For Modeling a Variety of Different Acoustics Applications

Acoustics Module 은 액체와 고체에서 소리의 전파를 해석 할 수 있도록 물리적인 인터페이스(관련 모델링 및 해석 도구를 사용한 사용자 인터페이스)로 구성되어 있습니다. Acoustics Module안에는, pressure acoustics, acoustic-structure interaction, aeroacoustics, 및 thermoacoustics가 있습니다.

Pressure acoustics 물리 인터페이스를 이용한 음향 해석은 산란(scattering), 회절(diffraction), 방출(emission), 방사(radiation) 및 소리의 전파(transmission of sound)와 같은 대표적인 문제를 쉽게 모델링 할 수 있습니다. 이러한 문제들은 머플러 디자인, 스피커 구성, 흡음제 및 확산기의 방음, 지향성과 같은 음향패턴 방향의 평가, 소음 방사 문제 등과 관련 있습니다.

Acoustic-structure interaction 인터페이스는 구조의 탄성파와 유체에서 발생된 소리 및 이들이 상호작용하는 연동 문제를 모델링 할 수 있습니다. 예를 들어, acoustic-structure interaction은 상세한 머플러 디자인, 초음파 압전체 액츄에이터, 수중음파 기술과 자동차 산업에서 기계의 소음 및 진동 해석에 사용됩니다. COMSOL Multiphysics 기능을 이용하여 전기음향 변환기, 스피커를 비롯한, 센서, 마이크 및 리시버를 해석 및 설계 할 수 있습니다.

공력소음(aeroacoustics)을 위한 물리 인터페이스는 외기 흐름(external flow)과 음향 영역(acoustic field) 간의 단방향(one-way)으로 상호 작용하는 유체를 매질로 하는 소음을 모델링 하는데 사용됩니다. 응용 분야는 제트 엔진의 소음 분석으로부터 바람 센서 해석분야에 이릅니다.

음향광(Ray tracing)이나 음향확산(Acoustic diffusion) 지배방정식을 포함하는 형상을 고려한 음향 해석 인터페이스가 있습니다. 이들은 방이나 빌딩 내에서의 음향 모델링 해석에 사용됩니다. 음향광 해석은 또한, 해저 내에서의 음향해석 혹은 대기 내에서의 음향 해석에 적용할 수 있습니다.

열음향 해석(thermoacoustic application)은 제공되는 적절한 인터페이스를 이용하여 정확하게 모델링 할 수 있습니다. 이러한 인터페이스는에서는 고려해야 하는 휴대폰, 보청기, MEMS응용분야 및 변환기 설계 작업과 같은 소형 시스템을 정확하게 모델링 할 수 있습니다.

Multiphysics Coupling

COMSOL Multiphysics® 환경 내에서 완벽하게 연동되는 Acoustic Module은 다양한 다중 물리 현상을 해석하기 위해 기타 module과 함께 연동시킬 수 있습니다. Acoustic-shell 혹은 thermoacoustic-shell인터페이스에 대한 다중 물리 연성해석의 경우, Acoustics Module을 Structural Mechanics Module과 함께 연동할 때 이용할 수 있습니다. 유사하게, pipe acoustics와의 연동은 Pipe Flow Module을 함께 사용할 때 가능합니다.

다중물리 연동 및 기 선정된 다중물리 인터페이스는 Multiphysics node의 도입으로 COMSOL Multiphysics에서 설정이 가능합니다. 예를 들어, 유체 매질에서의 pressure acoustics과 구조체의 structural mechanics와의 연동은 Acoustics인터페이스와 Solid mechanics인터페이스를 각각 추가하여 COMSOL Multiphysics에서 구현할 수 있으며 이들을 multiphysics 노드 하부 메뉴에서 경계면에서의 연동을 설정하여 사용 가능합니다. 이러한 기능은 두 가지 물리 현상의 분리화나 단 방향 연성뿐만 아니라 Acoustics 및 Solid Mechanics 인터페이스에서 모든 기능을 제어할 수 있습니다.

많은 다중물리현상의 연동에서 조건을 부여할 수 있는 것이 Acoustic-Structure Boundary, Aeroacoustic-Structure Boundary 그리고 Thermoacoustic-Structure Boundary multiphysics 인터페이스에 있습니다. 이들은 유동영역과 구조, 외기 내부 쉘 혹은 멤브레인을 포함하는 구조영역과 연동됩니다. Acoustic-Thermoacoustic Boundary, Acoustic-Porous Boundary, 그리고 Porous-Structure Boundary 인터페이스에서 이용 가능한데 반해, Piezoelectric Effect multiphysics 인터페이스는 압전체를 모델링 하기 위해 Solid Mechanics 인터페이스와 Electrostatics 인터페이스와 연동합니다. 모든 다중물리 연동 인터페이스는 기본적으로 완벽한 연동이 가능하나, 단방향 연동 및 연동의 분리는 Multiphysics 노드를 조작함으로써 해결할 수 있습니다.

Consistent Workflow

Acoustics Module은 COMSOL 제품 군에 있는 추가 가능한 다른 모듈의 동일한 작업순서에 추가할 수 있습니다. 모든 모델링 과정은 COMSOL Desktop® 에서 접근하고 기하학적 형상 정의, 재료 선택, 적절한 물리 인터페이스 선택, 경계 및 초기 조건 정의, 자동으로 유한 요소 메시 만들기, 해석 및 결과 표시를 포함합니다. Acoustics Module의 시뮬레이션은 Optimization Module은 기하학적 치수, 음향 전달 등을 최적화 하기 위해 Acoustics Module 과 결합할 수 있습니다.

Connecting the Acoustics Module with CAD, MATLAB®, and Excel®

반복적인 모델링 작업의 경우, LiveLink™ for MATLAB® 은 MATLAB® 스크립트 및 함수가 COMSOL 해석에 구동 할 수 있도록 합니다. COMSOL Desktop® 에서 사용할 수 있는 모든 작업 대신 MATLAB 명령을 사용하여 접근 할 수 있습니다. 또한 기존의 MATLAB 코드를 MATLAB 환경에서 COMSOL 명령과 혼합하여 사용 할 수 있습니다. 스프레드 시트에서 구동하는 음향 시뮬레이션의 경우, LiveLink™ for Excel® 은 COMSOL 환경에서 정의된 매개 변수를 스프레드 시트의 데이터로 동기화하여 COMSOL Desktop® 에서 모델링 하는데 유용한 대안을 제공 합니다. CAD Import Module과 LiveLink™products for CAD 제품은 쉽게 CAD 모델을 이용한 음향 해석을 할 수 있습니다. LiveLink™ 제품을 사용하면 CAD 제품 환경에서 완전한 매개변수 CAD 모델을 유지하여, COMSOL Multiphysics 내부에서 형상 치수를 제어 할 수 있습니다. CAD 제품에 음향 모델을 연결하여 동시에 여러 모델 매개 변수를 통해 parametric sweeps을 수행 할 수 있습니다.

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Flexible and Robust Acoustics Modeling

Acoustics Module의 지배방정식은 최신 솔버와 함께 고차 성분 이산화와 유한요소법을 사용하여 계산됩니다. 미분방정식은 모두 주파수 및 시간 영역 시뮬레이션을 다룰 수 있습니다. 음향 및 변위 영역, 음압 레벨, 응력 및 변형, 또는 자유롭게 정의 가능한 물리량의 표현뿐 만 아니라 추출하여 테이블화 된 값의 결과는 기 설정된 결과를 통해 그래픽 창에 표시됩니다.

Simulations Including Acoustic Losses

Acoustics Module 은 방음, 스피커, 마이크 및 머플러 모델링에 이르기까지 다양한 응용 분야의 많은 예제를 Model Library에서 제공하고 있습니다. 이 예제들은 음향 손실을 해석하는 방법을 보여줍니다. Acoustics Module의 손실 모델은 경험에 상응하는 섬유 재료에 대한 유체모델로써, Poroelastic Waves 인터페이스에서 Biot’s이론을 사용한 결과와 Thermoacoustics 인터페이스를 사용한 완전 열적 및 점성 손실모델이 있습니다.

Easy-to-use Physics Interfaces for Acoustics Analysis

Pressure Acoustics

인터페이스는 스칼라 음압 영역을 통해 음장을 묘사하고 해결합니다. 음압 영역은 주위의 정압(stationary pressure)에 대한 음향 변화(또는 과잉 압력)를 나타내고 있습니다. 흐름이 없을 경우 주위 압력은 단순히 절대 정압입니다. 물리 인터페이스는 주파수 영역에서는 Helmholtz 방정식으로 계산하거나, 과도 시스템의 경우에서는 고전적인 파동 방정식으로 해결할 수 있습니다. boundary mode acoustics를 위한 특정 음향 인터페이스는 도파관 및 덕트의 전파 모드를 연구 하는데 사용 되고, 이는 유한한 모양의 세트 또는 모드가 더 긴 거리에 걸쳐 전파 할 수 있다는 사실에 근거합니다.

다양한 경계조건을 사용할 수 있는데, 단단한 벽(hard wall), 임피던스(impedance condition), 방사(radiation), 대칭(symmetry) 그리고 주기조건(periodic condition)을 개면(open boundary)이나 음원 소스에 대한 모델링을 하는데 사용 가능합니다. 인터페이스는 다공성 재료, 섬유 재료, 뿐만 아니라 점성 유체 및 열전도와 같은 더 복잡한 매질에서 소리의 전파 거동을 모사 하는 것에 일부 상응하는 유체 모델이 있습니다. 협소구간에서의 음향 모델은 협소 구간에 있는 단단한 경계조건과 함께 연동할 수 있는 열점성손실 (thermoviscous losses)을 추가할 수 있습니다. Perfectly matched layers (PMLs)는 무한하게 확장 되는 도메인을 모사하고 발신 음파를 흡수하여 계산 영역을 줄일 수 있습니다.

계산 영역 밖의 임의의 지점에서 압력 및 위상 정보를 결정하는데 far-field 기능을 이용할 수 있습니다. 결과 및 해석 능력은 2차원 및 3차원 극좌표로 가시화할 수 있습니다.

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Acoustic-Structure Interaction

유체-고체 경계의 한쪽에서 Acoustic-Structure 연동 인터페이스는 유체의 압력이 고체 영역에 작용 하고 다른 쪽에서 구조적인 가속이 유체 영역에 작용합니다. 인터페이스는 모든 주파수 영역과 시간 영역 및 3D, 2D, 2D축 대칭 형상 모델의 acoustic-solid, acoustic-shell, acoustic-piezoelectric interactions을 다루고 있습니다. Acoustics Module과 Structural Mechanics Module을 결합하면 구조의 쉘을 포함한 고급 구조 모델링 인터페이스를 이용할 수 있습니다.

탄성파(Elastic waves)는 음향 연구자들에게 있어서 중요한 분야입니다. Acoustic Module을 이용하여 여러분은 구조체 내에서 횡파(shear wave)나 압력에 의한 파장을 포함한 완벽한 structural-dynamics 지배방정식을 얻기 위해 Solid Mechanics 인터페이스를 사용할 수 있습니다.
Acoustic-Piezoelectric Interaction은 acoustic-structure interaction을 매우 정확하게 해석할 뿐만 아니라 압전 재료의 전계(electric field)를 모델링하고 해석 할 수 있습니다. AC/DC Module 또는 MEMS Module 과 결합하여, SPICE 회로 압전 해석을 할 수 있습니다. 예를 들어 이 기능은 나머지 전체 유한 요소 기술을 사용 하면서 변환기의 특정 부분을 설명하는데 집중 모델(lumped model)을 사용하면 유용합니다. 모델은 완벽하게 결합 되어 있습니다.

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Pipe Acoustics 인터페이스(Pipe Flow Module과 함께 이용 가능한)는 유연한 파이프 시스템에서의 음파 확산을 1차원으로 모델링 할 수 있습니다. 방정식은 정적 흐름의 가능성을 갖고 있는 파이프 벽면의 컴플라이언스 효과를 포함한 일반적인 방법으로 구성되어 있습니다.
Elastic Waves 인터페이스는 전단파(shear waves)와 압력파(pressure waves)의 모든 효과를 포함하고 있는 구조-동역학(structure-dynamics) 방정식입니다. Biot’s 이론을 이용함으로써, Poroelastic Waves인터페이스는 매질과 유체 영역을 연동하는데 다중물리 연동 경계조건을 통해 포화 유체 내에서 구조체의 변형과 압력 간의 양방향 연동을 포함하는 다공성 매질 내에서의 음의 전파를 정확하게 모델링 할 수 있습니다.

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Geometrical Acoustics

Geometrical Acoustics은 Ray Acoustics 및 Acoustic Diffusion 지배방정식 인터페이스를 포함한 영역입니다. 두 가지 인터페이스의 물리 현상은 파장이 구조체의 특정 형상크기보다 작은 지점에서 고주파 영역에 대한 해석을 할 때 유효합니다. 이는 룸에 대한 Schroeder주파수보다 높은 주파수 영역입니다. 인터페이스 둘 다 콘서트홀과 같은 룸이나 빌딩 내에서 음향 모델링을 하는데 적합합니다. Acoustic Diffusion Equation은 공간 내에서만 사용이 가능한 반면 Ray Acoustics 인터페이스는 해저음향(ocean acoustics)이나 외기 음향(atmosphere acoustics)에서 사용 가능합니다. 경계면에서의 음향 물성치는 흡음에 대한 다양한 모델을 통해 구현할 수 있습니다.

Ray Acoustics physics 인터페이스는 궤적(trajectories), 위상(phase) 그리고 음향광의 강도(intensity)를 계산하는데 사용됩니다. Ray acoustics는 파장이 특정 형상의 크기보다 작은 영역에서 고주파 영역 해석을 수행 시 유효합니다. 인터페이스는 방, 콘서트홀, 학교, 사무실 혹은 다양한 외부 환경에서 사용할 수 있습니다. 음향광이 전파되는 매질의 물성은 매질영역이나 경계에서 불연속 구간에서 연속적으로 변할 수 있습니다.

외부 경계에서, 반사와 분산의 조합된 형태를 포함하는 여러 가지 벽면 조건(wall conditions)을 설정할 수 있습니다. 임피던스(impedance)와 흡음률(absorption)은 주파수, 강도(intensity), 그리고 음향과의 방향에 의존합니다. 전달률(transmission) 혹은 반사율(reflection) 또한 재질의 불연속 지점에서 모델링이 가능합니다. 배경속도(background velocity)는 임의의 매질에서 정의할 수 있습니다.

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Acoustic Diffusion Equation 인터페이스는 음향에너지밀도(acoustic energy density)에 대한 확산방정식을 계산합니다. 이는 음향 확산이 발생하는 고주파 음장에 대해 적용할 수 있습니다. 확산물리량(diffusion properties)은 방 형상이나 벽의 흡수량(absorption properties), 룸 피팅(평균 단면과 감쇄에 근거한 평균 체적 흡수량의 사용), 그리고 체적 감쇄률(volumetric attenuation, 대형 체적 내에서만 점성 및 열 영향 유효)에 의해 결정됩니다. 인터페이스는 빌딩 내부나 규모가 큰 구조물 내에서의 음압레벨분포를 빠르게 도출하는데 적합합니다.

Acoustic Diffusion Equation 인터페이스는 다른 위치에서 반향 시간을 결정하는데 사용할 수 있습니다. 이는 과도해석이나 에너지 감소곡선의 관찰, 혹은 고유치 해석으로 수행될 수 있습니다. 모든 소스(source), 흡수 매개변수(absorption parameters), 그리고 전달손실률(transmission losses)은 module에서 제공되는 밴드 중의 하나를 이용하여 결정할 수 있습니다. 이러한 입력유형이나 고려되는 밴드에 대한 parametric sweep을 이용하여, 사용자는 쉽게 결과를 표현할 수 있으며, 이러한 밴드에서의 다른 결과들을 나타낼 수 있습니다.

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Pipe Acoustics 인터페이스(Pipe Flow Module과 함께 사용 가능한)는 유연한 파이프 시스템에서 음의 전파 1D 모델링을 위해 사용됩니다. 방정식은 일반적으로 고정 된 배경 유동의 가능성을 따른 파이프 벽의 영향을 포함하도록 공식화 되었습니다. Elastic Waves 인터페이스는 전단 파와 압력 파의 모든 효과를 포함한 전체 구조 역학 공식입니다. Poroelastic Waves 인터페이스는 정확하게 Biot’s 이론을 이용하여 포화 유체에서 고체 매트릭스의 변형과 압력 파 사이의 양방향 커플 링을 포함한 다공성 물질의 소리의 전파를 모델링 합니다.

Aeroacoustics

이상적으로, 공력음향 시뮬레이션은 시간 영역에서 완전 압축 Navier-Stokes 방정식을 푸는 것이 포함되는 것입니다. 음향 압력 파장은 유체 결과의 부분에 속합니다. 이 방법은 계산 결과의 정밀도, 계산 시간 및 메모리 자원으로 인하여 종종 실제 응용분야에서 비현실적 입니다. 대신에, 이런 많은 현실적인 공학 문제를 풀기 위하여, 연동되지 않은 2 단계로 접근하여 이용합니다. 첫째로 배경 평균 유체 흐름(background mean fluid flow)을 해결 후, 유동의 음향 섭동(acoustic perturbations)을 해결 합니다. 이것은 매우 중요하여 음향 필드와 배경 유체 흐름의 단 방향 상호작용이며 유체 발생 소음/소리로 잘 알려져 있습니다.

Acoustics Module에서 유체 발생 소리의 주된 기능은 Linearized Euler 물리 인터페이스 입니다. 이것은 압력, 속도 및 주어진 배경 평균 유속으로 음향 변화를 계산하는데 사용됩니다. 그리고, 배경 흐름(background flow)을 이상기체(또는 이상기체에 가장 근접한)로 추정하고, 열 또는 점성을 고려하지 않은 에너지 방정식을 포함하는 linearized Euler방정식으로 해결합니다. Linearized Euler 물리 인터페이스는 시간 영역, 주파수 영역 및 공진주파수를 연구할 수 있습니다. Linearized Euler 방정식을 포함하여 이용 가능한 공력 소음 예는 제트 엔진으로부터 소음의 전파 해석, 비등방성 흐름(non-isothermal flow)이 존재하는 머플러의 감쇠 특성 모델링 및 가스 유량계의 연구가 있습니다. 이 모든 상황에서 가스 배경 흐름이 유체 내 음향 파장의 전파에 영향을 미칩니다.

공식 fluid-potential을 기반으로 한, 간단한 단 방향 상호작용을 위한, Linearized Potential Flow 물리 인터페이스는 주파수 및 시간영역 해석을 할 수 있습니다. Compressible Potential Flow 인터페이스는 본래 비 회전인 것과 같이 소용돌이가 없는 점성, 압축 유체의 배경 평균 흐름을 모델링 하는데 사용됩니다. Boundary Mode Aeroacoustics 인터페이스는 배경 흐름 장 내에서 경계 모드 음향 문제를 연구하는데 사용되며, 일반적으로 유입 부분에 특정한 소스를 사용합니다.

Thermoacoustics

Acoustics Module은 크기가 작은 형상에서 음향의 정확한 시뮬레이션이 중요하기 때문에 thermoacoustics(viscothermal 또는 thermoviscous acoustics으로 알려진)을 위한 최상의 모델링 기능을 제공합니다. 벽 근처에서 점성 및 열 경계층이 중요해지고, 점도 및 열전도가 큰 손실을 가져옵니다. 이것은 열 전도 및 점성손실의 영향을 명시한 지배방정식에 포함하는 것이 필요합니다. Thermoacoustics의 물리 인터페이스는 선형 압축성 흐름 방정식의 전체 설정을 해결하고 linearized Navier-Stokes, continuity 및 energy equations 모두 사용 됩니다. Thermoacoustics 모델링은 자세한 모사를 하기 위해 필요 하므로 모든 물리 인터페이스는 동시에 음압, 입자 속도 벡터와 음향 온도 변화를 해석합니다.

Thermoacoustics 물리 인터페이스에서는 지배 방정식들이 time-harmonic formulation 처럼 구현되고 frequency domain 에서 해결됩니다. 음압 도메인에 열 음향 도메인을 연결하면 간단하게 사전에 정의된 경계 조건으로 설정됩니다. Thermoacoustic-Solid Interaction 인터페이스를 사용할 수 있으며 결합된 진동 음향을 풀기 위해 쉽게 만들 수 있습니다. 예를 들어, 소형 전기 음향 변환기 또는 MEMS 디바이스 에서 감쇠를 모델링 하는데 사용할 수 있습니다. 사전 정의 된 경계 조건은 구조체와 유체의 도메인 사이에 존재 합니다. Thermoacoustic-Shell Interaction 인터페이스는 크기가 작은 쉘과 음향 사이의 상호 작용을 모델링 하는 데 사용 됩니다. 이것은 보청기의 쉘 감쇠 진동을 분석하고 피드백 문제를 방지하기 위해 사용 됩니다.

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Additional images:

 

Product Features

• 음향확산(Acoustic diffusion, EFEM)
• 음향-다공성 매질 연동(Acoustic-porous interaction)
• 음향-쉘 연동(Acoustic-shell interaction)
• 음향-고체 연동(Acoustic-solid interaction)
• 음향-구조 연동(Acoustic-structure interaction)
• 공력소음(Aeroacoustics)
• 배경음압 영역(Background pressure field)
• 압축성 유동(Compressible potential flow)
• 탄성파(Elastic waves)
• 등가 유동 모델(Equivalent fluid models)
• 원거리장(Far-field) 및 지향성 계산(directivity calculations)
• 기하 음향(Geometrical acoustics)
• 임피던스(Impedance), 전반사(hard-wall), 부분반사(soft-wall boundaries)
• 선형 오일러 방정식(Linearized Euler)
• 선형 내비어-스톡스 방정식(Linearized Navier-Stokes)
• 다중물리 연동(Multiphysics couplings)
• 협소구간 음향 해석(Narrow region acoustics)
• 무한공간 모델링을 위한 흠음영역(Perfectly matched layers)
• 주기 및 순환 조건(Periodic and cyclic conditions)
• 압전음향(Piezoacoustics)
• 압전 장치(Piezoelectric devices)
• 파이프 음향해석(Pipe acoustics)
• 다공성 매질 음파(Poroelastic waves, Biot)
• 다공성 매질 음향(Poroacoustics)
• 음압 해석(Pressure acoustics)
• 방사 경계 조건(Radiation Boundary Conditions)
• 음향광 해석(Ray acoustics)
• 구조 진동(Structural vibrations)
• 열음향(Thermoacoustics)
• 열손실(thermal loses) 및 점성 손실(viscous losses)
• 열점성 음향(thermoviscous acoustics) 점성열 음향(viscothermal acoustics)
• 시간 영역(time domain), 주파수 영역(frequency domain), 그리고 모달 해석(modal analyses)

Application Areas

• 흡음(absorbers) 및 확산(diffusers)
• 음향 클로킹(acoustic cloaking)
• 음향 방사(acoustic radiation)
• 음향 흐름(Acoustic streaming)
• 생체음향 적용분야(bioacoustic applications)
• 대용량 음향(bulk acoustic waves, BAW)
• 콘서트홀 음향(Concert hall acoustics)
• 전계음향 변환기(Electroacoustic transducers)
• 유동기인 소음(Fluid-borne noise)
• 주파수 도메인에서의 FSI
• 보청기(Hearing aids)
• 충격 음향(Impulse response)
• 제트소음(Jet noise)
• 스피커(Loudspeakers)
• MEMS 음향센서(MEMS acoustics sensors)
• MEMS 마이크로폰(MEMS microphones)
• 마이크로폰(Microphones)
• 모바일장치(Mobile devices)
• 머플러(Mufflers)
• 악기(Musical instruments)
• 기기의 소음진동(Noise and vibration of machinery)
• 음향 저감 재질 및 절연(Noise reducing materials and insulation)
• 비파괴검사(Non-destructive testing, NDT)
• 오일 및 가스 폭발(Oil and gas exploration)
• 압전음향 변환기(Piezoacoustic transducers)
• 반응 및 흡음 머플러(Reactive and absorptive mufflers)
• 룸 및 빌딩 음향(Room and building acoustics)
• 변환기(Transducers)
• 센서 및 수신기(Sensors and receivers)
• 초음파 장치(Sonar devices)
• 표면탄성파(Surface acoustic waves, SAW)
• 음향절연(Sound insulation)
• Vibroacoustics
• 우퍼 및 서브우퍼(Woofers and subwoofers)
• 초음파적용(Ultrasound applications)
• 해저음향(Underwater acoustics)