COMSOL Multiphysics® 5.4 发布亮点

声学模块更新

COMSOL Multiphysics^®5.4 版本为“声学模块”的用户引入了压力声学的端口边界条件、非线性声学 Westervelt 模型以及大气模型和衰减模型。请阅读下文，进一步了解“声学模块”的这些更新及其他新增功能。

压力声学中的端口

新增的端口边界条件用于激励和吸收传入或离开波导结构（如导管和通道）的声波，您可以在压力声学，频域接口中使用该条件。不仅如此，您还可以在同一边界上结合使用多个端口条件，为波导入口/出口提供完整的声学描述。通过在研究的频率范围内包含所有相关的传播模，端口条件可以为波导提供近乎完美的非反射辐射条件。这在本质上表示解的多模扩展。在许多情况下，与平面波辐射条件或完美匹配层 (PML) 构型相比，新的端口条件更易用，求解精度也显著提升。端口条件支持自动的 S 参数（散射参数）计算，并具有内置后处理变量，可轻松地计算传输损耗 (TL) 或插入损耗 (IL)。端口条件还可用作具有特定模式的系统的激励源。

以下模型使用了这一功能：

• duct_right_angled_bend
• absorptive_muffler
• perforated_muffler

非线性声学 Westervelt 模型

在高声压级下，压力波的传播不能再由线性声波方程描述；需要求解非线性全二阶波动方程。当累积非线性效应在局部非线性效应中占主导（例如，传播距离大于波长）时，可以简化此方程。这通过压力声学，时域接口中新增的非线性声学 (Westervelt)特征捕捉。此特征可用于模拟时域高振幅声学问题，使用某些换能器、声学喇叭和超声波时会遇到这种声学问题。新功能还包括激波捕捉稳定性和专门的求解器处理。

以下模型使用了这一功能：

• nonlinear_acoustics_westervelt_1d
• acoustic_horn_nonlinear_54

大气和海洋衰减材料模型

现在，频域压力声学接口和射线声学接口中包含两个新的衰减材料模型，一个用于大气，另一个用于海水。这两个模型都是半解析模型，利用大量的测量数据进行校准。其中包含各种分子的粘度、热传导和松弛过程产生的影响。大气衰减模型定义了遵循 ANSI 标准 S1.26-2014 的衰减，与大气压（绝对压力）、温度和相对湿度相关。海洋衰减模型与温度、盐度、深度和 pH 值相关，目前没有既定的标准。空气和水中的衰减效应对于远距离传播和高频过程都很重要，在可模拟远距离传播的射线追踪仿真中尤为如此。二维轴对称几何中的水下射线追踪教程模型中使用了这一功能。

外场计算

新增的外场计算特征是对之前可用的远场计算特征的更新。远场计算特征支持计算远场（距离大于瑞利半径）中的辐射场，还支持计算域外任意点处的辐射场。事实上，典型用途并不是仅用于远场计算。新特征的使用方式与之前版本相同，但特征名称和用户界面均已更新，包含新的默认设置，可以更好地反映其用途。此外，现在可在建立模型时将对称平面可视化，生成的默认绘图已更新为使用新功能和默认设置。

以下模型使用了这一更新功能：

• vented_loudspeaker_enclosure
• loudspeaker_driver
• lumped_loudspeaker_driver
• tonpilz_transducer
• piezoacoustic_transducer
• acoustic_scattering

压力声学，时域各接口的外场计算

当结合时域到频域 FFT研究步骤时，外场计算特征现在可用于所有瞬态压力声学接口。仅当瞬态仿真数据通过时域到频域 FFT研究步骤变换到频域后，该特征才生成可用于结果的变量和默认绘图。喇叭的声学分析：基于 Westervelt 模型分析非线性声波传输教学案例演示了这一功能。

附加的边界元功能

新版本实现了混合 BEM-FEM 模型的改进求解器策略，大多数模型的求解速度得到明显提升，在含大量有限元自由度的模型中提升最为显著。压力声学，边界元接口的功能已扩展，包含之前仅在相应的基于有限元的接口中可用的功能：

• 与热黏性声学和多孔弹性波接口的多物理场耦合
• 内部速度和内部位移边界条件
• 阻抗条件中的所有阻抗模型（如RCL 电路和生理学等）

线性纳维-斯托克斯和热粘性声学的绝热公式选项

线性纳维-斯托克斯和热粘性声学物理场接口现在包含一个对控制方程使用绝热公式的选项。对于热效应小于粘性效应的大多数液体（如水）来说，此公式是一个很好的近似法。当物理上有效时，使用新选项的另一个好处是可以降低模型的计算成本。这是因为不再需要求解温度自由度 (DOF)，而是直接求解压力（绝热）。

以下模型使用了此特征：

• vibrating_particle_water
• coriolis_flow_meter_54

用于线性纳维-斯托克斯接口的梯度项抑制 (GTS) 稳定方法

线性纳维-斯托克斯物理场接口现在包含可使用梯度项抑制稳定方法的选项。在求解线性纳维-斯托克斯方程时，会产生线性物理不稳定波，称为 Kelvin-Helmholtz 不稳定性。随着时间的推移或使用迭代求解器求解系统时，不稳定性会增加，其原因通常是控制方程中的反应项不稳定所致。在有些问题中，通过取消涉及平均流物理量梯度的项，可以限制不稳定性的增长，同时保留声学解，这就是所谓的梯度项抑制稳定方法，其中可取消的项分为反应项和对流项。

新增和更新的默认绘图

默认绘图包含多项更新。现在，所有物理场接口中的配色方案一致。例如，Wave颜色表包含一个对称范围来表示声压，ThermalEquidistant则表示热粘性声学中的声学温度变化。执行特征频率分析时，默认情况下会添加新的计算组，其中包含有关特征频率、阻尼比和品质因子的信息。外场的默认绘图已更新，现在可使用新功能和默认设置。

以下模型使用了这一新功能：

• piezoacoustic_transducer
• transfer_impedance_perforate

用于背景场和入射场的调制高斯脉冲选项

瞬态压力声学接口新增了一个选项，用于将调制高斯脉冲定义为背景声场或入射声场。例如，在对时域中的散射问题建模时，此选项非常有用。在这种情况下，调制高斯脉冲可以调谐为具有以载波频率为中心的带限频率组成。

空气和水材料属性中新增与声学相关的物理量

内置材料部分的Air和Water, liquid材料已更新，包含可用于简化声学问题建模的材料数据。新版本针对这两种材料添加了本体粘度值和热膨胀系数，还为水添加了比热率的温度相关表达式。如果需要利用新增的及更新的材料数据，在打开现有模型时，先删除该材料，然后从添加材料窗口中再次添加。

以下模型使用了这一功能：

• bk_4134_microphone
• transfer_impedance_perforate
• vibrating_particle_water

射线声学接口更新

射线声学接口改进了计算吸收和衰减介质强度的方法，因而可以计算未划分网格的射线追踪模型中的域衰减以及几何结构外部空域中的域衰减。强度计算的整体精度也得到了提高。此接口引入了新的外部未划分网格域的材料属性栏，其中包含衰减系数的输入框，以及声速和密度输入。为保持一致性，壁条件上的瑞利粗糙度模型特性也得到改进。射线声学接口还新增了一个强度计算选项，即计算功率，与计算强度和功率选项相比，前者使用的自由度更少，但仍能计算边界上的声压级并绘制脉冲响应。但是，为了绘制沿射线的强度或声压级，您仍然必须选择计算强度或计算强度和功率。

以下模型使用了这一新功能：

• small_concert_hall
• underwater_ray_2Daxi_54

重要的功能增强和 Bug 修复

通用功能增强

• 使用栅格数据集的预览绘图时，现在可以看到基础几何结构，对于引用栅格数据集的截点、截线和截面，预览绘图中也显示基础几何结构
• 极坐标图现已改进对轴方向和范围的控制
• 现在，使用辐射方向图、栅格数据集或参数化曲线/表面数据集计算外部已划分网格的域时，总是使用空间坐标系
• 线性纳维-斯托克斯接口提供用于密度表示的理想气体选项
• 线性纳维-斯托克斯和热粘性声学接口提供用于定义可压缩性和热膨胀的来自声速选项
• 改善了背景流梯度较大的情况下线性纳维-斯托克斯接口的稳定性
• 在大多数物理场接口中，周期性条件现在包含一个用户定义的选项来控制要耦合哪些场分量

后处理功能增强

• 现在，在压力声学，频域接口中的指定加速度、速度和位移边界上定义阻抗变量
• 热粘性声学，边界模式接口中的集总特性阻抗现在有一个预定义变量
• 在阻抗边界条件下，为法向入射吸收 (acpr.imp1.alpha\_n) 和随机入射吸收 (acpr.imp1.alpha\_ran) 定义后处理变量

求解器功能增强

• 迭代求解器建议现在可用于有关热粘性声学的特征频率问题
• 聚集选项现在用于基于域分解的预条件器的所有求解器建议；此方法已完全并行化
• 现在，在基于有限元法和边界元法的接口中使用实体-壳多物理场耦合及压力声学时，会产生迭代求解器建议

新增和更新的教学案例和 App

COMSOL Multiphysics^®5.4 版本新增和更新了多个教学案例和 App。