Acoustics Module

Software para Análise de Acústica e Vibrações

Acoustics Module

Simulação de acústica no interior de um sedã, incluindo fontes sonoras no local dos alto-falantes.

Levando Análises de Acústica e Vibrações a um Novo Patamar

O Acoustics Module é projetado especificamente para quem trabalha com dispositivos que produzem, medem e utilizam ondas acústicas. As áreas de aplicação incluem alto-falantes, microfones, aparelhos de surdez e dispositivos sonares, para citar algumas. O controle do ruído também pode ser visado em aplicações na concepção de silenciadores, barreiras de som e acústica de construções e salas.

Veja com Outros Olhos seus Produtos Existentes e Novos

Interfaces de usuário simples e fáceis de usar disponibilizam ferramentas para modelar a propagação de ondas de pressão acústica no ar, na água e em outros fluidos. Ferramentas de modelagem dedicadas para termoacústica permitem a simulação altamente precisa de alto-falantes miniaturizados e microfones em dispositivos portáteis. Também é possível modelar vibrações e ondas elásticas em sólidos, materiais piezoelétricos e estruturas poroelásticas.

Interfaces multifísicas para acoplamentos acústica-sólido, acústica-casca e piezo-acústica levam as simulações acústicas a um novo nível de capacidade preditiva. Problemas de aeroacústica podem ser modelados usando uma das várias abordagens que fazem uso de equações linearizadas. Problemas de acústica de sala, ou de ambientes externos, podem ser modelados usando métodos de rastreamento de raios ou de difusão acústica.

Usando simulações realistas em 1D, 2D ou 3D, você pode otimizar produtos existentes e projetar novos produtos com mais rapidez. As simulações também ajudam projetistas, pesquisadores e engenheiros a verem com outros olhos problemas difíceis de trabalhar experimentalmente. Ao testar um projeto antes de fabricá-lo, as empresas também economizam tempo e dinheiro.

Imagens adicionais:

  • Distribuição do nível de pressão sonora em um sistema de silenciador. Distribuição do nível de pressão sonora em um sistema de silenciador.
  • 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.
  • O piezotransdutor tonpilz (cogumelo sonoro) é um transdutor para emissão de som em frequência relativamente baixa e alta potência. O transdutor consiste em anéis piezocerâmicos empilhados entre extremidades maciças e pré-tensionados por um parafuso central. A massa da cauda e da cabeça diminui a frequência de ressonância do dispositivo. O piezotransdutor tonpilz (cogumelo sonoro) é um transdutor para emissão de som em frequência relativamente baixa e alta potência. O transdutor consiste em anéis piezocerâmicos empilhados entre extremidades maciças e pré-tensionados por um parafuso central. A massa da cauda e da cabeça diminui a frequência de ressonância do dispositivo.
  • Ondas poroelásticas e acústicas em um sistema de filtro de particulados conceitual. Filtros de particulados de diesel (DPFs) são projetados para remover/filtrar fuligem (partículas de diesel) do escapamento de veículos com motor a diesel. Embora a principal função de um filtro de particulados seja filtrar o fluxo do escapamento, ele também possui propriedades de amortecimento acústico relacionadas ao sistema de silenciador. Ondas poroelásticas e acústicas em um sistema de filtro de particulados conceitual. Filtros de particulados de diesel (DPFs) são projetados para remover/filtrar fuligem (partículas de diesel) do escapamento de veículos com motor a diesel. Embora a principal função de um filtro de particulados seja filtrar o fluxo do escapamento, ele também possui propriedades de amortecimento acústico relacionadas ao sistema de silenciador.
  • Este é um modelo do microfone capacitivo Brüel & Kjær 4134. Os parâmetros de geometria e material são os do microfone verdadeiro. O nível de sensibilidade modelado é comparado a medidas realizadas em um microfone real e demonstra boa validação. A deformação da membrana, a pressão, a velocidade e o campo elétrico também são determinados. Modelo cedido pela Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement, Nærum, Dinamarca.

    Este é um modelo do microfone capacitivo Brüel & Kjær 4134. Os parâmetros de geometria e material são os do microfone verdadeiro. O nível de sensibilidade modelado é comparado a medidas realizadas em um microfone real e demonstra boa validação. A deformação da membrana, a pressão, a velocidade e o campo elétrico também são determinados. Modelo cedido pela Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement, Nærum, Dinamarca.

  • A ilustração mostra isosuperfícies de pressão acústica dentro de um carro. O LiveLink™ for Inventor® permite que os usuários acessem as funcionalidades do COMSOL diretamente de dentro da interface do usuário do Inventor® , inclusive a do Acoustics Module. A ilustração mostra isosuperfícies de pressão acústica dentro de um carro. O LiveLink for Inventor® permite que os usuários acessem as funcionalidades do COMSOL diretamente de dentro da interface do usuário do Inventor® , inclusive a do Acoustics Module.

Para Modelar uma Variedade de Diferentes Aplicações Acústicas

O Acoustics Module consiste em um conjunto de interfaces físicas – interfaces do usuário com ferramentas de modelagem e simulação associadas – que permitem simular a propagação do som em fluidos e sólidos. Dentro do Acoustics Module, estas são organizadas em acústica de pressão, interação acústica-estrutura, aeroacústica, termoacústica e acústica geométrica.

As simulações acústicas realizadas com interfaces físicas para acústica de pressão podem modelar com facilidade problemas clássicos como dispersão, difração, emissão, radiação e transmissão sonora. Esses problemas são relevantes para a concepção de silenciadores; construção de alto-falantes; isolamento sonoro para absorvedores e difusores; avaliação de padrões acústicos direcionais, como diretividade; problemas de radiação de ruído; e muito mais.

As interfaces físicas para interação acústica-estrutura podem modelar problemas envolvendo ondas elásticas de estrutura e som transportado por fluido e sua interação. Por exemplo, a interação acústica-estrutura é usada em concepções detalhadas de silenciadores, piezoatuadores de ultrassom, tecnologia de sonares e análise de ruídos e vibração em maquinário. Os recursos do COMSOL Multiphysics permitem analisar e projetar transdutores eletroacústicos, incluindo alto-falantes, sensores, microfones e receptores.

As interfaces físicas para aeroacústica são usadas para modelar a interação unidirecional entre um escoamento externo e um campo acústico, ou seja, ruído propagado via fluido. As aplicações vão desde a análise de ruído de motores a jato à simulação de sensores eólicos.

As interfaces físicas para acústica geométrica incluem interfaces de equações para Ray tracing e Difusão acústica. Ambas interfaces são aplicáveis na modelagem acústica de salas e de construções. A interface Ray tracing também é usada, por exemplo, em acústica oceânica e acústica atmosférica.

As aplicações termoacústicas são modeladas precisamente usando as interfaces físicas disponibilizadas. Estas aplicações, que incluem pequenas dimensões geométricas e onde propriedades térmicas precisam ser consideradas, são relevantes no projeto de telefones celulares, dispositivos de auxílio a audição, dispositivos MEMS e transdutores.

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.

Fluxo de Trabalho Consistente

O Acoustics Module utiliza o mesmo fluxo de trabalho que qualquer outro módulo complementar da Linha de Produtos COMSOL®. Todas as etapas de modelagem são acessadas do COMSOL Desktop® e incluem definição da geometria, seleção dos materiais, seleção de uma interface física adequada, definição das condições de contorno e iniciais, geração automática da malha de elementos finitos, solução e visualização dos resultados. As simulações do Acoustics Module podem ser acopladas a qualquer outro produto complementar do COMSOL Multiphysics®, praticamente de qualquer maneira imaginável, através de um conjunto de acoplamentos predefinidos, como o Structural Mechanics Module para interação acústica-casca ou por acoplamentos definidos pelo usuário. O Optimization Module pode ser combinado com o Acoustics Module para otimizar as dimensões geométricas, a transmissão acústica e mais.

Conectando o Acoustics Module a CAD, MATLAB® e Excel®

Para tarefas de modelagem repetitivas, o LiveLink for MATLAB® possibilita comandar simulações COMSOL® através de scripts ou funções MATLAB®. Qualquer operação disponível no COMSOL Desktop® pode ser acessada, como alternativa, por comandos MATLAB® . Também pode-se mesclar comandos COMSOL® no ambiente MATLAB® com códigos MATLAB® existentes.

Para simulações acústicas controladas a partir de planilhas, o LiveLink for Excel® oferece uma alternativa conveniente para modelar a partir do COMSOL Desktop® com sincronização de dados de planilha com parâmetros definidos no ambiente COMSOL®. O CAD Import Module e os produtos LiveLink orientados a sistemas CAD facilitam a realização de simulações acústicas usando modelos CAD. Os produtos LiveLink possibilitam manter o Modelo CAD paramétrico intacto em seu ambiente nativo, mas ainda assim controlar as dimensões geométricas dentro do COMSOL Multiphysics®. Conectar seus modelos acústicos a produtos CAD permite realizar simultaneamente varreduras paramétricas sobre vários parâmetros do modelo.

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Modelagem Acústica Flexível e Robusta

As equações do Acoustics Module são solucionadas usando o método dos elementos finitos com discretização de elementos de maior ordem junto com solvers de última geração. As diferentes formulações cobrem tanto simulações no domínio da frequência quanto simulações no domínio do tempo. Os resultados são apresentados na janela gráfica por meio de gráficos predefinidos de campos acústicos e de deslocamento, níveis de pressão sonora, tensões e deformações, ou como expressões de quantidades físicas definidas livremente pelo usuário, bem como quantidades tabeladas derivadas.

Simulações Incluindo Perdas Acústicas

O Acoustics Module vem com uma Biblioteca de Modelos abrangente com muitos exemplos de aplicações que vão desde modelar materiais com isolamento sonoro, alto-falantes, microfones e silenciadores. Muitos desses exemplos demonstram como simular perdas acústicas. Os modelos de perda do Acoustics Module vão desde modelos de fluido equivalente empíricos para materiais fibrosos, solucionando a teoria de Biot na interface de Ondas Poroelásticas, a um modelo de perda térmica e viscosa totalmente desenvolvido usando a interface Termoacústica.

Interfaces Físicas Fáceis de Usar para Análise Acústica

Acústica de Pressão

As interfaces físicas de Acústica de Pressão descrevem e solucionam o campo sonoro através de um campo de pressão acústica escalar, o qual representa as variações acústicas (ou excessos de pressão) em relação à pressão ambiente estacionária. Elas possibilitam resolver tanto no domínio da frequência, onde a equação de Helmholtz é resolvida, como um sistema transiente, onde a equação escalar clássica para ondas é resolvida. Um interface física especial para a acústica de modo de contorno é usada para estudar modos de propagação em guias de onda e dutos e baseia-se no fato de que somente um conjunto finito de formatos, ou modos, pode se propagar por distâncias mais longas.

Uma grande variedade de condições de contorno é disponibilizada, incluindo paredes rígidas e condições de impedância, radiação, simetria e condições periódicas para modelar contornos abertos, bem como condições para aplicação de fontes sonoras. As interfaces também possuem vários modelos de fluido equivalente, que reproduzem o comportamento da propagação sonora em meios mais complexos, como materiais porosos, materiais fibrosos, além de fluidos viscosos e condutores de calor. Camadas perfeitamente compatibilizadas (PMLs) também estão à disposição para truncar o domínio computacional absorvendo ondas acústicas de saída, reproduzindo assim um domínio infinitamente estendido. Por fim, um recurso de campo distante pode ser usado para determinar a pressão fora do domínio computacional. Resultados e recursos de análise dedicados estão à disposição para visualizar o campo distante com gráficos polares em 2D e 3D.

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Interação Acústica-Estrutura

De um lado do contorno fluido-sólido, as interfaces de Interação Acústica-Estrutura tratam a pressão fluida que atua sobre o domínio sólido e, do outro, a aceleração estrutural atua sobre o domínio fluido. As interfaces cobrem interações acústica-sólido, acústica-carcaça, e interações acústica-piezelétrica – todas dentro dos domínios da frequência e do tempo e em modelos de geometria 3D, 2D e 2D axissimétrica. As interfaces que envolvem carcaças estruturais são disponibilizadas combinando o Acoustics Module com o Structural Mechanics Module, onde também é possível acessar mais recursos avançados de modelagem estrutural. A interface Acoustic-Piezoelectric Interaction não só simula a interação acústica-estrutura com grande precisão, mas também suporta solucionar e modelar o campo elétrico no material piezelétrico. Quando combinada com o AC/DC Module ou com o MEMS Module, também é possível combinar simulações piezelétricas com circuitos SPICE. Esse recurso é excelente, por exemplo, ao usar modelos discretos para descrever certas partes de um transdutor enquanto usa-se a descrição de elementos finitos completa para o restante. Os modelos são totalmente acoplados.

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As interfaces de Acústica em Tubos (disponíveis junto com o Pipe Flow Module) são usadas para a modelagem 1D da propagação de ondas sonoras em sistemas de tubulação flexíveis. As equações são formuladas de maneira ampla para incluir os efeitos de complacência da parede da tubulação com a possibilidade de um fluxo em segundo plano estacionário. A interface Elastic Waves é uma formulação estrutural-dinâmica completa que inclui todos os efeitos de ondas de cisalhamento e ondas de pressão. A interface Poroelastic Waves modela com precisão a propagação do som em um material poroso, incluindo acoplamento bidirecional entre deformação da matriz sólida e ondas de pressão no fluido de saturação usando a teoria de Biot.

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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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Aeroacústica

O acoplamento unidirecional de um escoamento de fundo com um campo acústico (chamado de "fluid-borne noise") é modelado acoplando os fenômenos de mecânica dos fluidos e acústica baseados na formulação potencial das equações de acústica e escoamento. As interfaces "Aeroacoustics" modelam a interação entre um escoamento estático e um campo acústico tanto no domínio do tempo quanto no da frequência. As interfaces "Compressible Potential Flow" modelam um escoamento compressível e invíscido, o que o torna irrotacional. A interface "Aeroacoustic with Flow" modela o acoplamento entre os problemas de acústica e escoamento potencial nos domínios do tempo e da frequência. A interface "Boundary Mode Aeroacoustics" é utilizada para estudar modos de propagação acústica na presença de um escoamento.

A ferramenta principal no Acoustics Module para som propagado pelo ar é o conjunto de interfaces físicas Linearized Euler. Elas são utilizadas para calcular as variações acústicas na pressão, velocidade e densidade para um escoamento de fundo pré-definido. Elas resolvem as equações de Euler linearizadas, incluindo a equação de energia, com as hipóteses de que o escoamento de fundo é de um gás ideal (ou bem aproximado por um gás ideal) e não existem perdas térmicas ou viscosas. As interfaces físicas Linearized Euler estão disponíveis no domínio do tempo, domínio da frequência e para estudos modais. Exemplos de aplicação para aeroacústica usando as equações de Euler Linearizadas inclui análise de propagação de ruído de motores a jato, modelamento das propriedades de atenuação de ruído de silenciosos na presença de escoamento não-isotérmico, e estudo de fluxômetros. Todas são situações onde o escoamento de fundo de um gás afeta a propagação de ondas acústicas em um fluido.

Para interações simplificadas de uma via, as interfaces Linearized Potential Flow, estão disponíveis no domínio da frequência e do tempo e utilizam formulações baseadas em potencial. Além disso, a interface Compressible Potential Flow é usada para modelar o escoamento de fundo de um fluido compressível invíscido, sem vórtices, já que é irrotacional por natureza. Finalmente, a interface Boundary Mode Aeroacoustics é utilizada para se estudar modos de propagação acústica em um campo de escoamento de fundo, tipicamente utilizado para se definir fontes em regiões de entrada.

Termoacústica

O Acoustics Module oferece recursos de modelagem de última geração para termoacústica (também chamada de acústica viscotérmica ou termoviscosa), o que é fundamental para uma simulação precisa da acústica em geometrias com dimensões pequenas. Próximo a paredes, a viscosidade e condução térmica tornam-se importantes visto que é criada uma camada limite viscosa e térmica, resultando em perdas significativas. Isso torna necessário incluir efeitos de condução térmica e perdas viscosas explicitamente nas equações. As interfaces físicas para termoacústica são usadas para solucionar o conjunto completo de equações linearizadas de fluxo compressível, ou seja, as equações linearizadas de Navier-Stokes, continuidade e energia todas juntas. Como uma descrição detalhada é necessária para modelar a termoacústica, todas as interfaces físicas solucionam simultaneamente a pressão acústica, o vetor de velocidade das partículas e a variação da temperatura acústica.

Na interface física Thermoacoustics, as equações governantes são implementadas harmonicamente e solucionadas no domínio de frequência. Ambas as condições de contorno mecânica e térmica são disponibilizadas. Acoplar o domínio termoacústico a um domínio acústico de pressão também é simples e fácil com uma condição de contorno predefinida. A interface Thermoacoustic-Solid Interaction é disponibilizada e facilita solucionar acoplamentos vibroacústicos. Pode-se, por exemplo, usá-la para modelar pequenos transdutores eletroacústicos ou amortecimento em dispositivos MEMs. Condições de contorno predefinidas existem entre domínios sólidos e fluidos. A interface Thermoacoustic-Shell Interaction é usada para modelar a interação entre carcaças e acústica em pequenas dimensões. Isso é usado para analisar as vibrações amortecidas de carcaças em aparelhos de surdez e impedir problemas de feedback.

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