by Perfectly Matched Layers; Pressure Acoustics, Transient

Questo tutorial rappresenta un modello benchmark per verificare i PML come condizioni al contorno assorbenti nel dominio del tempo. Si ha la propagazione di un impulso gaussiano transitorio in assenza di flusso. L'interfaccia Pressure Acoustics, Transient viene utilizzata insieme ai PML per ridurre il dominio computazionale e sopprimere le riflessioni dai contorni artificiali. Un impulso acustico viene generato da una distribuzione gaussiana iniziale al centro del dominio computazionale. Per validare la soluzione viene utilizzata la soluzione analitica del problema, con cui si evidenzia un buon accordo.

 
Propagazione dell'impulso di pressione gaussiano e assorbimento nei PML.

Percorso dell'Application Library:
Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_perfectly_matched_layers

Nuovo tutorial: Noise Radiation by a Compound Gear Train

Per i progettisti, prevedere la radiazione acustica di un sistema dinamico significa capire a fondo il comportamento dei meccanismi di movimento sin dalle prime fasi dello sviluppo. Si prenda, ad esempio, una scatola del cambio in cui le variazioni della rigidezza degli ingranaggi inducono vibrazioni. Queste vibrazioni vengono trasmesse alla scatola del cambio attraverso alberi e giunti. L'alloggiamento vibrante trasmette energia al fluido circostante, con conseguente radiazione di onde acustiche.

Questo tutorial simula la radiazione acustica emessa dall'alloggiamento di un treno di ingranaggi. In primo luogo, viene eseguita un'analisi di dinamica multibody nel dominio del tempo per calcolare le vibrazioni dell'alloggiamento corrispondenti a una specifica velocità dell'albero motore. Quindi, viene eseguita un'analisi acustica a una frequenza selezionata, per calcolare i livelli di pressione sonora nei campi vicino, lontano ed esterno utilizzando come sorgente di rumore l'accelerazione normale dell'alloggiamento.

Nota: questo modello richiede anche l'Acoustics Module e lo Structural Mechanics Module.

 
Accelerazione normale sull'alloggiamento del treno di ingranaggi. Nel modello viene anche calcolata la pressione acustica irradiata.

Percorso dell'Application Library:
Acoustics_Module/Vibrations_and_FSI/gear_train_noise

Nuovo tutorial: Eigenmodes in a Muffler with Elastic Walls

Questo tutorial, un'estensione del modello Eigenmodes in a Muffler, risolve un'analisi 2D dei modi di propagazione nella camera di una marmitta con pareti elastiche sottili. Viene mostrato l'utilizzo della nuova funzionalità Mode Analysis per studiare le onde che si propagano in direzione fuori piano in un'analisi accoppiata acustico-strutturale. Tra i risultati si trovano la pressione assoluta e il livello di pressione sonora nella marmitta, lo spostamento e la distribuzione di sforzo nelle pareti elastiche e un grafico 1D della relazione di dispersione.

Tutorial Eigenmodes in a Muffler with Elastic Walls. Visualizzazione della pressione assoluta (grafico d'onda) e della deformazione (grafico arcobaleno) in una marmitta con pareti elastiche. Visualizzazione della pressione assoluta (grafico d'onda) e della deformazione (grafico arcobaleno) in una marmitta con pareti elastiche.

Percorso dell'Application Library:
Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

Nuovo tutorial: Magnetic Circuit Topology Optimization

Questo tutorial offre un esempio di ottimizzazione topologica del circuito magnetico del driver di un altoparlante. Utilizzando l'ottimizzazione topologica, è possibile trovare la forma di un giogo di ferro non lineare per massimizzarne le prestazioni e contemporaneamente ridurne il peso, creando così un oggetto più piccolo dell'originale.

Nota: questo modello richiede l'AC/DC Module e l'Optimization Module.

Plot di superficie del nuovo tutorial Magnetic Circuit Topology Optimization Densità del flusso magnetico nella geometria ottimizzata del circuito magnetico in una simulazione 2D assialsimmetrica. La geometria è molto simile al motore nel tutorial Loudspeaker Driver dell'Acoustics Module. Densità del flusso magnetico nella geometria ottimizzata del circuito magnetico in una simulazione 2D assialsimmetrica. La geometria è molto simile al motore nel tutorial Loudspeaker Driver dell'Acoustics Module.
Grafico della densità del flusso magnetico - tutorial Magnetic Circuit Topology Optimization La densità del flusso magnetico nella geometria ottimizzata del circuito magnetico, risolto con una simulazione 2D assialsimmetrica e rivoluzionato di 225 gradi nello spazio 3D. La densità del flusso magnetico nella geometria ottimizzata del circuito magnetico, risolto con una simulazione 2D assialsimmetrica e rivoluzionato di 225 gradi nello spazio 3D.

Percorso dell'Application Library:
AC/DC_Module/Other_Industrial_Applications/magnetic_circuit_topology_optimization

Nuovo tutorial: Nonlinear Slit Resonator, Coupling Acoustics and CFD

In molte applicazioni, le onde acustiche interagiscono con superfici aventi piccoli fori o fenditure. Ciò può accadere nei silenziatori, nelle strutture di insonorizzazione, nei rivestimenti fonoassorbenti dei motori a reazione o in griglie e grate. A livelli di pressione sonora medio-alti, la velocità locale delle particelle nella stretta regione del foro o della fenditura può essere talmente grande che l'assunzione di acustica lineare viene meno. Di solito, in prossimità di tale regione, ha luogo il regime vorticoso, il che porta a perdite non lineari e, nelle applicazioni audio, a distorsioni non lineari dei segnali sonori. Gli effetti non lineari sono talvolta inclusi mediante parametri semiempirici nei modelli di impedenza di trasferimento analitico delle piastre forate.

In questo tutorial, una fenditura stretta è posta di fronte a un volume risonatore e le perdite sono direttamente modellate. Il modello accoppia la pressione acustica e l'interfaccia Laminar Flow in una simulazione transitoria per modellare le complesse perdite non lineari associate al regime vorticoso. Il campo acustico incidente ha un'ampiezza pari a 155 dB SPL.

Tutorial per l'accoppiamento di acustica e CFD Regime vorticoso in corrispondenza di una stretta fenditura, indotto dalle onde acustiche incidenti ad ampiezza elevata. Regime vorticoso in corrispondenza di una stretta fenditura, indotto dalle onde acustiche incidenti ad ampiezza elevata.

Link all'Application Library:
Nonlinear Slit Resonator: Coupling Acoustics and CFD

Nuovo tutorial: Multilayered Porous Material, Poroelastic Waves with Thermal and Viscous Losses (Biot-Allard Model)

Nelle applicazioni in cui le onde di pressione e le onde elastiche si propagano in materiali porosi saturi d'aria, le perdite termiche e viscose sono importanti. Questo è il caso tipico dei materiali isolanti per le stanze, dei materiali di rivestimento negli abitacoli dei veicoli o delle schiume di espanso usate in cuffie e altoparlanti. Un altro esempio è dato dai materiali porosi usati per le marmitte dal settore automobilistico.

In molti casi, questi materiali possono essere modellati con modelli Poroacoustic (modelli fluidi equivalenti, che risolvono solo la pressione) implementati nell'interfaccia Pressure Acoustics. In un modello semplificato nell'Acoustics Module, l'interfaccia Poroelastic Waves si basa sulla classica teoria di Biot utilizzata nelle scienze della terra. Essa assume che il fluido saturante sia un liquido (acqua) e il modello include solo le perdite viscose. Gli input del materiale sono diversi da quelli forniti generalmente per i materiali insonorizzanti.

Tuttavia un modello Poroacoustic non cattura tutti gli effetti: a volte è necessario includere anche le onde elastiche nella matrice porosa. Per questo si ricorre alla teoria di Biot-Allard per la modellazione di onde poroelastiche. Il modello basato su questo teorema può essere selezionato nell'interfaccia Poroelastic Waves.

Tutorial che mostra un materiale poroso multistrato Deformazione della matrice porosa all'interno di una struttura porosa multistrato. Deformazione della matrice porosa all'interno di una struttura porosa multistrato.

Link all'Application Library:
Multilayered Porous Material, Poroelastic Waves with Thermal and Viscous Losses (Biot-Allard Model)

Nuovo tutorial: Acoustics of a Pipe System with 3D Bend and Junction

Un nuovo tutorial mostra come modellare la propagazione delle onde acustiche in grandi sistemi di tubazioni accoppiando Pipe Acoustics a Pressure Acoustics. Il tutorial è impostato sia nel dominio del tempo sia nel dominio delle frequenze. L'acustica nelle tubazioni 1D è utilizzata per modellare la propagazione nei tratti lunghi e diritti del tubo. Un modello 3D di una giunzione e di un tubo curvo viene accoppiato al modello del tubo 1D per modellare queste parti nei dettagli. Questo tipo di modello può essere utilizzato per simulare e prevedere la risposta di sistemi di tubazioni, ad esempio per rilevare perdite o deformazioni, ed è utile nell'industria petrolifera e del gas o nelle condutture dell'acqua.

Link all'Application Library:
Acoustics of a Pipe System with 3D Bend and Junction

Nuovo tutorial: Topology Optimization of Acoustic Modes in a 2D Room

Questo tutorial spiega l'uso dell'ottimizzazione topologica nell'acustica. L'obiettivo dell'ottimizzazione è trovare la distribuzione ideale di materiale (solido o aria) in un dato dominio di progettazione per ridurre al minimo il livello medio di pressione sonora in una regione obiettivo di una stanza 2D. L'ottimizzazione viene svolta per una sola frequenza.

Tutorial Topology Optimization of Acoustic Modes in a 2D Room Distribuzione ottimizzata dei materiali (scala di grigi) e distribuzione del livello di pressione sonora dopo l'ottimizzazione (scala di colore). Distribuzione ottimizzata dei materiali (scala di grigi) e distribuzione del livello di pressione sonora dopo l'ottimizzazione (scala di colore).

Link all'Application Library:
Topology Optimization of Acoustic Modes in a 2D Room

Nuovo tutorial: Anechoic Coating

I rivestimenti anecoici sono utilizzati per ridurre la visibilità al rilevamento sonar, ad esempio nel caso dei sottomarini. Questo tutorial calcola le proprietà di riflessione, assorbimento e trasmissione di un rivestimento anecoico su una lastra di acciaio. L'impianto considerato è stato presentato in 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.

Screenshot dal nuovo tutorial Anechoic Coating Deformazioni locali nel rivestimento e nella piastra di acciaio. Deformazioni locali nel rivestimento e nella piastra di acciaio.

Link all'Application Library:
Anechoic Coating

Nuovo tutorial: Acoustics of Coupled Rooms Using the Acoustic Diffusion Equation

Questo modello di verifica analizza l'acustica di due ambienti accoppiati utilizzando l'interfaccia Acoustic Diffusion Equation dell'Acoustics Module. I risultati del modello sono in linea con i risultati analitici validati rispetto alle misurazioni in un paper di riferimento.

Modello che utilizza l'interfaccia Acoustic Diffusion Equation nell'Acoustics Module Densità di energia e flusso di energia locale in due ambienti accoppiati acusticamente. Densità di energia e flusso di energia locale in due ambienti accoppiati acusticamente.

Link all'Application Library:
Acoustics of Coupled Rooms Using the Acoustic Diffusion Equation

Strati elastici descritti dai dati di materiale

È ora possibile imporre le proprietà elastiche di una Spring Foundation o di un Thin Elastic Layer a partire dai dati di materiale, come il modulo di Young e il coefficiente di Poisson, e dallo specifico spessore dello strato. Ciò semplifica, ad esempio, la modellazione di strati adesivi con proprietà di materiale note. Quando si utilizzano come input lo spessore e i dati del materiale, tra i risultati sono disponibili anche le deformazioni nello strato elastico.

Nuova formulazione per le deformazioni inelastiche nelle analisi geometricamente non lineari

È stata introdotta una formula più rigorosa di decomposizione in deformazioni elastiche e inelastiche per i modelli che includono la nonlinearità geometrica. Le versioni precedenti di COMSOL® utilizzavano un approccio basato sulla decomposizione additiva, con poche eccezioni, ad esempio per le analisi in grandi deformazioni in campo plastico, che prevedevano, al contrario, la decomposizione moltiplicativa.

La decomposizione moltiplicativa è ora disponibile anche per:

  • Dilatazione termica
  • Dilatazione igroscopica
  • Initial Strain
  • External Strain
  • Viscoplasticità
  • Creep

La decomposizione moltiplicativa del tensore gradiente di deformazione è ora l'opzione predefinita per tutti i contributi inelastici negli studi in cui è attiva la non linearità geometrica. Il vantaggio principale è dato dalla possibilità di gestire diversi contributi di grande deformazione inelastica in un materiale. Inoltre, la linearizzazione risulta più coerente; ad esempio, è possibile prevedere con precisione la variazione delle frequenze proprie del sistema dovuta alla pura dilatazione termica. Per ripristinare il comportamento delle versioni precedenti di COMSOL Multiphysics®, è disponibile la nuova casella di controllo Additive strain decomposition nella finestra impostazioni dei rispettivi modelli di materiale.


Tra i miglioramenti introdotti, l'attributo External Strain sotto i nodi Linear Elastic Material e Nonlinear Elastic Material è stato ampliato con diverse nuove opzioni. Queste opzioni consentono di specificare le deformazioni inelastiche in varie forme; è anche possibile trasferire deformazioni inelastiche da altre interfacce fisiche a questo attributo. Inoltre, è stato aggiunto anche al nodo Hyperelastic Material un attributo External Strain con proprietà simili.



Intel e Intel Core sono marchi di Intel Corporation o delle sue consociate negli Stati Uniti e/o in altri paesi.