Atualizações do Acoustics Module

Para usuários do Acoustics Module, a versão 5.2a do ® traz uma nova interface baseada no método descontínuo de Galerkin para modelagem de ultrassom, uma nova interface para análise de modos de propagação e não propagação em pequenos dutos, e um novo tipo de gráfico de Diretividade para análise de alto-falantes. Essas são apenas algumas das atualizações. Veja abaixo mais detalhes sobre as atualizações feitas no Acoustics Module.

Método Descontínuo de Galerkin para Grandes Simulações de Ondas Acústicas Dependentes do Tempo

Modelagem Eficiente de Grandes Simulações de Ondas Acústicas no Domínio do Tempo

Agora há, no Acoustics Module, uma interface completamente nova para grandes simulações acústicas no domínio do tempo usando um solver explícito. A interface é baseada no método descontínuo de Galerkin (também conhecido como DG-FEM ou DG) e usa um solver explícito no tempo, resultando em um método muito eficiente em termos de memória. A nova interface é chamada Convected Wave Equation, Time Explicit e pode ser encontrada no novo nó Ultrasound da janela do Model Wizard, ao selecionar a física que você deseja modelar.

Imagem estática do pulso de pressão, com as camadas de absorção (esponja) mostradas como domínios com malha. Imagem estática do pulso de pressão, com as camadas de absorção (esponja) mostradas como domínios com malha.
Imagem estática do pulso de pressão, com as camadas de absorção (esponja) mostradas como domínios com malha.

A interface é usada para solucionar problemas acústicos lineares transientes em casos com ou sem um escoamento estacionário de fundo em grandes distâncias em relação ao comprimento de onda. As áreas de aplicação incluem fluxômetros por ultrassom, sensores de distância por ultrassom e outros sensores de ultrassom nos quais o tempo de voo é um parâmetro importante. As aplicações não estão restritas a ultrassom e também podem incluir propagação transiente de pulsos de áudio em acústica de salas ou interiores de veículos.

A interface Convected Wave Equation, Time Explicit também possui o recurso de domínio Absorbing Layers que é usado para imitar um ambiente anecóico com uma função similar a uma condição de contorno não refletora. A interface soluciona as equações de Euler linearizadas, assumindo uma equação de estado adiabática. As variáveis dependentes são a pressão acústica e as perturbações da velocidade acústica. O escoamento de fundo pode ser qualquer escoamento em regime permanente com gradientes de velocidade pequenos a moderados. Nenhum mecanismo de perda está incluído na interface.

O modelo mostrado aqui é um fluxômetro por ultrassom (configuração de tempo de voo), onde um sinal de 2MHz se propaga através de um canal de escoamento com uma velocidade média de 10 m/s. Este modelo 3D está disponível na Biblioteca de Aplicações do Acoustic Module (Ultrasound Flow Meter with Generic Time-of-Flight Configuration) e tem 16 milhões de graus de liberdade, usando 10 GB de memória RAM.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para um exemplo que usa o novo método Galerkin descontínuo e a interface Convected Wave Equation, Time Explicit:

Acoustics_Module/Ultrasound/ultrasound_flow_meter_generic

Caminho na Biblioteca de Aplicações para um exemplo que usa a nova interface Convected Wave Equation, Time Explicit junto com o recurso de domínio Absorbing Layers:

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_absorbing_layers

 
Uma animação mostrando um pulso senoidal contínuo de pressão no plano de simetria do modelo.
 
Esta animação mostra um pulso Gaussiano de pressão no plano de simetria do modelo com deformação acrescentada. As ondas são absorvidas nas camadas absorventes à esquerda e direita do principal canal de escoamento.

Nova Interface Convected Wave Equation, Time Explicit

A nova interface Convected Wave Equation, Time Explicit inclui as seguintes condições de contorno e de domínio:

  • Convected Wave Equation Model: Define as equações governantes do modelo.
  • Sound Hard Wall: Define paredes/contornos rígidos.
  • Initial Values: Define um valor inicial para as variáveis dependentes.
  • Domain Sources: Acrescenta uma fonte de domínio para modelar forças externas aplicadas ao fluido.
  • Pressure: Define uma fonte de pressão em um contorno externo.
  • Symmetry: É aplicável se houver simetrias no modelo.
  • Normal Velocity: Define uma fonte em um contorno externo, representando uma superfície vibratória, como um transdutor, por exemplo.
  • Acoustic Impedance:: Usada para modelar uma condição de impedância ou como uma simples condição de radiação. * General Flux/Source: Configura um escoamento generalizado no sistema de referência DG, em um contorno externo.
  • General Interior Flux: Configura uma condição generalizada para o escoamento interior, dado um sistema de referência DG.

Nova Condição de Domínio Absorbing Layer

As camadas absorventes, às vezes chamadas de camadas esponja, são usadas para truncar o domínio computacional. O recurso de domínio Absorbing Layers funciona por meio da combinação dos três seguintes recursos:

  1. Um sistema de escala que reduz a velocidade de propagação das ondas;
  2. Filtro na camada absorvente, que anula os componentes de alta frequência; e
  3. Uma condição externa não refletora de primeira ordem (uma condição de impedância).

Quando essas condições são combinadas, as amplitudes das ondas espúrias refletidas podem ser reduzidas por um fator de até 1000. As animações abaixo são do novo modelo tutorial Gaussian Pulse in 2D Uniform Flow: Convected Wave Equation and Absorbing Layers, no qual um pulso acústico que se propaga é absorvido pelas camadas absorventes.

Caminho na Biblioteca de Aplicatções para um exemplo que usa o novo recurso de domínio Absorbing Layers:

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_absorbing_layers

 
Animação da pulsação da pressão do modelo tutorial “Pulso Gaussiano...Camadas Absorventes”. Esquerda: Animação do domínio computacional total, incluindo as camadas absorventes. Direita: Somente o domínio físico.

Novo Modelo Tutorial: Ultrasound Flow Meter with Generic Time-of-Flight Configuration

Conhecer a velocidade de um fluido em movimento é importante em todos os casos nos quais o fluido é usado para transportar materiais ou energia. No método do tempo de voo ou tempo de trânsito para determinar a velocidade do escoamento, um sinal ultrassônico é transmitido através do escoamento principal em uma tubulação para determinar sua velocidade de maneira não invasiva. Ao transmitir o sinal em um ângulo relativo ao escoamento principal, o sinal de ultrassom percorrerá o escoamento a uma velocidade mais rápida que a do som, se estiver no sentido do escoamento principal, ou será mais lento que a velocidade do som, se estiver contra o escoamento. A diferença dos tempos de viagem nos dois sentidos aumenta linearmente com a velocidade do escoamento principal. Fluxômetros deste tipo podem ter diversos usos, especialmente em ambientes industriais.

Neste Modelo Tutorial, mostramos como simular um fluxômetro genérico de ultrassom com método de tempo de trânsito usando o Acoustics Module. A configuração do modelo soluciona o problema transiente de um sinal percorrendo o escoamento à favor da corrente. O modelo usa primeiramente o CFD Module para calcular o escoamento de fundo em regime permanente. O sinal percorrendo o escoamento contra a corrente é pré-calculado e importado como dado. A diferença dos momentos de chegada é usada para estimar a velocidade do escoamento principal. A interface física Convected Wave Equation, Time Explicit sob o nó Ultrasound é usada por ser especializada para transientes de alta frequência. Essa interface é baseada no método descontínuo de Galerkin (DG-FEM).

Caminho na Biblioteca de Aplicações:

Acoustics_Module/Ultrasound/ultrasound_flow_meter_generic

OBSERVAÇÃO: Esse modelo requer o Acoustics Module juntamente com o CFD Module, ou o Heat Transfer Module.

Distribuição da pressão do sinal transmitido, representada no plano de simetria do fluxômetro, no tempo t = 5 ms. Distribuição da pressão do sinal transmitido, representada no plano de simetria do fluxômetro, no tempo t = 5 ms.
A pressão média no receptor para uma pulsação a favor da corrente e uma pulsação contra a corrente. A diferença dos tempos é usada para calcular a velocidade média do fluxo no canal principal. A pressão média no receptor para uma pulsação a favor da corrente e uma pulsação contra a corrente. A diferença dos tempos é usada para calcular a velocidade média do fluxo no canal principal.
Esquerda: Distribuição da pressão do sinal transmitido, representada no plano de simetria do fluxômetro, no tempo t = 5 ms. Direita: A pressão média no receptor para uma pulsação a favor da corrente e uma pulsação contra a corrente. A diferença dos tempos é usada para calcular a velocidade média do escoamento no canal principal.

Novo Modelo Tutorial: Gaussian Pulse in 2D Uniform Flow: Convected Wave Equation and Absorbing Layers

Este pequeno tutorial simula um teste padrão e um modelo de referência para condições não refletoras e camadas absorventes para sistemas linearizados do tipo Euler. Ele envolve a propagação de um pulso Gaussiano transiente em um escoamento uniforme em 2D. A interface Convected Wave Equation, Time Explicit soluciona as equações de Euler linearizadas com uma equação de estado adiabática e o recurso Absorbing Layers é usado para modelar domínios infinitos.

Um pulso acústico é gerado pela distribuição Gaussiana inicial no centro do domínio computacional. O pulso se propaga em um escoamento uniforme com número de Mach alto. Existe uma solução analítica para o problema e ela é usada para validar a solução, além de mostrar uma concordância muito boa.

O modelo também mostra como configurar e usar camadas absorventes. O uso de tais camadas absorventes pode reduzir ondas refletidas de maneira artificial em 1/1000 da amplitude do campo incidente.

Caminho na Biblioteca de Aplicações:

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_absorbing_layers

A velocidade de partícula acústica de um pulso Gaussiano convectivo no momento que ele incide sobre a camada absorvente. A velocidade de partícula acústica de um pulso Gaussiano convectivo no momento que ele incide sobre a camada absorvente.
Comparação do perfil de pressão do COMSOL Multiphysics® modelo (linha azul) e a solução analítica (pontos verdes) em um corte transversal ao longo do eixo x. O aumento brusco à direita representa o pulso dentro da camada absorvente e não tem um significado físico. Comparação do perfil de pressão do COMSOL Multiphysics® modelo (linha azul) e a solução analítica (pontos verdes) em um corte transversal ao longo do eixo x. O aumento brusco à direita representa o pulso dentro da camada absorvente e não tem um significado físico.
Esquerda: A velocidade de partícula acústica de um pulso Gaussiano que sofre convecção, no momento em que ele incide sobre a camada absorvente. Direita: Comparação do perfil de pressão do modelo do COMSOL Multiphysics® (linha azul) e a solução analítica (pontos verdes) em um corte transversal ao longo do eixo x. O aumento brusco à direita representa o pulso dentro da camada absorvente e não tem um significado físico.

Nova Interface Física Thermoviscous Acoustics, Boundary Mode

Em análises acústicas de smartphones e outros aparelhos eletrônicos de pequenas dimensões geométricas, os efeitos das perdas viscosas e da condução térmica são importantes devido a fenômenos que existem nas camadas limites próximas às paredes. A espessura dessas camadas é conhecida como camada limite térmica e viscosa. A interface Thermoviscous Acoustics, Boundary Mode calcula e identifica modos de propagação e não propagação em dutos e guias de onda. A interface executa uma análise de modo do contorno em um contorno, em um limite, uma entrada, uma seção transversal ou duto de pequenas dimensões geométricas. A análise inclui as perdas viscosas e térmicas, que são efeitos importantes nas camadas limites acústicas, próximas às paredes. A interface soluciona as variações acústicas na pressão, velocidade e temperatura, bem como o número de onda fora do plano dos modos computados.

Um exemplo de análise de uma guia de onda de 0,5 mm por 2 mm. O gráfico mostra a pressão para os três primeiros modos em 100 Hz. Um exemplo de análise de uma guia de onda de 0,5 mm por 2 mm. O gráfico mostra a pressão para os três primeiros modos em 100 Hz.
Um exemplo de análise de uma guia de onda de 0,5 mm por 2 mm. O gráfico mostra a velocidade acústica fora do plano para os três primeiros modos em 100 Hz. Um exemplo de análise de uma guia de onda de 0,5 mm por 2 mm. O gráfico mostra a velocidade acústica fora do plano para os três primeiros modos em 100 Hz.
Um exemplo de análise de uma guia de onda de 0,5 mm por 2 mm. O gráfico mostra as varições de temperatura acústica para os três primeiros modos em 100 Hz. Um exemplo de análise de uma guia de onda de 0,5 mm por 2 mm. O gráfico mostra as varições de temperatura acústica para os três primeiros modos em 100 Hz.
Um exemplo de análise de uma guia de onda de 0,5 mm por 2 mm. O gráfico mostra a pressão (esquerda), a velocidade acústica fora do plano (centro) e as variações acústicas de temperatura (direita) para os 3 primeiros modos a 100 Hz. O primeiro modo (propagação) está na imagem aplicada à superfície da geometria com número de onda kn = 2.58-1.31i 1/m, as duas seguintes são modos evanescentes com números de onda 2970.6-7134.7i e 2904.8-7635.9i, respectivamente. As cores não têm as mesmas escalas.

Além de sistemas com pequenos dutos, como aparelhos auriculares e telefones celulares, a interface Thermoviscous Acoustics, Boundary Mode pode ser usada para identificar o número de onda propagado e a impedância característica de uma seção transversal de duto. Essas informações podem então ser usadas, no próximo passo de uma análise, como uma entrada para o recurso homogeneizado Narrow Region Acoustics da interface Pressure Acoustics, Frequency Domain

A interface está disponível em modelos 3D e 2D com simetria axial e é aplicada a contornos. Ela soluciona as equações linearizadas Navier-Stokes (equações linearizadas de energia, continuidade e momento), em condições de fundo quiescentes, para obter números de onda fora do plano em uma determinada frequência.

Campos Acústicos de Fundo em Acústica Termo-viscosa (Formulação de Campo Disperso)

As interfaces Thermoviscous Acoustics agora possuem uma opção de formulação de campo disperso. Isso permite adicionar a um modelo um campo acústico de fundo. O campo de fundo pode ter formulação User defined ou Plane wave.

Na opção User defined, o usuário define uma expressão para a pressão, velocidade acústica e variação de temperatura. Isso também pode ser obtido de uma solução de outro modelo acústico que defina o campo de fundo. A opção Plane wave define uma onda viajante plana com atenuações térmica e viscosa fisicamente consistentes.

Usando este novo recurso, é possível criar fontes simples ao modelar problemas de transmissão nos quais as perdas viscosas e térmicas são importantes, ou estudar a dispersão de pequenos objetos (pequenos se comparados às camadas limite acústicas). Como um exemplo avançado de aplicação, o recurso pode ser usado em conjunto com a interface Thermoviscous Acoustics, Boundary Mode para criar fontes nas entradas de guias de onda.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para um exemplo que usa o novo recurso Background Acoustic Fields em Acústica Termo-viscosa:

Acoustics_Module/Tutorials/transfer_impedance_perforate

Resultado obtido a partir do Modelo Tutorial Transfer Impedance of a Perforate, no qual o campo incidente de um lado é aplicado usando o novo recurso Background Acoustic Fields. O gráfico de cores mostra a velocidade acústica dentro dos buracos de uma placa perfurada e o gráfico de linhas mostra a impedância de transferência calculada pelo COMSOL Multiphysics® em comparação a um modelo semi-analítico. Resultado obtido a partir do Modelo Tutorial Transfer Impedance of a Perforate, no qual o campo incidente de um lado é aplicado usando o novo recurso Background Acoustic Fields. O gráfico de cores mostra a velocidade acústica dentro dos buracos de uma placa perfurada e o gráfico de linhas mostra a impedância de transferência calculada pelo COMSOL Multiphysics® em comparação a um modelo semi-analítico.
Resultado obtido a partir do Modelo Tutorial Transfer Impedance of a Perforate, no qual o campo incidente de um lado é aplicado usando o novo recurso Background Acoustic Fields. O gráfico de cores mostra a velocidade acústica dentro dos buracos de uma placa perfurada e o gráfico de linhas mostra a impedância de transferência calculada pelo COMSOL Multiphysics® em comparação a um modelo semi-analítico.

Novo Modelo Tutorial: Transfer Impedance of a Perforate

Painéis perfurados são placas com pequenas perfurações ou buracos. Elas são usadas em sistemas silenciadores, painéis de absorção sonora e muitos outros lugares, como forros, onde é importante controlar a atenuação de forma precisa. Quanto menor a perfuração, mais importantes se tornam as perdas viscosas e térmicas. O comportamento de atenuação, que também é dependente da frequência, pode ser controlado selecionando o tamanho das perfurações e sua distribuição em uma chapa.

Embora painéis perfurados tenham sido estudados teoricamente há muitos anos, modelos analíticos ou semi-analíticos podem ser aplicados apenas para geometrias simples. Uma abordagem numérica é necessária para sistemas nos quais os buracos possuem diversas seções transversais, se as perfurações forem afuniladas, ou se a distribuição dos buracos não for uniforme.

Neste Modelo Tutorial, os efeitos são modelados de forma detalhada usando a interface Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain. Embora mecanismos de perda não linear possam ocorrer em níveis intensos de som ou na presença de escoamento (através ou sobre um painel perfurado), somente os efeitos lineares decorrentes da viscosidade e transmissão térmica são estudados neste Modelo Tutorial. A impedância de transferência, a impedância normal de superfície e o coeficiente de atenuação do sistema são determinados.

A impedância de transferência é comparada a um modelo semi-analítico. A impedância de transferência calculada neste modelo detalhado pode ser aplicada a uma simulação em um sistema maior usando, a condição de impedância interior que existe na interface Pressure Acoustics, Frequency Domain.

Caminho na Biblioteca de Aplicações:

Acoustics_Module/Tutorials/transfer_impedance_perforate

Comparação da impedância de transferência do painel perfurado, modelada com o Acoustics Module, e um modelo semi-analítico. O gráfico mostra os valores absolutos, imaginários e reais da impedância de transferência. Comparação da impedância de transferência do painel perfurado, modelada com o Acoustics Module, e um modelo semi-analítico. O gráfico mostra os valores absolutos, imaginários e reais da impedância de transferência.
Flutuações na temperatura acústica dentro da perfuração. A camada limite térmica é claramente visível. Flutuações na temperatura acústica dentro da perfuração. A camada limite térmica é claramente visível.
Esquerda: Comparação da impedância de transferência do painel perfurado, modelada com o Acoustics Module, e um modelo semi-analítico. O gráfico mostra os valores absolutos, imaginários e reais da impedância de transferência. Direita: Flutuações acústicas na temperatura dentro da perfuração. A camada limite térmica é claramente visível.

Novo nome para Thermoacoustics: Thermoviscous Acoustics

Na versão 5.2a do do COMSOL Multiphysics®, todas as interfaces Thermoacoustics foram renomeadas para Thermoviscous Acoustics. Essas interfaces são dedicadas à modelagem detalhada de perdas acústicas viscosas e térmicas em problemas com pequenas dimensões geométrica, isto é, em problemas onde as perdas viscosas e térmicas na camadas limite acústicas são importantes. Exemplos de tais casos incluem a modelagem de microfones, telefones celulares, aparelhos auriculares, transdutores em miniatura e muito mais. Thermoacoustics é um termo usado em um ramo da acústica que lida com resfriamento ou aquecimento usando ondas acústicas. Portanto, Thermoviscous Acoustics descreve melhor a física que essas interfaces estão modelando.

As seguintes interfaces possuem novos nomes:

  • Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain
  • Thermoviscous Acoustics, Boundary Mode (nova interface)
  • Acoustic-Thermoviscous Acoustic Interaction, Frequency Domain
  • Thermoviscous Acoustic-Structure Interaction, Frequency Domain

Novo Gráfico de Diretividade

O novo gráfico de Diretividade permite que engenheiros de áudio representem a resposta espacial de um alto-falante em função da frequência e ângulo. O gráfico é importante na análise de alto-falantes e outros transdutores eletroacústicos. Representar a resposta espacial desta maneira é muito comum na indústria de alto-falantes, e os dados medidos geralmente são representados da mesa maneira. O gráfico inclui muitas opções de formatação para se obter a melhor percepção possível dos dados modelados. Alguns dos principais recursos de formatação são:

  • Normalização: Os dados de entrada do nível de pressão sonora podem ser normalizados com relação a um ângulo polar específico, com relação a um valor máximo (em cada frequência) ou pode não haver normalização.
  • Avaliação: O círculo de avaliação pode ser definido em qualquer lugar do espaço e é possível definir uma direção de referência que estabeleça a direção de 0 grau.
  • Cores e Estilo: Formate os dados como superfícies preenchidas, linhas e adicione legendas. Também é fácil alternar o layout dos eixos e colocar a frequência no eixo x ou y.
Um exemplo de um gráfico de Diretividade onde os dados são normalizados com relação a 30 graus, a frequência está no eixo x e as legendas foram adicionadas (esquerda).

Um exemplo de um gráfico de Diretividade onde os dados são normalizados com relação a 30 graus, a frequência está no eixo x e as legendas foram adicionadas (esquerda).

Um exemplo de um gráfico de Diretividade onde os dados são normalizados com relação a 0 graus, a frequência está no eixo y e as legendas foram adicionadas.

Um exemplo de um gráfico de Diretividade onde os dados são normalizados com relação a 0 graus, a frequência está no eixo y e as legendas foram adicionadas.

Exemplo de um gráfico de Diretividade no qual os dados são normalizados com relação a 30 graus, a frequência está no eixo x e as legendas foram adicionadas (esquerda). A normalização dos mesmos dados foi aplicada a 0 grau e a frequência está no eixo y (direita).

Campos Acústicos de Fundo nas Formulações Linearizadas de Euler e Navier-Stokes (Formulação de Campo Disperso)

As interfaces Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain e Linearized Euler, Frequency Domain agora usam uma opção de formulação de campo disperso. Essa opção permite adicionar um campo acústico de fundo a um modelo. O campo de fundo pode ser preenchido usando expressões definidas pelo usuário para a pressão, velocidade acústica e variação de temperatura. Essas expressões podem ser analíticas, definindo um certo tipo de onda, mas também podem ser a solução de outro modelo acústico.

Originalmente chamado de “Incident Acoustics Fields”, esse recurso da interface Linearized Euler agora foi atualizado, aprimorado e renomeado para Background Acoustics Fields.

Acústica de Raios: Calcule a Potência do Raio e o Nível de Pressão Sonora na Superfície (SPL)

Uma nova e aprimorada funcionalidade computacional foi adicionada à interface Ray Acoustics para Potência de Raio. Há quatro opções disponíveis para o cálculo da intensidade:

  1. Compute intensity (originalmente chamada Using principal curvatures)
  2. Compute intensity and power
  3. Compute intensity in graded media (originalmente chamada Using curvature tensor)
  4. Compute intensity and power in graded media

Para a opção o cálculo da potência do raio, é possível adicionar um Sound Pressure Level Calculation às condições Wall. Esse novo recurso calcula o nível de pressão sonora na superfície, incluindo os efeitos das propriedades da superfície, como o coeficiente de absorção. Pode-se facilmente usar o nó Results para representar essas variáveis.

Entrada da Galeria de Aplicações para um exemplo que calcula a potência de raio e o nível de pressão sonora na superfície:

Small Concert Hall Acoustics

A nova opção computacional de potência de raio para Ray Acoustics; a janela de configurações onde as opções para Intensity computation podem ser selecionadas.

A nova opção computacional de potência de raio para Ray Acoustics; a janela de configurações onde as opções para Intensity computation podem ser selecionadas.

Uma captura de tela do modelo tutorial Small Concert Hall Acoustics com o nó Sound Pressure Level Calculation destacado.

Uma captura de tela do modelo tutorial Small Concert Hall Acoustics com o nó Sound Pressure Level Calculation destacado.

A nova opção de computação da potência do raio para Acústica de Raios: a janela Settings, onde as opções para cálculo da intensidade podem ser selecionadas (esquerda), e uma captura de tela do modelo tutorial Small Concert Hall Acoustics com o nó Sound Pressure Level Calculation em destaque (direita).

Acústica de Raios: Rastreamento de Raio Sem Malha

A interface Ray Acoustics não precisa mais de uma malha se o meio tiver propriedades homogêneas (meio não gradual). Neste caso, os parâmetros de material para o ambiente podem ser definidos globalmente. O único requisito é que um modelo inclua pelo menos uma condição de contorno, como uma parede ou descontinuidade de material. Os raios podem se propagar por longas distâncias, em geometrias sem malha, e podem até mesmo ser liberados e propagados fora da geometria do modelo. Isso poderia, por exemplo, ser usado em simulações de grandes teatros e salas de espetáculo.

Novas Opções para Liberação Baseada em Cone

Diversas novas opções estão disponíveis para liberar raios com uma distribuição de direções iniciais tipo cônica. É possível liberar raios com uma densidade uniforme nos espaço vetorial de onda, para que cada raio subtenda o mesmo ângulo sólido. Alternativamente, pode-se especificar a densidade dos raios nas direções azimutal e polar separadamente. Outras opções também estão para liberar apenas raios marginais, com ou sem um raio axial.

Ondas Esféricas e Cilíndricas em Campos de Pressão de Fundo e Campos Incidentes para Acústica de Pressão

Na interface Pressure Acoustics, Frequency Domain, os recursos Background Pressure Field e Incident Pressure Field (sub-nós para as condições de radiação) foram estendidos para incluir ondas esféricas e cilíndricas. Isso facilita a configuração de campos acústicos de fundo, ou incidentes, complexos. Campos que são gerados por fontes externas pontuais ou pequenos corpos vibrantes podem ser aproximados por uma fonte do tipo monopolo.

Selecione tipos de campo de pressão Cylindrical wave ou Spherical wave para acústica de pressão. Selecione tipos de campo de pressão Cylindrical wave ou Spherical wave para acústica de pressão.
Um exemplo de dispersão 2D; no sentido horário, a partir do topo à esquerda, é o campo de pressão acústica total, o nível de pressão do som total, a pressão dispersa e a pressão de fundo cilíndrica. Um exemplo de dispersão 2D; no sentido horário, a partir do topo à esquerda, é o campo de pressão acústica total, o nível de pressão do som total, a pressão dispersa e a pressão de fundo cilíndrica.

Esquerda: Selecione tipos de campo de pressão Cylindrical wave ou Spherical wave para acústica de pressão. Direita: Um exemplo de dispersão 2D; no sentido horário, a partir do topo à esquerda: o campo de pressão acústica total; o nível de pressão sonora total, a pressão dispersa; e a pressão de fundo cilíndrica.

Acoplamentos Eletroacústicos para Alto-falantes

Novos recursos foram adicionados e aprimorados para simplificar e estender os acoplamentos eletromagnéticos usados em transdutores, tais como bobinas. Isso é importante na modelagem drivers de alto-falantes. O recurso de domínio Coil agora suporta velocidade (termos de Lorentz) em 3D e 2D com simetria axial. Em aplicações de mecânica estrutural, a contribuição da força de Lorentz pode ser detectada automaticamente como uma Carga do Corpo. Isso é demonstrado no modelo Loudspeaker Driver da Galeria de Aplicações e na Biblioteca de Aplicações.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para um exemplo que usa o recurso de domínio aprimorado Multi-Turn Coil:

Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/loudspeaker_driver

O modelo de Loudspeaker Driver possui novos acoplamentos eletroacústicos. O modelo de Loudspeaker Driver possui novos acoplamentos eletroacústicos.
O modelo de Loudspeaker Driver possui novos acoplamentos eletroacústicos.

Modelo Tutorial Atualizado: Loudspeaker Driver

O modelo Loudspeaker Driver foi atualizado e agora usa os novos acoplamentos eletromagnéticos entre a bobina móvel e o campo magnético. A velocidade (termo de Lorentz) foi adicionada ao domínio Coil e a contribuição da força de Lorentz pode ser captada pelo recurso Boundary Load. A nova funcionalidade elimina a necessidade de equações definidas pelo usuário para modelar este tipo de acoplamento multifísico.

OBSERVAÇÃO: Este modelo requer o Acoustics Module e o AC/DC Module.

Caminho na Biblioteca de Aplicações:

Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/loudspeaker_driver

Opções Preferenciais de Frequências Logarítmicas e ISO para Varreduras de Frequência

Dois novos métodos de entrada foram adicionados ao definir uma varredura de frequência em um estudo:
  1. Logarithmic: Insira a frequência de início e parada e o número de frequências por década. Esse recurso está disponível no COMSOL Multiphysics® e não requer nenhum produto complementar.

  2. ISO preferred frequencies: Selecione uma frequência de início e interrupção e o intervalo desejado (Oitava, 1/3 de Oitava, 1/6 de Oitava, 1/12 de Oitava e 1/24 de Oitava).

    1. A definição das frequências preferenciais de 1/3 de oitava é baseada na norma ISO 266. A opção padrão é estendida para frequências baseadas nos números preferenciais da ISO 3 (séries R20, R40 e R80) para definir intervalos de 1/6 de Oitava, 1/12 de Oitava e 1/24 de Oitava. Deve-se selecionar Show > Advanced Study Options na barra de ferramentas da janela Model Builder para usar estas opções.

Atualizações nas Camadas Perfeitamente Acopladas (PMLs)

Diversas opções foram adicionadas ao recurso Perfectly Matched Layer para permitir a personalização de propriedades da camada:

  • A opção Enable/disable PMLs no solver é útil para modelagem de problemas de dispersão, onde a fonte é um campo calculado.
  • A opção de tipo de geometria definida pelo usuário está disponível se a PML tiver uma geometria fora do padrão e também pode ser usada se o recurso de detecção automática da geometria da PML falhar.
  • É possível escolher funções de estiramento das coordenadas definidas pelo usuário, para definir o crescimento da PML. Isso permite adaptar o escalonamento dentro de uma PML para, por exemplo, absorver ondas de maneira muito eficiente em configurações físicas específicas.

Outras Melhorias e Correções Importantes de Bugs

  • Gráficos de Campo Distante atualizados com uma nova opção para especificar a direção de referência que define o ângulo de 0 grau.
  • Opção para calcular a temperatura na interface Compressible Potential Flow.
  • A interface Compressible Potential Flow agora têm duas novas condições de contorno: Interior Wall (Slip Velocity) e Mean Flow Velocity Potential. Além disso, há uma nova opção para calcular automaticamente o campo de temperaturas no escoamento. Isso é usado ao configurar o escoamento de fundo para um modelo Linearized Potential Flow.
  • Duas novas condições de contorno foram adicionadas à interface Thermoviscous Acoustics, Frequency Domain:
    • A condição Heat Flux é usada quando uma fonte de calor pulsante gera ondas acústicas; e
    • A condição Interior Temperature Variation é usada para modelar aplicações, como uma chapa fina com uma variação harmônica de temperatura que é gerada por aquecimento resistivo a partir de uma corrente pulsante.
  • Acompanhando a renomeação do recurso Incident Acoustics Fields para Background Acoustics Fields nas interfaces Linearized Euler, todas as variáveis com o sufixo _i foram alteradas para _b.
  • Os nomes das variáveis derivadas de tempo nas interfaces Linearized Navier-Stokes e Linearized Euler foram alteradas de p_t para pt, u_t para ut, rho_t para rhot e de T_t para Tt.
  • Acrescente duas fontes pontuais que contribuem uma com à outra à interface Acoustic Diffusion Equation.

Modelo Tutorial Atualizado: Acoustic Streaming in a Microchannel Cross Section

Avanços recentes na fabricação de sistemas microfluídicos exigem a manipulação de células vivas e outras micropartículas, bem como misturação. Isso pode ser obtido usando forças de radiação acústica e a resistência viscosa de um escoamento.

  1. Streaming: Devido aos termos não lineares nas equações de Navier-Stokes, a perturbação harmônica do escoamento levará a um escoamento líquido médio chamado streaming acústico.

    1. O streaming acústico é um efeito acústico de segunda ordem (não linear) e pode ser simulado de duas maneiras:

      1. Por simulação direta que soluciona equações não lineares de Navier-Stokes; ou
      2. Como mostrado aqui, por separação de escalas de tempo.
  2. Força de Radiação: Devido aos termos não lineares nas equações dominantes, o momento pode ser transferido de um campo acústico à partículas.
    1. Isso resulta em uma força que atua sobre as partículas — a força de radiação acústica.

A trajetória de partículas em dispositivos será governada pelo equilíbrio entre a força da resistência viscosa (do streaming ) e a força da radiação acústica. Este modelo mostra como incluir e modelar ambos usando o Acoustics Module do COMSOL Multiphysics®.

Link para a Galeria de Aplicações:

Acoustic Streaming in a Microchannel Cross Section

O escoamento da transmissão acústica dentro do corte transversal do microcanal. O escoamento da transmissão acústica dentro do corte transversal do microcanal.
 
Esquerda: O escoamento de streaming acústico na seção transversal do microcanal. Direita: Uma animação das trajetórias das micropartículas sob a influência do arrasto do streaming acústico e das forças de radiação.

Modelo Tutorial Atualizado: Poroelastic Waves with Thermal and Viscous Losses (Biot-Allard Model)

Em aplicações nas quais as ondas de pressão e ondas elásticas se propagam em materiais porosos preenchidos com ar, tanto as perdas térmicas quanto as viscosas são importantes. Esse é, tipicamente, o caso de materiais isolantes para a acústica de ambientes ou materiais de revestimento interno de carros. Isso também ocorre nos materiais porosos de silenciadores da indústria automotiva.

Em muitos casos, esses materiais podem ser modelados usando os modelos Poroacoustic (equivalente a modelos de fluidos) implementados na interface Pressure Acsoustics. Os modelos Poroacoustic não captam todos os efeitos, então, às vezes, é necessário incluir ondas elásticas na matriz porosa. Isso é descrito pela chamada teoria de Biot-Allard para modelagem de ondas poroelásticas.

A interface Poroelastic Waves do Acoustics Module é baseada na teoria clássica de Biot usada no campo da Geociência. Esse modelo assume que o fluido de saturação é um líquido (água), e inclui somente perdas viscosas. As propriedades do material também são diferentes daquelas geralmente fornecidas com materiais de isolamento acústico. Os modelos presentes mostram como a interface Poroelastic Waves pode ser adaptada para incluir os efeitos viscosos e térmicos descritos pela teoria Biot-Allard.

Link da Galeria de Aplicações:

Poroelastic Waves with Thermal and Viscous Losses (Biot-Allard Model)

A impedância normal da superfície é de uma única camada porosa. As curvas incluem as perdas viscosas e térmicas no fluido, bem como a deformação mecânica da matriz porosa. A impedância normal da superfície é de uma única camada porosa. As curvas incluem as perdas viscosas e térmicas no fluido, bem como a deformação mecânica da matriz porosa.
A impedância normal da superfície é de uma única camada porosa. As curvas incluem as perdas viscosas e térmicas no fluido, bem como a deformação mecânica da matriz porosa.

Modelo Tutorial Atualizado: *Sonic Crystal *

Cristais sônicos e fonônicos têm provocado crescente interesse científico em diversas aplicações tecnológicas. Esses cristais são feitos de distribuições regulares de dispersadores embutidos em uma matriz. Gaps de energia acústica podem se formar sob determinadas condições. Esses gaps são bandas espectrais onde a propagação de ondas é proibida.

Este modelo tutorial analisa um cristal sônico e determina sua estrutura de banda. Em seguida, o modelo analisa a perda de transmissão através de um cristal de tamanho finito e compara os resultados à estrutura da banda.

Link da Galeria de Aplicações:

Sonic Crystal

Campo de pressão periódica dentro da estrutura do cristal sônico. A periodicidade é aplicada usando as condições integradas periódicas do teorema de Floquet (também chamado de Bloch). Campo de pressão periódica dentro da estrutura do cristal sônico. A periodicidade é aplicada usando as condições integradas periódicas do teorema de Floquet (também chamado de Bloch).
Campo de pressão periódica dentro da estrutura do cristal sônico. A periodicidade é aplicada usando as condições integradas periódicas do teorema de Floquet (também chamado de Bloch).

Modelo Tutorial Atualizado: Acoustic-Structure Interaction and Air Flow in Violins

Durante o milênio passado, os ouvidos dos violinos deixaram de ser circulares e passaram a ter formatos alongados. A maior parte do som de notas baixas emitidas por um violino irradia através desses furos alongados. O copo vibrante do violino é responsável pelas frequências mais altas, mas também ressona o ar em seu interior.

Dois modelos tutoriais são apresentados na Galeria de Aplicações. O primeiro modelo aplica interação acústica-estrutura para estudar como o modo de ressonância do ar é afetado pelas vibrações acopladas no corpo do violino. O outro modelo usa uma aproximação de potencial de escoamento para investigar como o escoamento de ar através dos ouvidos alongados se relaciona com sua forma.

Esses modelos estão descritos muito mais detalhadamente na postagem do blog chamada “Analyze Violin Tone and Volume with Multiphysics Modeling”.

Link para a Galeria de Aplicações:

Acoustic-Structure Interaction and Air Flow in Violins

O primeiro modo, aqui a 300 Hz, de um modelo de acústica e violino. O primeiro modo, aqui a 300 Hz, de um modelo de acústica e violino.
O fluxo de ar através de buracos-f no violino. O fluxo é simulado como um fluxo potencial. O fluxo de ar através de buracos-f no violino. O fluxo é simulado como um fluxo potencial.
Esquerda: O primeiro modo, aqui a 300 Hz, de um modelo acoplado de acústica e violino. Direita: O escoamento de ar através dos efes do violino. O escoamento é simulado como um escoamento de potencial.

Modelo Tutorial Atualizado: Energy Conservation with Thermoviscous Acoustics

O som que se propaga em estruturas de pequenas dimensões é afetado pelas perdas térmicas e viscosas próximas das paredes. Tais perdas precisam ser incluídas ao modelar o comportamento acústico dessas estruturas.

Este tutorial estuda a conservação de energia em um ambiente de teste conceitual, com uma entrada e saída contendo um ressonador de Helmholtz com uma região muito estreita. A acústica na região estreita é modelada com a interface Thermoviscous Acoustics para uma análise detalhada das perdas viscosas e térmicas. Para estudar e verificar a conservação de energia, o modelo compara a energia total dissipada na camada acústica com a energia total do sistema da entrada menos da saída.

Uma discussão mais detalhada sobre a teoria termo-acústica pode ser lida na postagem do blog chamada “[Theory of Thermoacoustics: Acoustics with Thermal and Viscous Losses]” (https://www.comsol.com/blogs/theory-thermoacoustics-acoustics-thermal-viscous-losses/)".

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Energy Conservation with Thermoacoustics

Modelo Tutorial Atualizado: Sub-Component Lumping in Acoustics Using the Impedance Boundary Condition

Este tutorial ilustra a abordagem de modelagem para produzir modelos simplificados e fisicamente consistentes no Acoustics Module. A abordagem consiste na conversão de subcomponentes complexos em condições de contorno de impedância e uso de acústica simples através do modelo. Como consequência, é possível reduzir significativamente o tempo computacional.

Este exemplo consiste em um sistema simplificado, similar ao de um silenciador, com um duto principal e um ressonador de Helmholtz (o subcomponente). A acústica no ressonador é modelada com acústica termoviscosa, uma vez que as perdas viscosas e térmicas são importantes. O objetivo é agrupar o domínio da acústica termo-viscosa com um modelo de impedância.

O modelo tutorial traz ilustrações passo-a-passo que detalham como obter condições de contorno de impedância em um modelo acústico complexo e também como usar essa impedância em um novo modelo simples. Além disso, o modelo detalha como usar o Optimization Module para ajustar a impedância a um modelo RCL. A documentação discute como essa segunda abordagem pode ser usada para extrair compreensão adicional do sistema modelado.

Link para a Galeria de Aplicações:

Sub-Component Lumping in Acoustics Using the Impedance Boundary Condition