What You Can Model with the Acoustics Module

Acoustics모듈을 포함한 COMSOL Multiphysics® 플랫폼을 확장하면, COMSOL® 소프트웨어의 핵심 기능을 포함하여 특화된 음향 및 진동 해석관련 특화된 기능에 접근할 수 있습니다.
Acoustics 모듈은 모델링을 위한 아래의 기능을 포함하고 있습니다:

Multiphysics Couplings

이 모델은 고유진동 해석을 통해 거실의 모달 거동을 연구하였습니다. 이 모델은 흡음면을 모델링하기 위해 복소 임피던스 조건을 포함하고 있습니다.

차량 실내의 음압 분포는 대시보드에 있는 작은 스피커 위치에 의해 발생합니다. 음향 모델은 라이닝, 카펫, 플라스틱 표면 및 시트의 복소값을 갖는 임피던스를 포함하고 있습니다.

Tonpilz 트랜스듀서 배열의 설계 및 해석은 소나 분야에서 사용됩니다. 모델은 경계 요소법으로 모델링한 해저에서의 압전 구조체 및 음향이 연성되어 있는 모델링입니다. 국소 민감도(spatial sensitivity)를 손쉽게 계산하고 가시화 할 수 있습니다.

5단 변속 기어박스 내의 진동 및 소음 모델링입니다. 기어 박스 진동 해석을 위한 과도 다물체 동역학 해석이 특정 엔진 스피드 및 외력에 대해 수행됩니다. 음향 해석은 근거리 및 원거리에서 SPLs을 알아냅니다.

What You Can Model with the Acoustics Module

음의 산란, 회절, 방출, 방사와 같은 음향 효과를 모델링하기 위해서, pressure acoustics 인터페이스를 사용할 수 있습니다. 주파수 영역에서 헬름홀츠 방정식이나 시간영역에서 고전 스칼라 음향 방정식을 통해 모델링이 가능합니다.

음향 모델에서 경계면에 대한 다양한 사양들이 존재합니다. 예를 들어, 벽면에 대한 경계조건 혹은 다공성 면에 대한 임피던스 조건을 추가할 수 있습니다. 규정 가속도, 속도, 변위 혹은 압력과 같은 음원 소스들은 내벽 혹은 외벽 조건에 적용 가능합니다. 더욱이, 개방 혹은 주기 조건을 모델링하기 위해 방사 혹은 플로킷(Floquet) 주기 경계조건을 사용할 수 있습니다.음향 관련 물리 인터페이스는 다공성 매질과 같은 복잡한 매개체에서의 음향 전파 거동을 모델링 할 수 있습니다. Delany-Bazley 혹은 Johnson-Champoux-Allard (JCA)과 같이 다공특성을 갖거나 섬유 재질 내에서의 음향 손실을 기술하는 다양한 모델이 있습니다. 협소 구역 내에서의 음향 모델은, 균일 단면을 갖는 미세 음향 가이드 내에 하드월을 포함한 모델과 동일한 방법으로 열점성 손실을 다룹니다.

근거리 및 원거리에서의 개방 경계 조건을 포함한 모델에서 외부장(exterior field)을 연산하고 가시화 할 수 있습니다. 국소 민감도 혹은 국소 응답이 극도표 혹은 지향성 플롯을 이용하여 가시화할 수 있습니다.

다공 매질 벽면을 갖는 머플러 시스템의 성능 해석. 주파수 영역 해석 결과는 시스템의 전달손실을 포함하고 있습니다. 여기서, 어너지 흐름(강도)이 음압 등가면과 함께 가시화 되었습니다.

무한면에 위치한 덕트가 달린 스피커. FEM-BEM 접급법을 이용한 방사 모델링: 드라이버를 FEM의 쉘로 모델링, 스피커 내부 음장에 대한 FEM 모델링 그리고, 방사영역에 대한 BEM 모델링. 음압분포는 3000Hz에 대해 나타내고 있습니다.

What You Can Model with the Acoustics Module
Acoustics 모듈을 통해, 제품 제작 및 설계에서 음향과 구조체 간에 상호작용을 해석할 수 있습니다. 기 정의된 상호연동으로 음향진동을 연구하거나 유동과 구조를 자동으로 연동할 수 있습니다. Solid Mechanics 인터페이스는 전단파와 구조체 내의 음압의 영향을 설명하고 탄성파를 분석하는 완전한 구조역학 방정식을 사용합니다. Poroelastic Waves 인터페이스는 Biot 지배방정식을 계산하는 다공성 매질 내에서의 탄성 및 음압의 연성된 파장을 모델링하는데 사용됩니다.

Multiphysics 연동은 실제 디바이스를 모델링 하기 위해 다공성 도메인, 구조 도메인, 압전체 및 유동 도메인을 손쉽게 연동할 수 있도록 도와 줍니다. 구조체에 외력이 인가된 상태에서의 조화 거동은 음향과 완전히 연동하는 것을 분석할 수 있습니다.

Application areas:

• 머플러의 구조진동 연동
• 스피커 구성부품
  • 인클로저(Cabinets)
  • 드라이버(Drivers)
• 기계류(Machinery)
• 진동소음
• 헤드폰
• 빌딩 내의 방음 및 전달
• 압전트랜스듀서
  • 초음파트랜스듀서
  • 선형 배열
  • 소나 트랜스듀서
  • 소나 배열
• 다공탄성파(Biot)를 포함한 다공성 재질의 상세 모델링
• 피드백(Feedback problems)

축 상의 민감도 및 국소 민감도를 결정하기 위한 덕트가 있는 스피커 유닛의 주파수영역 해석. 모델은 구조 쉘과 음향을 연동하였고, 기 설정된 Multiphysics 연동을 사용하여 설정하였습니다.

Tonpilz 드랜스듀서의 주파수 응답은 구조/음향 연성 응답을 알아내고자 연구됩니다: 변형, 응력, 방사압력, SPL, 원거리 빔 패턴, 전달 전압 응답 곡선, 그리고 음향 빔의 직진성

What You Can Model with the Acoustics Module
COMSOL® 소프트웨어의 기하음향은 음파가 특정 형상보다 작은 고주파수 시스템을 평가할 때 사용 가능합니다.
이러한 특성은 자동차 캐빈, 콘서트홀과 같은 공간이나 빌딩의 음향 해석에 유용하며, 해저의 음향 전파 및 대기 중의 음향해석에도 유용합니다.

Geometrical acoustics interfaces:

• Ray Acoustics
  • 음향광의 궤적, 위상, 강도 계산 및 충격응답과 리시버에 따른 에너지 감소 계산 및 후처리 기능
  • 음향광은 적층 미디어 내의 전파에 사용 가능한데, 해저 음향 연구에 필요합니다.

Acoustic Diffusion Equation

• 방 두 개에서의 음압분포 및 상이한 위치에서의 반향 시간의 결정
• 음향은 음향에너지 강도에 있어 확산에너지 방정식의 사용으로 간단하게 모델링이 가능합니다.

Application areas:
• 실내음향
• 콘서트홀 음향
• 해저 음향
• 자동차 캐빈 음향
• 실외 음향 전파
• 외기 음향

Ray Acoustics 인터페이스를 통한 소규모 콘서트홀의 음향 해석. 경계조건은 주파수 영역 흡수, 산란 특성을 포함하고 있습니다. 충격응답은 후처리 기능을 이용하여 재구성됩니다.

Acoustic Diffusion Equation 인터페이스는 2층집 내에서 주어진 음원에 대한 정상상태 SPL(acoustic energy density)분포를 해석합니다. Eigenvalue solver는 공간 잔향 시간을 계산합니다. time-dependent study는 에너지 소멸 곡선을 알아냅니다.

Aeroacoustics

Acoustics 모듈을 사용하여 두 단계로 개별적인 방법으로 접근하여 공력소음(CAA) 문제를 효과적으로 해석할 수 있습니다. 우선, CFD 모듈이나 사용자 정의 유동 프로파일로부터 툴을 사용하여 배경평균 유량을 알아내고, 그리고 나서 음향의 전파를 연산하는 것입니다. 이것은 대류음향 혹은 유동 기인 소음 해석이라 합니다.
기 정의된 인터페이스는 임의의 정상 등온 상태나 비등온 배경 평균 흐름 하에서 압력, 밀도, 속도 온도의 음향적 변화를 계산할 수 있습니다.

이에 대한 안정화된 유한요소 방정식은 아래와 같습니다:

• Linearized Navier-Stokes
• Linearized Euler
• Linearized potential flow

지배방정식은 유동에 기인한 유동기인 소음, 전달감쇠, 반사 및 회절을 설명하고 있습니다. 또한 주파수 영역에서 탄성 구조물과 연동한 FSI 해석에 대한 기능들이 있습니다.

Application areas:

• 제트엔진 소음
• 배경유동을 포함한 머플러
• 유량 측정기
• 코리올리 유량 측정기
• 유동을 포함한 라이너 및 천공이 있는 구조체 해석
• 연소 불안정성

헬름홀쯔 공진기의 음향 해석 및 선형 나비어스토크 방정식을 이용한 시스템 내의 평균 유량의 효과. 모델 그림은 유동의 전달 효과 및 난류에 기인한 희석을 나타내고 있습니다.

경계면에서 소음원에 의 해 발생하는 축대칭 형상의 엔진 덕트의 음향장을 모델링 하였습니다. 해석결과로는 압축비회전 배경흐름의 유무에 따른 덕트를 계산하였습니다.

Thermoviscous Acoustics

미소 영역에서 형상에서의 정확한 음향 해석은 점성관련 손실 및 열조건을 고려할 필요가 있습니다; 특히, 점성 손실 및 열 경계조건이 이에 해당합니다. 이러한 효과는 thermoviscous acoustics 인터페이스로 지배방정식에 포함되어 자동으로 이들을 고려한 해석을 수행합니다.
이러한 인터페이스들은 마이크로폰, 모바일 장치, 이어폰 및 MEMS 장치와 같은 미소 전기 음향 트랜스듀서 내에서 진동음향 모델링에서 적합합니다. 보다 상세한 트랜스듀서 모델링을 위해, 구조와 열점성 음향 도메인 간의 설정되어 있는 multiphyscis에서 연동할 수 있습니다.
인터페이스는 매우 낮은 주파수 영역에서 단열에서 등온상태에 이르는 전체 변화 거동을 포함하여 부가적인 효과를 설명합니다. 또한 매우 협소한 음향가이드나 덕트 내에서 전파 및 비전파 모드를 계산하고 규명할 수 있는 전용 인터페이스가 있습니다.

Application areas:

• 모바일 장치
• 소형 트랜스듀서
• MEMS
• 보청기
• 마이크로폰
• 천공 및 천공판

Ultrasound
Ultrasound 인터페이스는 파장대비 장거리에 걸쳐 과도 음향 전파를 계산하는데 사용됩니다. 사람이 들을 수 없는 주파수 영역의 음향 장애를 초음파라고 분류합니다. 이는 초음파 파장이 매우 짧은 파장을 갖는 것을 의미합니다.
Convected Wave Equation, Time Explicit interface인터페이스는 정상 배경 흐름 내에서의 많은 파장 길이를 포함한 거대 과도 선형 음향 문제를 계산하는데 사용됩니다. 이는 시간의존 음향 소스와 필드에서의 과도 해석에 적합합니다.
이러한 인터페이스는 불연속 갤러킨(dG)법에 근거한 시간 외연적분법을 사용하는데, 메모리의 효율적인 사용에 있어서 매우 적합합니다.

Application areas:
• 초음파 유량계
• 이동 시간에 따른 초음파 센서
• 유동내의 과도 음향 전파

Features and Functionality Included with the Acoustics Module

Acoustics 모듈의 기능의 주요 특징을 아래에서 살펴보시기 바랍니다.

Intuitive Modeling Workflow

COMSOL® 소프트웨어는 COMSOL Multiphysics® 로 작업하는데 용이한 작업흐름을 할 수 있도록 제공하고, Acoustics 모듈 혹은 부가 제품과 연동하여 사용할 수 있습니다.

모델링 스텝은 직관적이며, 아래와 같은 기능을 포함하고 있습니다:

• 형상 설정
• 재질 선정
• 적절한 지배방정식 선택
• 경계조건 및 초기조건 정의
• 자동 요소 생성
• 해석
• 결과 출력

Interfacing Capabilities for Other Software Platforms

모델에서 데이터를 사용하거나 복잡한 CAD 형상을 가지고 올 때, 요구에 부응하는 인터페이스 제품군이 있습니다. LiveLink™ 제품군을 통해 MATLAB®, Microsoft® Excel®, Inventor® 와 같은 다수의 제 3자 소프트웨어와 COMSOL Multiphysics®를 연동할 수 있습니다.

Numerical Methods and Studies

COMSOL® 소프트웨어 내에서 완벽한 해석을 수행하기 위해 사용되는 솔버는 유연하고 효과적입니다. 음향 영역에서의 문제는 넓은 주파수 대역에 걸쳐 있습니다. 해석 유연성은 전적으로 음향 지배방정식에 의존적입니다. 결론적으로, 모든 음향 문제와 관련한 적절한 단일 해석 방법은 없습니다.

Acoustics 모듈은 네 가지 상이한 해석 방법을 포함하고 있습니다: 유한요소해석, 경계요소법, 음향광 궤적법, 불연속 갤러킨 유한요소법이 있으며, 아래에 기술하였습니다. 상이한 해석 유형은 모든 필요한 해석 유형이 가능하도록 하기 위해 상이한 계산 지배방정식을 포함하고 있습니다. 이는 단순히 주파수영역, 고유진동수와 고유모드, 과도 해석에 국한된 것이 아닙니다. 전용 반복적 방법을 사용하면 수백만 자유도가 있는 대규모 다중 물리 및 다중 방법 문제를 모델링 할 수 있습니다..

The Acoustics Module includes formulations based on:

• FEM
  • 고차 요소를 포함한 가장 평이하고 다재다능한 해석방법
  • 주파수 도메인 및 시간 도메인 내연 방정식
• BEM
  • 요구되는 표면에서의 지배방정식의 적분
  • 구조(솔리드, 쉘, 멤브레인)과 유한요소(FEM) 음향 도메인간의 끊김 없는 완전 연동 기능 제공
• dG-FEM
  • 시간 외연 불연속 갤러킨법(Time-explicit dG method)
  • 수백만 자유도를 갖는 거대 모델의 과도해석을 위한 효율적인 메모리 사용
• Ray methods
  • 해저 및 실내 음향해석과 같은 고주파음향 모델링

The Acoustics Module includes the following studies:

• 주파수영역(Frequency domain) 해석
  • 음향 응답 및 주파수 영역에서의 응답 계산
• 과도 해석
  • 이도 시간 계산
  • 과도 설정 시간 해석
  • 광대역 음향 신호 분석
  • 비선형 거동 해석
• 고유진동 해석
  • 밀폐 공간 및 구조물의 모드 및 응답 주파수 계산
  • Q factor 및 손실계수 추출
• Mode analysis
  • 도파관 및 덕트 내의 전파혹은 비전파 모드 계산

Acoustic Losses

모델에 음향손실을 포함하는 것은 간단합니다. 이런 경우에, Poroelastic Waves 인터페이스를 통한 Biot 이론을 계산함으로써 다공성 매질에 대한 모델링을 가능하게 합니다. 달리 말하면, 다공성 매질 영역은 pressure acoustics에서 Poroacoustics 재질 사용을 통해 등가 유체 영역에 대한 접근방법으로 모델링이 가능합니다. Poroacoustics은 Delany-Bazley, Miki 및 Johnson-Champoux-Allard 모델을 포함하고 있습니다. 손실 및 감쇠는 사용자가 정의한 수식, 측정에 기인한 데이터, 분석 모델도 포함하고 있습니다.
열 및 점성 손실을 포함한 상세 모델은 Thermoviscous Acoustics 인터페이스에서 설정이 가능합니다. 이는 열점성 및 열경계 조건과 연관된 모든 효과를 포함하고 있습니다. 이들 감쇠모델에서, Multiphysics 노드를 통해 간단히 진동하는 구조체와 연동이 가능합니다. 음향가이드나 균일단면을 갖는 구조체에서 경계에서의 균일 손실에 근거한 단순화한 접근방법은 음향 문제에서 Narrow Region Acoustics 재질을 사용하여 달성할 수 있습니다.
높은 유량구배, 온도구배, 혹은 난류를 포함한 유동 거동과 같은 음향 신호의 감소는 Linearized Navier-Stokes 인터페이스에서 상세하게 모델링 할 수 있습니다. 배경 흐름은 CFD모듈을 통해 계산 가능합니다.

Electroacoustics Capabilities
Acoustics 모듈에 포함되어 있는 트랜스듀서의 기능을 모델링 할 때, 완전히 연동되는 FEM 모델을 생성하기 위해AC/DC 모듈 이나 MEMS 모듈의 기능을 함께 사용합니다. 이는 스피커 드라이버나 콘덴서 마이크로폰에 있는 보이스 코일이나 자석 상세 모델을 포함하고 있습니다. 전계-구조-음향이 연동되는 트랜스듀서 시스템에서 전계 및 구조부품의 단순화를 위해 더미 회로 모델을 사용하는 것이 용이합니다. 둘 다, 완전 연동된 모델로서 해석이 가능합니다.

예제들은 여기에 국한되지 않고 아래 사항들을 포함하고 있습니다:

• 완전 연동 스피커 모델링
• 스피커 드라이버
• 더미 서킷 모델과 유한요소모델 과의 연동
• 자계 부품의 최적화를 위한 AC/DC 모듈의 사용
• 마이크로폰
• 멤스 마이크로폰

Open Domains and Radiation Problems

음향해석에서, 음파가 임의의 반사 없이 방사되는 개방공간의 문제를 해석하는 것이 일상적입니다. 이는 트랜스듀서의 국소 민감도 모델이나 소나 적용사례에서의 산란을 다룬 모델링을 포함합니다. 무반사 경계 모델링은 다양한 기술과 기능을 통해 달성할 수 있습니다. 임피던스나 방사 조건은 단순 문제에 대해 존재합니다. 예를 들어 복잡한 방사패턴이나 물리현상에 대해, 스폰지 레이어라 불리는 것을 사용하는 것이 이로울 수 있습니다.

Acoustics 모듈은 이러한 목적으로 여러 가지 지배방정식을 포함하고 있습니다:

• PML은 모든 주파수 영역 모델에 적용 가능합니다.
• 시간 영역에 대한 PML 은 Pressure Acoustics, Transient 인터페이스에서 가능합니다.
• 흡음 영역이라 불리는 AL은 불연속 갤러킨 유한요소법(dG-FEM) 및 Linearized Euler 인터페이스에 근거하여 모든 인터페이스에서 가능합니다.

복합 FEM-BEM접근을 통해 모델링하는 다중 물리 기능을 통해, 개방 공간에 관한 문제는 경계요소법이나 Pressure Acoustics, Boundary Element 인터페이스를 통해 쉽게 다룰 수 있습니다.

Equation-Based Modeling: Modify the Governing Equations or Set Up User-Defined Multiphysics Couplings

전체 해석을 완벽하게 제어하기 위해, 지배방정식이나 경계조건을 소프트웨어 내에서 직접 수정하는 방정식 기반 모델링의 사용이 가능한데, 더욱이 자체 해석을 위해 맞춤 모델 작성이 가능합니다. 예를 들어, Acoustics 모듈이나 새로운 Multiphysics 연동 설정에서 사전 정의되지 않은 물리현상을 모델링할 수 있습니다. 이는 구성 방정식을 추가하거나 수정함으로써 비선형 효과를 고려하기 위한 수정된 재질 모델을 포함하고 있습니다. 비정규화된 방법에 있어서 물리현상의 연동 또한 가능합니다. 음향 스트리밍을 모델링하기 위해 음향 및 유동의 연동 혹은 음파에 의해 발생하는 비선형 와류 발생 현상을 포함합니다.
추가적인 이러한 방안으로 인해, 방정식 기반 모델링 접근법을 사용함으로써, 기본적인 코딩의 필요성을 제거하였고 모델링의 유연성을 증가시켜 해석 설정에 소요되는 시간을 줄일 수 있습니다.

Simulation Apps: Simplified Modeling Workflow

여러분의 팀 내부에 팀원들이 동일한 해석을 반복적으로 할 필요가 없다면 새로운 프로젝트에 기여할 수 있는 시간과 노력을 생각해 보십시오. COMSOL Multiphysics®에 있는 Application Builder를 통해, 동료들이 자신들의 해석을 수행하도록 입력값을 제한하고 출력값을 조정해서 해석 작업 과정을 단순화한 해석 앱을 만들 수 있습니다.
앱을 통해, 음향 임피던스와 같은 설계 매개변수를 쉽게 변경하여 해석함으로써 전체 해석을 다시 수행할 필요가 없습니다. 앱을 사용하여 보다 빠르게 자체 테스트를 시행하거나, 더 나아가 다른 프로젝트에 투여되는 시간과 리소스를 확보할 수 있습니다.

프로세스는 간단합니다:

• 복잡한 음향 모델을 단순 사용자 정의 인터페이스로 변경(an app)
• 앱 사용자를 위한 입력 및 출력값의 설정으로 요구에 맞춰 앱 설정
• 앱 생성을 위한 COMSOL Server™ 의 사용 및 다른 팀원이 접근 가능하도록 만듦
• 외부 도움 없이 자체 디자인 해석이 가능하도록 모델링 구축

앱을 사용하여 만든 모델을 가지고 팀 조직, 학교 혹은 고객 전반에 걸쳐 해석 능력을 확장할 수 있습니다.