Analyze Acoustics and Vibrations
with the Acoustics Module
Software for Modeling Acoustic Behavior of Products and Designs
음향 현상을 이용하는 제품 설계에서 음질이나 소음 감소를 예측하는 인자를 연구하는 모델을 만들 수 있습니다. Acoustics 모듈은 COMSOL Multiphysics® software 추가하여 사용하게 되고 음향과 진동 분야의 모델을 시뮬레이션 할 수 있는 기능을 제공합니다. 관련 분야는 스피커, 휴대용기기, 마이크, 소음기, 센서, 음파탐지, 유량 측정 분야 등이 있습니다. 음장을 가시화하거나 가상 모사 품을 생성 할 수 있는 기능을 제공하고 있습니다.
구체적인 연구를 위해서 다른 물리 현상과 연동한 해석이 가능합니다. 구조역학, 압전효과, 유동 현상까지 연동이 가능합니다. COMSOL에서 제공되는 다중물리 연동 기능이 포함되어 있어서 좀더 현실과 비슷한 환경에서 설계하거나 제작한 제품의 성능을 평가 할 수 있습니다.
특정 분야에서 사용 가능한 재료 모델, 다양한 방정식을 제공하고 있습니다. 그 예로서 열점성 음향은 작은 크기의 방출기와 휴대용 기기에 사용가능하고 Biot’s 수식은 공탄성파를 모델링에 사용 할 수 있습니다. 다중물리 상황에 맞게 확장 가능한 수치 방법을 제공하는데 유한요소법, 경계요소법, 음선추적, 불연속 Galerkin 유한요소법이 제공되고 있습니다.
What You Can Model with the Acoustics Module
Acoustics 모듈을 사용하게 되면 음향과 진동 분석에 특화된 기능을 추가로 사용 가능하게 됩니다.
The Acoustics Module includes tools for modeling:
- 흡음
- 음향 차폐
- 음향 방사
- 음향 스트리밍
- 마이크로폰
- 모바일 장치
- 실내의 모달 거동
- 머플러
- 생체음향 적용
- 벌크 탄성파(BAW)
- 콘서트홀 음향
- 대류음향
- 연소 불안정성
- 코리올리 유량 미터
- 자동차 캐빈 음향
- 디퓨저
- 전자음향 트랜스듀서
- 유량 측정기
- 유동기인 소음(Fluid-borne noise)
- 주파수 영역의 유동-구조 연동
- 보청기
- 충격응답
- 제트소음
- 스피커
- MEMS 음향센서
- MEMS 마이크로폰
- 악기
- 기계의 소음 및 진동
- 소음 감소 재질 및 설치
- 비파괴검사(NDT)
- 오일 및 가스 폭발
- 압전음향 트팬스듀서
- 머플러(Reactive and absorptive mufflers)
- 공간 음향(Room and building acoustics)
- 트랜스듀서
- 센서 및 리시버
- 소나 장치
- 표면 탄성파(SAW)
- 차음
- 진동소음
- 우퍼 및 서브우퍼
- 초음파
- 초음파 유량 측정기
- 초음파 트랜스듀서
- 해저음향
Multiphysics Couplings
Included in the Acoustics Module:
- 음향-구조 연동(Acoustic-structure interaction)
- 압전체에서의 음향-구조 연동(Acoustic-structure interaction in piezoelectric materials)
- 음향-다공음향 연동(Acoustic-poroelastic waves interaction)
- 다공음향-구조 연동(Poroelastic-structure interaction)
- 음향 유한요소 및 경계요소법 연동(Coupling acoustic FEM and BEM domains)
- 음향-열점성 음향 연동(Acoustic-thermoviscous acoustic interaction)
- 열점성 음향-구조 연동(Thermoviscous acoustic-structure interaction)
- 음향기인소음-구조 연동(Aeroacoustic-structure interaction)
Accessible with additional modules:
- 음향-쉘 연동(Acoustic-shell interaction)
- 열점성 음향-웰 연동(Thermoviscous acoustic-shell interaction)
- 파이프 시스템 내의 음향 전파
- 더미 모델을 통한 트랜스듀서의 전계 거동
- 트랜스듀서 내의 전자석, 코일, 코어 재질의 전계 거동
- 다공탄성음향-쉘 연동
고유진동수 분석기법을 사용하여 음장 모드를 계산한 결과입니다. 음향 흡수 면을 표현하기 위해서 복소수 임피던스 조건을 사용하였습니다.
Tonpilz 트랜스듀스 배열 설계 및 분석은 수중 음파 탐지 분야에서 사용됩니다. 그림의 모델은 압전 재료를 구조와 음향을 연동하여 물에서 음장 해석을 진행하였고 경계요소 방법을 사용하여 모델링 하였습니다. 공간에서 값은 쉽게 계산되고 시각화 할 수 있습니다.
자동차 내부 대시보드에 위치한 작은 스피커에서 발생한 음압으로 생성되는 차량내부의 음압 분포를 표시하였습니다. 내장 부, 바닥, 플라스틱, 의자 등에 복소수 임피던스 값을 사용하여 흡수 조건을 부여 하였습니다.
5단 변속 기어박스 내부의 진동과 소음에 대한 모델입니다. 엔진의 회전과 외력 상태에서 다물체 동역학 시간 해석 기법으로 기어 박스의 진동을 계산합니다. Acoustics 모듈을 이용하여 근거리 원거리 외부 음압 수준을 계산합니다.
음의 산란, 회절, 방출, 방사, 전파와 같은 음향 효과를 시뮬레이션 하고자 한다면 Pressure acoustics 인터페이스를 이용하면 됩니다. Helmholtz 방정식을 바탕으로 주파수 영역에서 모델링 하거나 일반적인 파동 방정식을 이용한 시간해석을 수행 할 수 있습니다.
음향 해석을 위한 다양한 경계 조건들이 있습니다. 예를 들어, 경계조건으로 Wall 조건을 사용할 수도 있고, 다공성 층을 가정하여 임피던스 조건을 인가할 수도 있습니다. 가속도, 속도, 변위, 압력과 같은 소스 조건은 경계의 내부나 외부에도 인가 할 수 있습니다. 완전 개방된 조건을 위해서 방사 조건을 사용 할 수 있고 주기 조건을 위한 경계조건도 설정이 가능합니다.
음향 인터페이스는 다공성 재료와 같은 복잡한 매질에서 음파의 진행 현상을 모델링 하는데 사용 할 수 있습니다. Delany-Bazley, Johnson-Champoux-Allard(JCA) 모델과 같은 몇 가지 다공음향 유체 모델이 제공되는데 이 모델에는 다공성 손실이나 섬유 재료의 손실이 포함 됩니다. Narrow-region 음향 모델은 열점성 손실과 일정한 단면을 가지는 작은 도파관의 전반사를 균질화 된 상태로 가정하여 모델링 합니다.
열린 경계 조건을 사용하게 될 경우에 외부 영역에 대한 계산과 시각화도 가능합니다. 이 계산에는 근거리 장거리까지 모든 영역을 포함합니다. 방향에 대한 민감도나 음장은 극좌표나 방향성 표를 이용하여 표시 할 수 있습니다.
Pressure acoustics interfaces:
- Pressure Acoustics, Frequency Domain
- Helmholtz 방정식에 기초하여 계산을 진행하고 경계조건과 유체모델을 제공 합니다.
- 고유진동수 해석을 이용하여 응향 모드와 음장을 계산합니다
- Pressure Acoustics, Transient
- 시간에 따라서 변화하는 입력 신호를 사용한 음파의 과도 전파를 해석 합니다.
- Boundary Mode Acoustics
- 가이드나 덕트에서 전파나 비전파 모드를 계산합니다.
- Pressure Acoustics, Boundary Element
- 방사와 산란 문제를 효과적으로 계산하고자 할 때 사용합니다.
- 유한요소를 사용하여 계산하는 탄성 구조체나 압전 재료와 연동하여 해석이 가능합니다.
- Pressure Acoustics, Time Explicit
- DG 방법을 사용하여 닫힌 공간에서 과도 전파를 모델링 하거나 계산 량이 많은 산란 문제를 모델링 할 때 사용합니다.
Application areas:
- 머플러
- 스피커
- 기계장치에서 유래되는 방사소음
- 자동차 캐빈 소음
- 공간 음향 내의 모달 거동
- 흡음 및 디퓨저
- 산란 문제
소음기의 성능을 해석한 결과로 다공성 재질이 포함되어 있습니다. 전체 시스템의 손실을 포함하는 주파수 영역의 시뮬레이션 입니다. 등고선면은 압력 값이고 선은 에너지의 흐름을 의미합니다.
무한 평면에 놓인 라우드 스피커 입니다. 유한요소법과 경계요소법을 혼합하여 음의 방사를 모델링 하였습니다: 유한요소법을 사용하여 스피커 구동부 구조 쉘과 스피커 하우징 내부의 공기를 모델링 하였고, 외부 방사되는 음은 경계요소법을 사용하였습니다. 음압레벨 분포는 3000Hz 일 때 결과입니다.
Acoustics 모듈을 사용하면 제품의 구조적인 부품과 음압을 연동하여 시뮬레이션이 가능합니다. 제공되는 인터페이스에서 진동음향 해석이 가능하고 자동적으로 유체와 고체의 연동 설정이 생성됩니다. Solid Mechanics 인터페이스는 구조 동역학 수식을 사용하기 때문에 전단파와 압축파를 모두 고려한 탄성파를 계산 할 수 있습니다. Poroelastic Wave 인터페이스는 탄성과 압축 파의 다공성 매질에서 전파를 Biot’s 수식을 이용하여 계산하는 기능을 제공합니다.
다중물리 연동 설정은 쉽게 다공성 영역, 고체영역, 압전재료, 유체 영역을 연결하여 주기 때문에 현실에 가까운 소자의 거동을 모사 할 수 있습니다. 구조는 음향과 연동 될 경우에 선 응력 상태나 동기화 된 거동을 해석 할 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)
라우드 스피커 구동 시스템의 주파수 도메인 해석은 정축과 각 방향에 대한 음압을 계산합니다. 위의 모델은 구조 쉘과 음향을 다중물리 설정을 이용하여 연동한 모델입니다.
Tonpilz 트랜스듀스의 주파수 해석은 구조적/음향학적 특성 추출하기 위해서 사용됩니다: 변형, 응력, 방사된 음압, SPL, 원거리 음장 형상, 전송된 전압 특성 곡선, 음선의 방향성이 계산됩니다.
기하학적 음향 해석 기법은 음파의 주파수가 높아서 주어진 형상에 비해서 파장에 매우 짧은 경우에 사용합니다. 자동차 내부, 방, 콘서트 홀, 수중, 공기 중의 음향해석에 사용 할 수 있습니다.
Geometrical acoustics interfaces:
- Ray Acoustics
- 음선의 궤적, 위상, 인텐시티를 계산하고 제공되는 후처리 기능을 이용하여 시간에 따른 결과와 에너지 감쇄 커브를 추출 할 수 있습니다.
- 수중 음향 분야와 같이 필요한 경우에 물성이 다른 매질에서 음선의 전파 해석도 가능합니다.
- Acoustic Diffusion Equation
- 연결된 방들에서 음압레벨 분포를 계산하고 각기 다른 위치에서 잔향시간을 계산 합니다.
- 음향 에너지 밀도를 확산 수식을 이용하여 단순한 형태로 모델링 합니다.
Application areas:
- 실내음향
- 콘서트홀 음향
- 해저 음향
- 자동차 캐빈 음향
- 실외 음향 전파
- 외기 음향
Ray Acoustics 인터페이스를 사용하여 콘서트 홀의 음향 해석. 경계조건으로 주파수에 따른 흡음과 산란 정보를 사용하였습니다. 전용 후처리 기능을 이용하여 시간 이력 결과를 추출할 수 있습니다.
Acoustic Diffusion Equation 인터페이스는 2층 집에서 주어진 소스가 있을 때 정상 상태의 음압레벨 분포를 해석합니다. 고유치 솔버는 방에서 잔향 시간을 계산합니다. 시간 해석을 수행하면 에너지 감쇄 커브를 추출 할 수 있습니다.
전산 항공음향(CAA) 문제를 연동 되지 않은 두 단계의 해석을 이용하여 효율적으로 해석 할 수 있습니다. 첫 단계에서 평균 배경 유동을 CFD 모듈을 이용하여 계산하거나 사용자가 직접 유동을 정의합니다. 이후에 음의 전파에 대한 해석을 수행합니다. 이러한 방식은 대류 음향 혹은 유동 매개 소음 해석이라 하기도 합니다.
제공되는 인터페이스는 압력, 밀도, 속도, 온도 변화를 고려하여 정상상태 등온 혹은 비등온 배경 유동 상태에서 음향을 계산 합니다.
다음과 같은 안정된 유한 요소 방정식이 있습니다:
- Linearized Navier-Stokes
- Linearized Euler
- Linearized potential flow
이 수식들에는 유동 발생 음, 대류, 감쇄, 반사, 유동에 의한 회절에 대해서 고려하고 있습니다. 탄성 재료와 연동하여 FSI 주파수 도메인 해석도 지원하고 있습니다.
Application areas:
- 제트엔진 소음
- 배경유동을 포함한 머플러
- 유량 측정기
- 코리올리 유량 측정기
- 유동을 포함한 라이너 및 천공이 있는 구조체 해석
- 연소 불안정
Helmholtz 공진기와 배경 평균 유동 효과에 대한 해석으로 Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain 인터페이스를 사용하였습니다. 이 모델은 유동의 대류 효과와 난류 감쇄 효과를 고려 합니다.
축 대칭 항공 엔진 덕트의 음장 해석으로 음원은 경계에서 발생하는 조건으로 모델링 하였습니다. 해석 결과는 압축 가능한 비회전 배경 유동을 포함한 경우와 포함하지 않은 경우를 가정하고 전반사 경계 조건과 다른 크기의 덕트가 연결된 상태를 가정하여 계산하였습니다.
미소 형상에서 음파의 전파를 해석 할 때는 점성 및 열 전도 손실을 고려하여야 합니다; 특히 점성 및 열 경계 층에서 손실이 중요합니다. 이 효과는 Thermoviscous Acoustics 인터페이스를 사용하면 자동적으로 포함되어 해석 됩니다.
마이크, 휴대용 소자, 이어폰, MEMS 소자와 같은 작은 크기의 전기음향 발진기 모델링에 적합합니다. 상세한 모델링을 위해 구조와 연동한 해석을 수행 할 수 있습니다.
이 인터페이스에는 추가적인 효과를 고려하는데 저주파에서 단열에서 등온으로 이행되는 현상을 포함합니다. 좁은 가이드나 덕트에서 전파 혹은 비전파에 대한 계산을 수행하는 인터페이스도 제공합니다.
Application areas:
- 모바일 장치
- 소형 트랜스듀서
- MEMS
- 보청기
- 마이크로폰
- 천공 및 천공판
작은 크기의 스피커의 응답특성을 측정하여 해석 결과와 비교 합니다. 해석 결과는 점성 및 열 손실을 고려한 경우에 매우 유사한 결과를 확인 할 수 있습니다.
Ultrasound 인터페이스는 파장 대비해 먼 거리의 이동을 시간 해석하고자 할 때 사용합니다. 사람이 들을 수 없는 주파수 영역을 초음파로 분류합니다. 초음파의 파장이 짧다는 것을 의미 합니다.
Convected Wave Equation, Time Explicit 인터페이스는 정상 배경 흐름 내에서 많은 파장을 포함하는 거대 과도 선형 문제를 해석 할 때 사용합니다. 시간에 따라서 변하는 소스와 음장 계산에 적합합니다.
불연속 갤러킨 방법에 기초하여 시간 외연 방법을 사용하는데 메모리를 매우 효율적으로 사용하게 됩니다.
Application areas:
- 초음파 유량계
- 시간 변화 초음파 센서
- 유동내의 시간 음향 전파
Features and Functionality Included with the Acoustics Module
Acoustics 모듈의 주요 기능들은 아래에서 확인해 보시기 바랍니다.
Simulation Apps: Simplified Modeling Workflow
여러분의 팀 내부에 팀원들이 동일한 해석을 반복적으로 할 필요가 없다면 새로운 프로젝트에 기여 할 수 있는 시간과 노력을 생각해 보세요. COMSOL Multiphysics®이 제공하는 Application Builder를 통해, 동료들이 해석을 수행하도록 입력 값을 제한하고 출력값을 조정해서 해석 작업 과정을 단순화한 해석 앱을 만들 수 있습니다.
앱을 이용하면, 음향 임피던스 같은 설계 인자를 쉽게 변경하여 전체 시뮬레이션 과정을 다시 수행하지 않고도 필요한 만큼 반복하여 테스트 할 수 있습니다. 보다 빠르게 테스트를 수행 할 수 있고 다른 프로젝트에 투여되는 시간을 확보 할 수 있습니다.
앱 생성 과정은 간단합니다:
- 복잡한 음향 모델을 단순한 사용자 정의 인터페이스로 변경
- 앱 사용자를 위한 입력 및 출력 값을 사용자의 요구에 맞게 생성
- Use the COMSOL Server™ product to catalogue apps and make them accessible to other team members
- 다른 팀 사용자가 접근 가능하도록 만들고 COMSOL Server™ 제품을 사용 함
- 추가적인 조언 없이 사용 가능하도록 모델 설정
생성한 시뮬레이션 앱을 이용하여 팀, 학교, 여타 고객들이 시뮬레이션 가능하도록 확장 할 수 있습니다.
Application Builder에서 생성한 음향 반사 분석 앱으로 Acoustic 모듈이 필요함
