COMSOL Multiphysics^®5.6 发布亮点

声学模块更新

COMSOL Multiphysics^®5.6 版本为“声学模块”的用户引入了新增的非线性声学，时域显式接口、用于弹性波传播的端口边界条件，以及瞬态热黏性仿真中的非线性效应。请阅读以下内容，进一步了解“声学模块”的新增功能和更新功能。

用于高声压级的“非线性声学，时域显式”

新增的非线性声学，时域显式接口用于模拟流体中的有限振幅高声压级非线性波，应用领域包括生物医学领域（例如超声成像和高强度聚焦超声 HIFU），以及由于高水平激励而具有非线性效应的任何声学系统。该方法非常节省内存，可以求解百万以上级自由度 (DOF) 的问题。

该接口支持多物理场，可以与弹性波，时域显式接口耦合来模拟振动声学问题。其中，吸收层用于设置有效的无反射边界条件，例如，在对不同组织和流体等材料之间的过渡进行建模时，可以实现对材料不连续性的一致性处理。您可以在新增的柱面波的非线性传播 - 验证模型和高强度聚焦超声 (HIFU) 在组织体模中的传播教学案例中看到此接口的应用演示。

生物组织样本中聚焦超声脉冲传播的动画。描绘了网格并显示了自适应网格细化如何确保聚焦信号的正确分辨率（深色区域具有非常细化的网格），其中仅在必要时更新网格。

弹性波传播的端口边界条件

固体力学接口提供新的端口边界条件，用于激励（进入）和吸收（离开）固体波导结构的弹性波。给定的端口条件支持一种特定的传播模式，通过在同一边界上组合多个端口条件，可以对传播的混合波进行一致性处理，如纵向、扭转和横向模式。例如，具有多个端口条件的组合设置为波导提供了优越的非反射条件，以实现完美匹配层 (PML) 配置或低反射边界特征等。端口条件支持 S 参数（散射参数）计算，还可以用作激励系统的源。反射波和透射波的功率可用于后处理。为了计算和识别传播模式，可以将边界模式分析研究与端口条件相结合。您可以在新增的机械多端口系统：弹性波在小铝板中的传播教学案例中看到此功能的应用演示。

微型声音端口、穿孔和格栅的非线性热黏性声学

非线性热黏性声学贡献特征将必要的贡献添加到热黏性声学，瞬态接口，以便在瞬态热黏性仿真中对非线性效应进行建模。通过这些贡献，可以对通道突然膨胀（例如在穿孔板、格栅或微型声音端口中）时可能发生的涡脱落进行建模，这种由声场产生的涡脱落或分离通常会通过产生高次谐波，在系统的测量响应中引起失真。该特征还可以利用二阶密度表征的选项来捕捉与高声压级相关的非线性效应，这需要状态方程的非线性表示（压力、密度和温度关系）。热黏性声学接口加强了稳定性，这在使用非线性热黏性声学贡献特征求解高度非线性问题时至关重要。您可以在更新的非线性狭缝谐振器教学案例中看到这个新特征的应用演示。

非线性热黏性声学 特征的一个重要应用是模拟微型扬声器端口（例如，智能手机）中由涡脱落（局部高速粒子）引起的失真。

声速（左）和温度（右）扰动表明大振幅压力波与小狭缝相互作用时的涡脱落。

压力声学中的集总端口边界条件

压力声学，频域接口中新的集总端口边界条件将波导或导管入口/出口的末端连接到具有集总表示的外部系统，可以是电路（“AC/DC 模块”）、通过转移矩阵定义的二端口网络或波导的集总表示。有多种表示形式和源来描述和激励集总系统。当使用集总端口表示时，假定只有平面波在声波导中传播，从而可以通过集总等效模型来描述换能器或子系统，简化电声模型的建模过程。在为集成在耳塞或助听器中的微型扬声器建模时，或者在为智能扬声器系统中的麦克风及其入口建模时，可以实现这种简化。您可以在以下两个更新的模型中看到这一新特征的应用演示：

• lumped_receiver_with_full_vibroacoustic_coupling
• lumped_receiver_connected_to_test_setup_with_a_0.4_-_cc_coupler

更强大的用于大型声学模型的边界元法 (BEM)

对于声学领域的大型模型，即包含许多波长（高频或大范围）的模型，您可以启用新的稳定公式选项来确保有效的收敛，但这会增加一些额外的自由度。对于中小型问题，应使用默认公式。启用稳定公式后，软件将使用新的推荐专用求解器。例如新的潜艇目标强度模型，其中需要使用新的稳定公式才能收敛到 800 Hz 以上。下图为 5 kz 的结果（在集群的胖节点上使用 160 GB 内存在 5 小时内求解模型），相当于大约 210 x 24 x 37 个波长大小的模型。

更高效的半空间和无限挡板建模

压力声学，边界单元接口中新增了排除的边界特征。您可以使用此特征从边界元模型中排除边界，这在半空间或无限挡板装置中使用压力声学，边界元时特别有用。在这种情况下，应该排除位于对称/无限硬声场壁对侧的所有边界。您可以在预应力螺栓 Tonpilz 型压电换能器教学案例中看到此方法的应用演示。

热力学产生的湿空气材料

在高保真的详细绝对值声学仿真中，需要了解湿空气的材料属性随环境压力、环境温度和相对湿度的变化，现在可以使用热力学节点中的预定义湿空气系统来建模。新的“气液属性模块”提供此功能，并提供了一个预测麦克风互易校准过程中使用的声传递阻抗的应用示例。您可以在具有详细湿空气材料属性的压力互易校准耦合器教学案例中看到相关应用演示。

热黏性边界层阻抗边界条件

在压力声学，频域接口中，新的热黏性边界层阻抗边界条件添加了由于壁上声边界层中的热和黏性耗散而引起的损耗。这种条件有时简称为 BLI 模型，损耗以局部均质的方式包含在内，其中通过解析方式对边界层上的损耗积分。该条件适用于边界层不重叠的情况，也就是说，它不适用于非常窄（尺寸与边界层厚度相当）的波导或高度弯曲的边界。除此之外，对几何形状没有任何限制。与全热黏性公式相比，该方法不仅准确（如果满足条件），并且计算量小得多。热黏性边界层阻抗边界条件是压力声学中的一种工程工具，与窄狭窄区域声学特征相当。这种方法常用于超材料领域中，其中需要以有效的方式将热黏性损耗包含在内，以获得物理上正确的结果；通常还应用于微型声学领域，模拟移动设备或测量设备。您可以在以下更新的教学案例中看到这一新特征的应用演示：

• ear_canal_acoustics
• piezoelectric_mems_speaker

时域显式接口性能改进

使用间断伽辽金公式 (dG-FEM) 的时域显式物理场接口受益于多种性能改进。使用压力声学，对流波动方程和弹性波，时域显式接口求解三维模型时，通常可加速达 30%。例如，在相同的标准工作站硬件条件下，在 COMSOL Multiphysics^®5.6 版本中，通用传播时间法超声波流量计可在 35 分 12 秒内完成求解，而在 5.5 版本中则需要 53 分 4 秒。针对二维和二维轴对称重新设计了压力声学，时域显式接口，使求解的自由度 (DOF) 数减少了 25%，从而使得内存使用率和运行时间也相应减少。时域显式 dG-FEM 方法已扩展为适用于所有网格类型，支持在薄弹性结构中使用结构化网格。一般来说，使用结构化网格可减少内存使用量并提高速度。您可以在地震后的地面运动：一座小山的散射教学案例中看到相应的应用演示，此案例现在使用四边形网格代替三角形网格。

将时域显式接口与常微分方程耦合

现在可以耦合常微分方程 (ODE) 来求解时域显式接口，例如，用于制定声学中用户定义的频率相关阻抗边界条件。频率相关性由适当的常微分方程（组）近似表示。常微分方程的另一个应用是对速度场进行时间积分，以便对使用弹性波，时域显式接口得到的位移进行后处理。您可以在各向同性-各向异性示例：弹性波传播教学案例中看到相关演示。此外，现在可以耦合代数方程（无时间导数的方程）来求解时域显式接口。

轴对称弹性波接口以及应力、应变和能量变量

弹性波，时域显式接口现在可用作二维轴对称公式；您可以在地震波在地球内部的传播教学案例中看到相关应用示例。弹性波，时域显式接口还添加了额外的后处理变量，包括：应力和应变变量的体积和偏差部分、应力和应变不变量以及能量密度和能量流变量。

更快捷地将脉冲响应用于射线声学

在射线声学接口中，脉冲响应的渲染和计算时间得到了极大改善。设置脉冲响应的步骤更简单、更方便。您可以使用可添加到脉冲响应图的新能量衰减子特征，基于计算出的脉冲响应分析和计算定性室内声学指标，例如明晰度、清晰度和混响时间。此外，您还可以将计算出的脉冲响应信号导出为波形音频文件格式 (.wav) 做进一步分析。滤波核功能已针对脉冲响应计算进行了改进，包括用户指定的滤波核定义和滤波器可视化功能。

性能改进的一个示例是，使用相同的标准工作站硬件和模型最佳设置，小型音乐厅声学分析教学案例（使用 20000 条光线和 6 个倍频带）中的脉冲响应渲染速度加快了近 8 倍，从 COMSOL Multiphysics^®5.5 版本的 8 分钟减少到 5.6 版本的 1 分 10 秒。求解的射线数越多，加速越显著。除了渲染速度更快，脉冲响应模型的求解时间也从 5.5 版的 4 分 40 秒减少到 5.6 版的 3 分 30 秒。脉冲响应图中的射线数据现在使用缓存存储，确保在脉冲响应图中更改选项时快速渲染。处理完绘图后，第一次运行时，后处理操作（如 FFT、更改滤波器选项或使用新能量衰减子特征分析能量衰减）几乎瞬间即可完成。

能量衰减子特征在脉冲响应分析方面有重要改进，还添加了新功能，包括当源或最后一次反射靠近接收器时，更精确地计算到达接收器的时间。现在，直达声得到一致的到达时间计算结果和功率总和。为了充分利用新功能，需要手动更新在早期版本中构建的模型。使用能量衰减子特征时，可使用新的定性房间声学指标，包括：混响时间（T₂₀、T₃₀和 T₆₀）、明晰度、清晰度、EDT、语音传输指数 (STI) 和调制传递函数。

导出为 .WAV 文件格式

现在，您可以将所有一维绘图导出为 .wav 文件格式，这对于瞬态仿真的声学结果或射线声学仿真中的脉冲响应特别有用。通过收听文件或使用外部声音分析工具进行进一步分析，例如，电机的噪声随着转速的增大而增大，如下所示的波形文件来自于新的电机噪声：永磁同步电机分析教学案例。

声学端口条件更新

数值（平面波）选项用于热黏性声学，频域模型中的端口特征时，现在可以自动检测应用于相邻波导边界的边界条件，然后在计算传播声学模式的振型时自动包含条件，这样可以确保端口的振型一致。数值（平面波）选项支持使用壁、无滑移、等温、绝热和对称条件。现在，为使用数字端口的设置生成默认求解器时，软件将自动配置求解器。

压力声学中添加了一个新选项来计算无损系统中数字模式的振型和截止频率。对于没有任何损耗的模型，通过新的计算的无损模式截止频率选项，您可以对每个端口使用单个边界模式分析研究来运行频率扫描。压力声学，频域和热黏性声学，频域中的端口特征现在可以选择对振型使用功率缩放，默认设置为使用大小缩放。通过功率缩放选项，可以将计算出的散射参数直接与特定模式所承载的功率相关联。

端口边界条件的预定义功率变量经过了重排，以便直接用于优化模型。请参见声信号分离器的形状优化教学案例。

多孔介质声学中新的三参数近似 JCAL 多孔介质声学模型

压力声学，频域接口的多孔介质声学特征中新增了一个三参数近似 JCAL 模型选项，这是现有的Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL)模型的近似模型，但只需指定三个多孔参数，分别是：孔隙率、平均孔隙大小和孔隙大小分布的标准差。因此，模型只需较少的输入即可定义多孔基体，并且模型中的输入依赖于平均孔隙拓扑属性。

线性化纳维-斯托克斯方程的稳定性改进

线性化纳维-斯托克斯物理场接口的稳定性已通过更一致的公式进行了改进。具体来说，连续性、动量和能量方程的稳定贡献之间的平衡得到了改善。您可以在流动对亥姆霍兹共振器的影响：流动与声学相互作用教学案例中看到相关应用演示，在新版本中，结果更平滑。

域分解和移位拉普拉斯方法的求解器建议

此版本针对纯压力声学，频域模型添加了两个新的迭代求解器建议：一个使用移位拉普拉斯方法，另一个使用域分解。现在，迭代求解器建议会自动在域上以及域之间的内部边界添加必要的方程贡献，以确保求解器效率。移位拉普拉斯求解器对于在具有大量内存的单台计算机上求解大型模型是有效的，而域分解方法适用于使用集群上的分布式计算来求解非常大的问题。您可以在汽车车厢声学模型 - 频域分析教学案例中看到这一新功能的应用演示。

用固体力学求解瞬态弹性波问题的新设置

此版本在固体力学接口中引入了新设置，可确保在时域中求解弹性波问题时有一个正确、有效的求解器设置。这些设置类似于瞬态声学接口中的现有设置。在固体力学接口节点中，引入了一个新的瞬态求解器设置栏，其中提供一个选项来指定要求解的最大频率，即，源激励的最大频率含量或可以被激励的最大特征模态频率。自动生成的求解器建议提供针对波传播的适当求解器方法设置，并确保在时间和空间上具有适当的分辨率。

更快、更准确的射线渲染

渲染射线轨迹图时，可以使用新的设置来精确渲染几何形状中射线与表面的所有交点，即使它们与解数据中的输出时间步不对应也是如此。为了完美地渲染每条射线与表面的每个交点，旧的实现方法随着射线数成二次比例缩放，而新的设置随着射线数成线性比例缩放，当射线数非常大时，可能会有很大的加速效果。这也适用于计算射线与球体、半球或平面之间的交点。

新的基于圆锥体的射线释放：三维中的平锥

现在，在三维模型中，当释放射线锥时，可以选择定义一个扇或平锥，您可以将平锥射线束定向为位于任何平面中。此外，其他一些锥形射线释放特征在选择横向时提供了更大的灵活性，这意味着您现在可以更好地控制射线在锥形分布中的确切位置。

用于连接点的弹簧和阻尼器

所有结构力学接口中都添加了一个名为弹簧阻尼器的新特征，以使用弹簧和/或阻尼器连接两个点。这些点可以是几何上的点，也可以是抽象的点，例如，通过使用连接件或者直接与刚体连接。弹簧可以是物理的，沿两点之间的线施加一个力，也可以通过完整的矩阵进行描述，连接两个点上的所有平移和旋转自由度。此外，该特征还可以连接两个不同物理场接口中的点之间的弹簧。

更灵活的管道声学许可模式

现在，管道声学，频域和管道声学，瞬态接口可以与“管道流模块”或“声学模块”结合使用。

声学模块的其他重要增强功能和更新

• 现在可以使用预定义的后处理变量来获得有效声速大小和各向异性声学的主方向。
• 现在计算散射场公式的强度变量：背景、散射和总场变量。
• 改进了声学扩散方程接口中导入定义频带属性表的易用性。
• 背景流体流动耦合多物理场特征现在支持高马赫数流动接口作为流动数据的源。

新增及更新的教学模型和 App

COMSOL Multiphysics^®5.6 版本的“声学模块”引入了许多新的和更新的教学模型和 App。