Продукты и конструкции, включающие акустические явления, могут быть смоделируемы для изучения и прогнозирования таких факторов, как качество звука и характеристики шумоподавления. Модуль акустики - это дополнение к программному обеспечению COMSOL Multiphysics®, которое предоставляет функции для моделирования акустики и вибраций для таких приложений, как динамики, мобильные устройства, микрофоны, глушители, датчики, гидролокатор, расходомеры, комнаты и концертные залы. Эти функции позволяют визуализировать акустические поля и создавать виртуальные прототипы устройств или компонентов.
Для более подробных исследований акустика может быть связана с другими физическими эффектами, включая структурную механику, пьезоэлектрическость и поток жидкости. Программное обеспечение COMSOL® включает в себя мультифизические связи, которые позволяют оценить производительность продукта или конструкции в среде, максимально близкой к реальному миру.
Модуль акустики также включает в себя множество специализированных составов и моделей материалов, например, для термовязкой акустики, используемой в миниатюрных преобразователях и мобильных устройствах, или уравнения Био, используемые для моделирования пороупругих волн. Мультифизика еще больше расширяется несколькими численными методами. В дополнение к методу конечных элементов (FEM), модуль акустики имеет метод граничных элементов (BEM), прерывистый метод конечных элементов Galerkin (dG-FEM) и трассировку лучей.

Акустика под давлением
Моделирование акустики под давлением является наиболее распространенным использованием модуля акустики. Модуль включает в себя возможности моделирования акустических эффектов давления, таких как рассеяние, дифракция, излучение, излучение и передача звука. Моделирование работает в частотной области, используя уравнение Гельмгольца, в то время как во временной области используется классическое уравнение скалярной волны. В частотной области доступны как FEM, так и BEM, а также гибрид FEM-BEM. В временной области доступны формулировки неявного времени (FEM), а также явные по времени (dG-FEM).
Существует множество вариантов учета границ в акустических моделях. Например, граничное условие может быть добавлено для стены или условие импеданса для пористого слоя. Порты могут использоваться для возбуждения или поглощения акустических волн на входе и выходе волноводов с помощью многомодового расширения. Источники, такие как предписанное ускорение, скорость, смещение или давление, могут применяться к внешним или внутренним границам. Кроме того, радиация или периодические граничные условия Флоке могут быть использованы для моделирования открытых или периодических границ.
Модуль акустики также может использоваться для моделирования акустики труб, вычисляя акустическое давление и скорость в гибких трубных системах. Приложения включают в себя системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, большие системы трубопроводов и компоненты музыкальных инструментов, такие как органные трубы.

Электроакустика: Динамики и микрофоны
При моделировании динамиков и микрофонов важно учитывать акустическое и структурное взаимодействие, когда давление жидкости вызывает жидкую нагрузку на твердую область, а структурное ускорение влияет на жидкостную область как нормальное ускорение через границу жидкости и твердого тела. Модуль акустики включает в себя различные возможности взаимодействия с акустической структурой.
Для моделирования преобразователей всех видов возможности, включенные в модуль акустики, легко сочетаются с функциональностью модуля AC/DC, модуля МЕМС или модуля структурной механики для создания полностью связанных мультифизических моделей FEM. Это включает в себя детальное моделирование магнитов и звуковых катушек в драйверах громкоговорителей или электростатических сил в конденсаторных микрофонах. В электровиброакустических (т.е. электромеханически-акустических или электроакустических) системах преобразователей легко использовать модели с комковыми цепей или двухпортовые представления для упрощения электрических и механических компонентов. Оба подхода решаются с помощью полной двусторонней связи. Существуют также функции для извлечения сгупных представлений из полных моделей FEM. Кроме того, можно моделировать и анализировать (линейное) поведение малого сигнала и нелинейную динамику большого сигнала. В миниатюрных преобразовательных системах, таких как мобильные устройства, конденсаторные микрофоны и приемники слуховых аппаратов, включено важное демпфирование из-за потерь термовязкого пограничного слоя. Существует также обширная функциональность для моделирования пьезоэлектрических преобразователей всех видов.

Микроакустика
Для точного микроакустического анализа акустического распространения в геометрии с небольшими размерами необходимо учитывать потери, связанные с вязкостью и теплопроводностью, в частности потери в вязких и термических пограничных слоях. Эти эффекты решаются полностью, автоматически включаются при запуске термовязкого моделирования с использованием модуля акустики и важны для моделирования виброакустики в миниатюрных электроакустических преобразователях, таких как микрофоны, мобильные устройства, слуховые аппараты и MEMS-устройства. В частности, существует специальное условие акустической скольжения стены для моделирования устройств MEMS с очень небольшими размерами или работы с низким давлением окружающей среды. Для детального моделирования преобразователя существуют встроенные мультифизические связи между конструкциями и термовязкими акустическими доменами.
Программное обеспечение учитывает дополнительные эффекты физики термовязкой акустики, включая полный переход от адиабатического к изотермическому термодинамическому поведению на очень низких частотах. Локальные нелинейные эффекты, такие как сбрас вихр в портах микродинамиков или перфораты, могут быть захвачены во временной области с добавлением нелинейных управляющих терминов.

Эластичные волны и ультразвук в твердых телах
Распространение звука в твердых телах происходит через малоамплитудные упругие колебания формы и структуры тела. Эти эластичные волны передаются в окружающие жидкости как обычные звуковые волны.
Акустический модуль может использоваться для моделирования распространения упругих волн в твердых и пористых материалах для однофизических или мультифизических приложений, таких как управление вибрацией, неразрушающий контроль (NDT) или механическая обратная связь. Области применения варьируются от микромеханических устройств до распространения сейсмических волн. Распространение эластичной волны над большими доменами, содержащими множество длин волн, решается с помощью метода dG-FEM высшего порядка, и является мультифизикой, включенной для связи с жидкостями, а также с пьезоэлектрическими материалами. Полная формулировка структурной динамики учитывает влияние волн сдвига, а также волн давления. Связанное распространение упругих и давящих волн в пористых материалах, решающих уравнения Био (смешанная формула p-u) может быть смоделировано, применимо как к изотропным, так и к анизотропным пористым материалам.

Ультразвук в жидкостях
Акустические сигналы с частотами, которые слишком высоки, чтобы быть слышны для людей, классифицируются как ультразвук. В жидкостях это означает, что ультразвуковые волны имеют короткую длину волны. Моделирование ультразвука в жидкостях требует расчета переходного распространения акустических волн в жидкостях на большие расстояния. С помощью программного обеспечения это моделирование может быть выполнено двумя способами: моделирование распространения волн, которое включает в себя фоновый поток, или моделирование эффектов мощной нелинейной акустики.
Можно решить проблему переходной линейной акустики в симуляции, которая содержит много длин волн в стационарном фоновом потоке, путем моделирования конвектного волнового уравнения. Приложения включают в себя расходомеры и выхлопные системы.
Для мощных нелинейных акустических приложений программное обеспечение способно улавливать прогрессивные явления распространения волн, когда совокупные нелинейные эффекты превосходят локальные нелинейные эффекты. Это включает в себя моделирование формирования и распространения ударов. Приложения включают в себя биомедицинские приложения, такие как ультразвуковая визуализация и высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук (HIFU).
Для обоих вариантов доступны мультифизические возможности для полного соединения модели с упругими волнами в структурах и/или с пьезоэлектрическими материалами.