COMSOL Multiphysics^®6.2 发布亮点

声学模块更新

COMSOL Multiphysics^®6.2 版本为“声学模块”的用户引入了新的用于时域压力声学分析的频率相关阻抗条件；在多孔弹性波接口中新增了一个各向异性材料模型，并引入了一个提高基于线性势流的气动声学仿真性能的端口边界条件。请阅读以下内容，进一步了解这些更新及其他新增功能。

时域中的频率相关阻抗条件

压力声学，瞬态接口和压力声学，时域显式接口新增了在时域中指定和设置频率相关阻抗条件的功能，可对频域数据进行有理近似，得到在时域中求解的常微分方程组（傅里叶逆变换的记忆方程）。此外，还新增了一个拟合或插值函数，用于执行从频域到时域的数据变换，其中的拟合依赖于自适应 Antoulas–Anderson (AAA) 算法的变体。您可以在更新的基于波的时域室内声学（具有频率相关阻抗）教学案例中查看这一新功能的应用演示。

现在可以使用压力声学，瞬态和压力声学，时域显式接口中的阻抗边界条件来模拟真实的面属性，例如吸声板或具有频率相关吸声属性的任何其他表面的面属性。有两个新选项可供选择：串联耦合 RCL和一般局部反应（有理近似），后者依赖于表面阻抗数据的特殊变换，可通过新的部分分式拟合函数来实现。在时域中进行基于波的真实室内声学仿真等建模时，这一新功能至关重要。

部分分式拟合函数可将频域数据变换为适合时域分析的形式，可对频域响应进行有理近似，从而可以用解析的方式来计算傅里叶逆变换，并在此基础上获得时域脉冲响应函数。拟合算法可用于任何数据，对于声学仿真中的表面阻抗数据尤为重要和实用。

“多孔弹性波”接口中的各向异性多孔弹性材料模型

多孔弹性波接口已得到扩展，新增一个各向异性多孔弹性材料模型。纤维材料等多种多孔材料都具有各向异性属性，现在可以为弹性基体材料属性以及相关的多孔介质声学属性（即流阻率、曲折因子和黏滞特征长度）定义各向异性属性。您可以在新的横向各向同性多孔层教学案例中查看这个材料模型的应用演示。

重构的“多孔弹性波”接口

新版本对多孔弹性波接口进行了重构，以改善用户体验。适用于多孔弹性基体和饱和流体的特征现在位于不同的菜单中。此外，这些特征还可应用于同一边界，以定义多种混合条件。以下教学案例演示了这一更新功能的应用：

• transverse_isotropic_porous_layer
• reflections_water_sediment
• acoustics_particulate_filter

线性势流的端口条件

线性势流接口新增了一个端口边界条件，用于激发和吸收进入或离开波导结构（例如涡轮风扇管道或其他通道结构）的特定声学模式，此功能适用于基于线性势流公式的对流声学仿真。为了提供完整的声学描述，应在同一边界上应用多个端口条件，以便对噪声源进行模式分解。在所研究的频率范围内，可以考虑所有相关的传播模式，然后使用线性势流，边界模式接口来分析和识别传播模式和非传播模式。您可以在流管教学案例中查看这一新特征的应用演示。

“线性势流，边界模式”接口中的阻抗条件

在新版本中，计算传播和非传播模式时，可以将阻抗边界条件添加到线性势流，边界模式接口。在线性波导构型中激励具有真实出射和入射模式的波导系统时，将该条件与线性势流，频域接口中的端口边界条件相结合非常有用。

热黏性声学接口中用于非理想壁条件建模的“滑移壁”特征

只要克努森数在 0.001 到 0.1 之间，就可以在热黏性声学接口中使用新的滑移壁边界条件对滑移流态中的有效非理想壁条件进行建模。此条件适用于几何尺寸非常小或在极低环境压力下运行的系统，在对 MEMS 换能器和其他微型器件进行建模仿真时非常实用，如带滑移壁的 MEMS 麦克风教学案例中所示。如需对内部边界上的滑移壁进行分析，可采用内部滑移壁条件。您可以在微孔板在滑移流状态下的黏滞阻尼教学案例中查看新的滑移壁特征的应用演示。

热黏性声学接口中的“表面张力”特征

热黏性声学，频域接口中新增了一个表面张力特征，为包括表面张力效应在内的两种流体之间的界面建模添加了必要的内部条件。杨-拉普拉斯方程的这个声学（扰动）公式依赖于围绕流体-流体界面静态形状周围的线性化，在对两种不同的不混溶流体（如微气泡或微滴）之间的小而弯曲的界面进行建模时，例如在喷墨打印机应用中，此特征非常重要。您可以在新的气泡在表面张力作用下的特征模态教学案例中查看此特征的应用演示。

“热黏性声学，频域”中的阻抗新增 RCL 选项

热黏性声学，频域接口的阻抗边界条件新增了RCL选项，适用于使用集总表示法来模拟声场与简单弹簧-质量-阻尼系统之间的相互作用。例如，您可以采用麦克风柔性膜的集总表示法，通过麦克风模型模拟声-结构相互作用。

“压力声学，频域”中的火焰模型

压力声学，频域接口中新增的火焰模型特征可用于通过火焰模型定义热源，通常用于燃烧装置的稳定性分析。热源取决于声场，并根据 n-tau 模型定义。在内燃机中，热量释放取决于新鲜燃料供应的声振荡，而声振荡又受到热量释放的影响，可能会导致声学模式变得不稳定或受阻。您可以在新的燃烧火焰验证教学案例中查看这一特征的应用演示。

新的和改进的多物理场耦合及功能

声学 FEM-BEM 边界耦合和声-结构边界耦合现已包含添加子特征的选项，“声学模块”还新增了两个多物理场耦合，以简化建模工作流程。

用于装配的“声-热黏性声学边界”多物理场耦合

新版本新增了之前已经可用的声-热黏性声学边界耦合的边界对版本，适用于为含非共形网格的装配建模。

新的“热黏性声-热扰动边界”多物理场耦合

新版本新增了热黏性声-热扰动边界多物理场耦合，可将流体中的声学温度变化与固体中的温度波动相耦合，实现热黏性声学，频域接口或热黏性声学，瞬态接口与固体传热接口之间的相互作用。新增的耦合对于热声发动机和热泵的高级声学仿真非常有用，您可以在更新的热声发动机和热泵教学案例中查看此功能的应用演示。

“声学 FEM–BEM 边界”多物理场耦合的内部阻抗

在新版本中，使用声学 FEM-BEM 边界多物理场耦合将基于有限元法 (FEM) 和边界元法 (BEM) 的压力声学模型进行耦合时，可以在两个域之间添加阻抗子特征，扩展了混合 FEM-BEM 建模策略的使用范围，对大型声学问题非常有用。

“声-结构边界”多物理场耦合的“热黏性边界层阻抗”

在新版本中，使用声-结构边界多物理场耦合将振动结构耦合到声学域时，可以在多物理场耦合中添加热黏性边界层阻抗子特征，简化了大型振动声学模型的设置，其中热黏性损耗已纳入热黏性边界层阻抗的均匀边界条件公式中。此功能对于加快某些形状优化问题的处理速度或更快地进行近似仿真也非常重要。您可以在压电 MEMS 扬声器教学案例中查看这一更新功能的应用演示。

“射线声学”接口中新增“接收器”特征

射线声学接口中新增的基于物理场的接收器特征极大地提高了分析脉冲响应的性能。在设置物理场时，可以使用此特征定义几何中接收器球体的边界。在仿真过程中，接收器会收集有关相交射线的信息（到达时间和功率），这些信息将在结果分析中用于计算脉冲响应。室内乐厅模型的综合计算和结果分析时间（计算脉冲响应、绘制射线轨迹等）已从 18 小时（使用 6.1 版本）缩短至 2 小时（使用 6.2 版本）。分析 10 个脉冲响应的时间从 16 小时缩短至 30 分钟（2 个声源和 5 个接收器，共 10 对，使用 46,000 条射线，18 个频段，分辨率为 1/3 倍频程）。您也可以在更新的小型音乐厅声学分析教学案例中查看接收器特征的应用演示。

射线声学接口中新增“基于压力场释放”特征

射线声学接口中新增的基于压力场释放特征用于创建真实的声源。首先使用压力声学，频域接口从基于波（近场）的仿真中提取真实声源信息，这意味着，可以取代射线追踪的经典点源近似。近场声源的一个示例是放置在汽车仪表板上的扬声器可能会导致局部反射和衍射，如新的汽车车厢声学：混合 FEM-射线源耦合教学案例中所示。在这种情况下，射线追踪无法捕捉波现象，但使用局部压力声学模型可以捕捉这些现象。通过基于压力场释放特征可以释放射线，其大小和方向由压力声学模型中的强度场决定。您可以在智能扬声器的房间脉冲响应教学案例中查看这一新特征的应用演示。

导入 WAV 音频文件

在新版本中，WAV 音频文件 (.wav) 可作为插值函数导入，这对于声学领域的许多应用非常有用，比如在比较仿真和测量数据时，或者导入源信号进行瞬态分析时。您可以在更新的小型音乐厅声学分析教学案例中查看这一新功能的应用演示。

作为脉冲响应图源的函数

新增一个函数选项作为脉冲响应图的数据源（不再仅限于接收器数据集），这意味着脉冲响应图可用于分析用户定义的脉冲响应数据，例如基于 WAV 音频文件导入的数据。通过此功能，可以分析测量数据以及通过低频波和高频射线串联仿真获得的数据。您可以在小型音乐厅声学分析教学案例中查看这一新增功能的应用演示。

倍频带图更新

现在可以使用倍频带图来分析基于瞬态仿真的结果。在分析之前，需要先将瞬态数据转换为频域数据。倍频带图还新增了一般（非 dB）输入类型，可用于分析声学中的吸声数据或振动速度数据，以绘制结构振动模型中的频率响应函数 (FRF)。

在二维轴对称模型中使用外场算子进行基于梯度的优化

在压力声学，频域接口中使用专用的优化外场Lp_pext_opt算子时，二维轴对称模型现在支持基于梯度的优化（形状或拓扑优化）。外场算子的优化版本与现有的三维算子类似，其灵敏度可以通过解析方式计算得出。例如，高音罩和波导的形状优化教学案例已更新为使用新算子；因此，声学域可以大大缩小，模型运行速度也提高了 50%。您还可以在喇叭形状优化教学案例中查看这个更新功能的应用演示。

声流中的一阶材料贡献

声流多物理场耦合中新增一个选项，用于分析一阶材料的黏度依赖性。在由两个共振组合产生旋转声波的旋转流中，这种效应通常非常重要。

声流中的拉格朗日稳态速度变量

新版本新增了预定义变量，用于定义在声流仿真计算流体中颗粒的轨迹时需要用到的拉格朗日稳态速度。该变量已在用户界面中声明，可以在流体流动颗粒跟踪等物理场接口中轻松将其选为黏性曳力的输入量。您可以在微通道横截面中的声流教学案例中查看这一更新的应用演示。

新的“自适应频率扫描”研究

压力声学，频域接口新增了一个频域研究类型自适应频率扫描，有助于采用渐近波形估计 (AWE) 方法高效执行密集频率扫描，其中需要输入一个度量来跟踪建模系统的声学响应。您可以在使用各种频域求解器分析亥姆霍兹共振器教学案例中查看这个新研究类型的应用演示。

振动声学模型的频率模态

现在，您可以使用模态求解器对振动声学多物理场模型进行分析，这是因为现在可以在执行特征频率分析时同时计算左右特征矢量。您可以在使用“频域，模态”求解器求解声-结构相互作用教学案例中查看此功能的应用演示。

BEM 声学模型的性能改进

新版本引入了多项重要改进，适用于采用边界元法 (BEM) 通过压力声学，边界元接口求解声学模型。

• 对复值波数（带流体衰减的模型）的 BEM 内核评估进行了优化。例如，在潜艇目标强度模型中生成辐射方向图的速度提高了 25%。具体增速取决于模型大小和硬件。
• 在集群上运行 BEM 模型的负载和内存平衡也得到了显著改善。例如，在 6.2 版本中，在集群的 6 个节点上以 6 kHz 的频率求解潜艇目标强度模型的速度比上一个版本快 7.5 倍，现在只需 55 分钟，之前需要 7 小时 30 分钟。峰值内存和内存平衡也得到了极大改善，大幅提高了求解大型声学问题的速度。具体增速取决于问题和硬件。
• 改进后的求解器还可以在非集群配置（普通工作站）中使用稳定 BEM 方法求解模型。例如，潜艇目标强度模型现在只需 16 分钟即可求解完成，而 6.1 版本中需要 25 分钟（以 1.5 kHz 求解）。具体增速取决于问题和硬件。经典（非稳定）BEM 问题也有小幅提速。
• 可以启用新的正交选项来改进对薄间隙的处理。如果用边界元法求解通过薄波导的声辐射，这会很有用。

其他增强功能和改进

• 改进了使用热黏性声学、线性纳维-斯托克斯方程和线性欧拉方程接口进行二维轴对称建模时对称轴的处理方法，考虑方位角模数（m = 0、m = 1 和 m > 1）的情况下尤其实用
• 在热黏性声学，频域接口中处理圆形端口的对称性时不会发出警告
• 热黏性声学和线性纳维-斯托克斯方程接口中总场、背景场和散射场的强度变量
• 在热黏性声学和压力声学的集总扬声器边界条件中为后腔体添加了无修正选项
• 在压力声学，基尔霍夫-亥姆霍兹接口中新增了自动将固体速度选取为源的选项
• 现在可以使用固体力学接口求解的弹性波问题中的端口正确处理非正交高阶模
• 热黏性声学、线性纳维-斯托克斯方程和线性欧拉方程接口的源项现已包含面外贡献

新的和更新的教学案例

COMSOL Multiphysics^®6.2 版本的“声学模块”引入了多个新的和更新的教学案例。