COMSOL Multiphysics® 5.3

Release Highlights

Acoustics Module Updates

COMSOL Multiphysics® 5.3버전에서는 음향 현상과 음향에 근거한 거대한 모델을 이용한 시간 의존 해석을 함에 있어 획기적으로 개선되었습니다. 여기에는 새로운 일련의 지배방정식뿐만 아니라 후처리 기능을 포함하고 있습니다.

Overview of the Acoustics Module News

요약하면, 과도 시간 해석에 대해 다음과 같이 개선되었습니다:

  • 과도 시간해석에서 음향에 대한 Perfectly matched layers(PMLs)
  • 과도 시간 영역에 대한 Thermoviscous Acoustics, Transient 인터페이스 추가
  • 더 강력한 해석을 위한 지배방적식 내에서의 과도 해석 설정 제어
  • Discontinuous Galerkin method의 속도 향상


거대 모델 해석 시, 다음 기능으로 개선되었습니다:

  • 반복 솔버에 대한 준비된 제안 솔버
  • Serendipity 요소 사용에 대한 사양


새로운 지배방정식 특징 및 사양은 아래와 같습니다:

  • 갤러킨 최소자승법(Galerkin least squares method)에 근거한 선형 나비에-스톡스(Navier-Stokes) 해석에 대한 개선된 안정화 기술
  • 선형 나비에-스톡스 및 열점성 음향에서 Wall 특성에 대한 Slip 경계 조건 개선
  • Convected Wave 인터페이스에 있는 2차원 축대칭 지배방정식
  • 공탄성파 해석에서 열 및 점성 손실을 포함한 Biot-Allard 모델
  • 새로운 내부 Perforated plate 조건
  • 2차원 축대칭 형상에서 음향 궤적 지배방정식의 개선
  • 원거리장 플롯에 대한 빔 폭 계산

Perfectly Matched Layers for the Pressure Acoustics, Transient Interface

PML은 기본적으로 일차 비반사 경계면에서 비논리적이고 수치적으로 원치 않는 반사가 일어날 경우에 사용합니다. PML은 파장이 무한 영역으로 이동하는 것처럼 보이도록 외부 영역을 적용해서 계산 도메인을 축소할 수 있습니다.

COMSOL Multiphysics® 5.3버전을 통해, Pressure Acoustics, Transient 인터페이스는 이제 유한요소 해석을 기반으로 한 과도 음향 해석 시, 시간 영역에서 PML 기능을 사용할 수 있게 되었습니다. PML는 이전 버전에서는 Pressure Acoustics, Frequency Domain 및 Convected Wave Equation, Time Explicit 인터페이스에서 이용 가능하였습니다. PML은 Definitions 노드에 추가하여 직교좌표계, 원통좌표계, 구좌표계에서 1차원, 2차원, 2차원축대칭, 3차원 형상에 대한 다항식 및 유리수 스케일 옵션을 지원합니다.

PML에 둘러 쌓인 도메인에서 시간 과도 가우스형 펄스 동영상. 이는 모델 도메인 내로 다시 빠져나가는 비논리적이고 원치 않는 반사를 포함하지 않는 음파의 흡수 현상을 나타냅니다.
3차원 공간으로 음향을 방사하는 진동 피스톤 동영상. PML내에서 음압 및 흡수에 대한 시간에 따른 등위면의 진행 과정을 나타냅니다.

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Application Library path for an example that uses a PML in a time-dependent pressure acoustics simulation:

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_perfectly_matched_layers

New Thermoviscous Acoustics, Transient Interface

Thermoviscous Acoustics 은 과도 선형 열점성 음향 해석에 대한 인터페이스를 포함하도록 확장되었는데, 이는 가우스 펄스와 같은 임의의 시간에 따라 변하는 신호로 나타나는 음원을 포함하고 있습니다. Thermoviscous Acoustics, Transient 는 열과 점성 손실이 중요하게 작용하는 시간 과도 음향 전파 해석에 적합합니다. 전형적인 예제로는 모바일 장치, 소형 스피커, 마이크로폰 혹은 다공성 매질에서 구멍과 같은 작은 사이즈의 예제가 있습니다.

이러한 인터페이스는 Solid Mechanics, Shells 그리고 Membranes와 같은 인터페이스와 연동한 Thermoviscous Acoustic-Structure Boundary 를 통해 연동할 수 있습니다.

중앙부에서 축소된 길고 협소한 튜브를 통해 가우스 포락선을 갖는 정상상태 신호의 전파 동영상. 펄스는 한 쪽 끝에서 반대편으로 전파되고, 열 및 점성 손실에 의한 감쇠를 나타냅니다. 동영상(위측)은 입자의 속도를 나타내며, 튜브 가운데 부위에서 음향 온도 변화를 나타내는데, 소멸되는 구간 부근에서 집중 현상을 나타냅니다. 그래프(아래)는 과도 입력 신호(파란색)와 소멸되는 출력 신호(초록색)를 나타냅니다.
COMSOL을 이용한 입력 대비 출력 결과

COMSOL을 이용한 입력 대비 출력 결과

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Poroelastic Waves Interface Updated with the New Biot-Allard Model


열 및 손실이 중요한 문제로 대두되는 공기로 채워진 다공성 매질 내에서 음파 및 탄성파가 전파되는 예가 있습니다. 이것은 실내 음향, 헤드셋, 스피커에서 사용되는 폼재 및 머플러 내의 다공성 재질, 차실 내에서의 라이닝 재질에 대해 차음 재질을 포함하고 있습니다.
이러한 유형의 해석 사례에 대한 보다 나은 해석을 위해, Biot-Allard 모델 사양이 Porelastic Waves 인터페이스에 추가되었습니다. 이전에 사용된 단순 점성 손실, 포화 유체가 액체인 암석이나 토양 내에서 다공성 음향 전파의 사용에 유용한 것으로 간주된 Biot 모델 사양을 보완한 예제를 포함하고 있습니다.

지금까지, poroacoustic 모델과 같은 적절한 유체 모델과 함께, Pressure Acoustics, Frequency Domain 은 많은 음향 분야 해석에 적절한 방법이었습니다. 그러나, 이러한 모델은 현실 생활을 반영하지 못했고, 때로는 진동 구조체에 연동할 필요가 있는 다공성 매트릭스와 같은 탄성파를 포함해야 했습니다. 이들은 Poroelastic Waves 인터페이스에서 Biot-Allard 모델을 이용하여 해석할 수 있습니다. 여기서, 재질 입력은 음향 소음 제어 적용분야에서 사용되고 평가되어 온 전형적인 조건에 부합합니다.

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Application Gallery link for an example using the Biot-Allard model option in a poroelastic wave simulation:

Multilayered Porous Material: Poroelastic Waves with Thermal and Viscous Losses (Biot-Allard Model)

Updated Acoustic-Structure Interaction Multiphysics Couplings

Poroelastic Waves 인터페이스에 Biot-Allard 모델 사양의 추가로, 다공성 도메인, 구조 그리고 음향과 연동한 멀티피직스 인터페이스가 개선되었습니다. 공탄성파와 음향의 연동 및 구조와 공탄성파의 연동(때로는 이들 모두)을 지원합니다. 리본 탭에 있는 Add Physics 버튼을 이용하여 새로운 인터페이스를 추가할 수 있습니다. 하기의 개선된 Poroelastic Waves 인터페이스는 Acoustics의 Acoustic-Structure Interaction 분야에서 사용 가능합니다:

  • Poroelastic Waves, 단일 물리 인터페이스
  • Acoustic-Poroelastic Waves Interaction, 다음 물리 식과 연동식을 갖춘 멀티피직스 인터페이스 :

1. Pressure Acoustics, Frequency Domain

     2. Poroelastic Waves

     3. Multiphysics

      - Acoustic-Porous Boundary

  • Acoustic-Solid-Poroelastic Waves Interaction, 다음 물리 식과 연동식을 갖춘 멀티피직스 인터페이스 :

1. Pressure Acoustics, Frequency Domai

     2. Solid Mechanic

     3. Poroelastic Waves

     4. Multiphysics

      - Acoustic-Structure Boundary

      - Porous-Structure Boundary

      -Acoustic-Porous Boundary

  • Solid Mechanics 인터페이스에 추가된 Solid Mechanics(Elastic Waves) 인터페이스는 음향 영역에서 해당 인터페이스를 추가하는 간단한 방식으로 유효하게 작용합니다.

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2D Axisymmetric Formulation for the Convected Wave Equation, Time Explicit Interface

Convected Wave Equation, Time Explicit 인터페이스는 2차원 축대칭 해석에서 사용 가능합니다. 이는 파장수 측정을 위해 원거리에서의 음향 전파 현상을 모델링하는 기능으로 확장되었습니다. 인터페이스는 배경흐름(background flow)과 음향신호와 연동하는 면외 성분을 포함할 수 있는 Include out-of-plane components 선택 사양을 특징으로 하고 있습니다. 예를 들어, 축방향으로 대칭인 초음파 변환기나 트위터를 모델링 하는데 사용 가능합니다.

회절 장애물 바로 앞에 위치한 5000-Hz 파장을 발생시키는 진동피스톤의 2차원 축대칭 모델에서 음향 속도 변동.

Predefined Iterative Solver Suggestions

Acoustics Module에 있는 몇몇 인터페이스는 초기에 해석하는데 설정되어 사용되는 direct 솔버에다가 대체 가능한 제안 iterative 솔버를 지원합니다. 몇몇 지배방정식에 있어서는, (그림에서 보듯이) 두 개의 제시된 솔버가 설정되는데, 솔버 하나는 전형적으로 빠르며 다른 하나는 보다 강력하지만 다소 느립니다. 제시된 솔버들은 direct 솔버가 메모리 제한으로 수렴에 실패할 경우에 가동됩니다. 이러한 새로운 기능은 거대 모델을 해석하는 경우 워크플로우를 단순화하고 direct솔버가 최적이 아니라는 사실이 분명해지면 iterative를 수동으로 설정하여 조정할 필요가 없습니다.

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Control of the Transient Solver from the Physics Nodes

Acoustics Module에 있는 모든 과도 인터페이스는 각 지배방정식마다 Transient Solver Settings를 포함하고 있습니다. 이는 입력에 근거하여 새로운 섹션에서 기본적인 솔버를 자동으로 제어하도록 설정되는데, 과도 솔버의 특성이 보다 개선되었고, 보다 강건한 해석이 가능하게 되었습니다.

기본설정(추천 설정)은 Time stepping 드롭-다운 메뉴에서 Manual 옵션 사용이 가능하며, Maximum frequency to resolve 의 입력이 가능하게 되었습니다. 대부분의 음향 문제는 모든 소스가 알려진 주파수를 포함하고 있거나 혹은 음원 신호의 푸리에 변환 출력으로 평가가 가능합니다. 선형 음향 어플리케이션에서 요구 되는 솔루션은 소스로 동일한 주파수 내용을 포함하고 있을 것이고, 단순히 새로운 입력부에 해석하고자 하는 주파수를 입력하면 됩니다. 비선형 문제에 대해서는, 얼마나 많은 고조파 성분을 만들 것인가에 달려 있습니다. 이 경우, Maximum frequency to resolve 입력부에서 소스 신호 주파수에 의한 고조파 성분의 개수를 설정할 수 있습니다.

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Speedup of the Discontinuous Galerkin Method

Discontinuous Galerkin(dG) method의 속도가 빨라졌으며, 메모리의 사용량이 줄었습니다. 속도향상은 일차적으로 dG에서 시간외연적분을 이용한 내부 시간 스텝의 계산에 새로운 요소 구성의 결과입니다. 두 번째로는 새로운 요소 품질 최적화 과정을 통해 달성하였습니다. 이는 3차원(그림참조)에서 사면체 요소를 생성할 때 Avoid too small elements 요소 사양 기능을 이용하는 것입니다.

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메모리 사용 감소는 주로 다중코어 시스템에서 모델을 해석할 때 달성할 수 있습니다. 여기서, sparse assembly는 dG method에서 사용되고, 필요한 메모리는 거의 사용 가능한 CPU 코어의 수에 독립적입니다. 더욱이, 초기화 과정에서의 필요 메모리가 현저히 감소되었습니다.

예제로, Ultrasound Flow Meter with Generic Time-of-Flight Configuration tutorial model를 고려해 보도록 하겠습니다. Intel® Core™ i7 프로세서 3.60 GHz 4코어 32기가 램 사양의 데스크탑 컴퓨터에 설치된 COMSOL5.2a에서 해석할 경우, 음향문제는 7시간 5분 소요 및 6기가 램이 필요합니다. 이에 반해 5.3에서는 동일한 문제가 5시간1분 소요 및 5.8기가 램이 필요합니다. 이는 대략 30% 속도향상과 함께 미세한 메모리 사용 감소 현상이 나타났음을 보여줍니다. 보다 많은 코어수를 갖는 시스템을 사용할 경우, 16코어에서 메모리 감소는 약 1기가 램이 되어 이전에 보여준 4코어에서 0.2기가 감소와 비교됩니다. 예제로 사용한 모델의 자유도수는 7,500000개입니다.

Application Library path for examples using the improved dG method:

Acoustics_Module/Ultrasound/ultrasound_flow_meter_generic

Improved Stabilization for the Linearized Navier-Stokes Physics Interfaces

Linearized Navier-Stokes 인터페이스에 새로 개선된 안정적인 솔버가 추가되었습니다. 이는 Galerkin least squares(GLS) stabilization로서 요소의 품질이 나쁜 경우에 안정화 및 수렴성을 많이 향상시킵니다. 필요하면, stabilization을 비활성화 할 수 있고, Streamline upwind Petrov-Galerkin (SUPG) stabilization 혹은 Streamline diffusion (legacy method) 를 선택할 수 있습니다. 새로운 기본설정은 Linearized Navier-Stokes 인터페이스를 사용한 대부분의 유동-음향 연동 문제를 모델링 함에 있어 적합합니다. 새로운 안정화가 Linearized Navier-Stokes 인터페이스에서 구현됨에 따라, 압력, 속도 그리고 온도 파라미터에 대한 초기 이산화와 자유도를 1차 요소로의 변경으로 가능하게 되었습니다. 이는 대부분의 경우, 모델 사이즈를 감소합니다.

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Application Library path for examples using the improved Galerkin least squares (GLS) stabilization:

Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

Reformulation of the Slip Condition

Thermoviscous Acoustics 및 Linearized Navier-Stokes 인터페이스에 있는 Slip경계조건은 소위, Discontinuous Galerkin (dG)을 재구성하는 것으로, 달리 Penalty-like 공식이라 불립니다. dG 공식은 기본설정으로 COMSOL Multiphysics® 5.2a버전(나중에 필요하면 선택할 수 있도록 했습니다.)에서 사용한 라그랑지 곱수를 기초로 한 공식을 대체한 것입니다. 두 개의 공식 모두 잘못된 결과를 야기하는 일명 잠김 현상(locking phenomena)을 방지합니다. 새로운 공식은 특히 기존 공식에서 할 수 없었던 반복 솔버 계산에 매우 적합합니다.
경계층이 중요한 상황에서 벽면에서의 기본설정인 no-slip조건은 점성 경계면의 시작이며, 등온(isothermal)조건은 열경계조건의 시작입니다. 열점성 소산이 발생하는 이러한 음향 경계면은 많은 사례들에 있어서 중요하게 작용합니다.

Slip 경계조건은 점성 경계면이 발생하지 않는 영역으로 비투과조건을 내포하고 있습니다. 경계층에서 점성손실이 중요하지 않은 영역에서 Slip 조건을 사용하십시오. 이는 경계층에서 요소를 무효화하여 적은 요소 및 자유도로 결과를 도출합니다. Slip조건의 사용은 특히 선형화 나비어-스톡스 모델에서 유용한데, 주요 관심 사항이 경계면에서 상세한 기술이 필요 없는, 유동(flow)과 평균 배경 흐름(mean background flow)과의 연동을 기술한 것입니다.

Serendipity Elements in Acoustics

Acoustics Module에 있는 다양한 인터페이스를 이용함에 있어, 사용자가 Discretization 영역에서 상이한 형상함수인 라그랑지(Lagrange)와 세렌디피티(serendipity)를 선택할 수 있습니다. 기본 설정은 모든 인터페이스에서 라그랑지 형상함수를 사용하도록 되어 있으나, 예외로 Solid Mechanics 인터페이스의 경우 세렌디피티 형상함수가 기본설정으로 되어 있습니다. 라그랑지 및 세렌디피티 요소 간의 선정은 계산하고자 하는 자유도의 수에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 요소가 비틀어지는 형상을 나타내는 모델에서 안정성에 영향을 미칩니다.

정렬 요소를 사용할 때, 세렌디피티 형상함수를 사용하는 것이 유리한데, 이는 보다 적은 숫자의 자유도를 생성하기 때문입니다. 그러나 라그랑지 요소는 요소의 비틀림 현상에 대해 더 민감하게 반응하여 변형이 심한 해석모델인 경우에 즐겨 사용됩니다. 세렌디피티 요소의 사용은 아래와 같은 경우에 유용한데, 이 밖의 형상함수는 형상함수의 선정에 상관 없이 동일한 자유도 수를 갖기 때문입니다:

  • 2차원: 1차보다 큰 이산화 차수의 사변형 요소
  • 3차원: 1차보다 큰 이산화 차수의 육면체, 프리즘, 피라미드 요소

라그랑지 요소에서 세렌디피티 요소로 변경할 시 유용한 정렬 스윕 메시 사례. 스윕 메시를 이용하여 프리즘 형상으로 구성하였습니다. 열점성 음향 해석에서, 라그랑지 요소를 사용할 경우, 자유도수는 59,955입니다. 속도 및 온도에 대해 세렌디피티 요소를 사용하면 자유도수는 39,955로 감소합니다.(열점성 음향에서 압력을 1차 요소로 사용하며, 이는 요소차수 변환에 의한 영향을 받지 않습니다).

라그랑지 요소에서 세렌디피티 요소로 변경할 시 유용한 정렬 스윕 메시 사례. 스윕 메시를 이용하여 프리즘 형상으로 구성하였습니다. 열점성 음향 해석에서, 라그랑지 요소를 사용할 경우, 자유도수는 59,955입니다. 속도 및 온도에 대해 세렌디피티 요소를 사용하면 자유도수는 39,955로 감소합니다.(열점성 음향에서 압력을 1차 요소로 사용하며, 이는 요소차수 변환에 의한 영향을 받지 않습니다).


Preview Evaluation Plane Functionality for Far-Field and Directivity Plots

이제 원거리장 및 지향성 결과 출력에서 Preview Evaluation Plane 기능을 이용할 수 있습니다. 이는 원거리장을 출력하는 지점에 스케일화된 원을 출력하는 것으로 법선 및 참조 방향 벡터를 알 수 있습니다(방향은 polar plot에서 0도 지점들을 나타냅니다). 이것은 평가를 위한 설정이 올바른 방향으로 되어 있는지의 여부 확인을 가시적으로 검증할 수 있어 매우 유용합니다.

far-field plot에서 normal 및 reference방향을 미리 보기 기능으로 검증. Loudspeaker Driver in a Vented Enclosure 모델 예제 이용.

far-field plot에서 normal 및 reference방향을 미리 보기 기능으로 검증. Loudspeaker Driver in a Vented Enclosure 모델 예제 이용.


Application Library path for an example that shows the preview evaluation plane:

Acoustics_Module/Electroacoustic_Transducers/vented_loudspeaker_enclosure

Beam Width Calculation for 1D Far-Field Plots


공간 상에서 방사 패턴인 빔 폭(beam width)과 null-to-null 빔 폭은 자동으로 계산이 가능합니다. Compute beam width 기능을 통해 1차원 far-field 플롯을 사용하여 Polar Plot그룹에서 나타낼 수 있습니다.

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Mode Analysis in Solid Mechanics and Coupled Acoustic-Structure Physics

2차원 구조뿐 아니라 축방향으로 대칭인 모델에 원주방향 모드에 있어 면외 방향(out-of-plane direction)으로 이동하는 음향을 연구하기 위해서 모드해석이 Solid Mechanics 인터페이스에 추가되었습니다. 모드 해석은 음향-구조 연동 문제나 연동 문제에 있어 계속 상호작용하는 분야에서 특히 중요합니다. 이러한 해석은 도파관(waveguides), 파이프시스템, 머플러와 같은 곳에서 방사모드를 분석하는 데 사용 가능합니다.

얇은 탄성벽을 갖는 머플러에서 음향과 구조의 연동으로 나타나는 방사 모드

얇은 탄성벽을 갖는 머플러에서 음향과 구조의 연동으로 나타나는 방사 모드

Application Library path for examples using mode analysis:

Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

Updated Interior Perforated Plate Boundary Condition.

Pressure Acoustics, Frequency Domain 에서 이용 가능한 Interior Perforated Plate 경계조건이 개선되었습니다. 현재, 완전 점성 및 열 손실 모델, Fok함수를 이용한 구멍 간의 사용작용, 비선형 손실 효과 추가 사양, 그리고 얇거나 두꺼운 판에 적합한 방정식의 사용을 포함하고 있습니다. 경계조건은 머플러 내의 천공을 모델링 하거나 방음 장치에서 주로 사용됩니다.

천공을 갖는 머플러 내의 음압 분포. 회색 경계면은 Interior Perforated Plate 조건을 사용하였으며 전달 손실의 계산결과를 측정결과와 비교하였습니다.

천공을 갖는 머플러 내의 음압 분포. 회색 경계면은 Interior Perforated Plate 조건을 사용하였으며 전달 손실의 계산결과를 측정결과와 비교하였습니다.



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Application Library path for an examples using the Interior Perforate Plate boundary condition:

Acoustics_Module/Automotive/perforated_muffler

Heat Source for Pressure Acoustics


새로운 Heat Source 조건이 Pressure Acoustics 인터페이스에 추가되었습니다. 음파를 생성하는 열원 조건을 주기적이거나 펄스로 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 연소 현상에서 연소실에서의 음파 생성 문제나 광음향에서 레이저빔에 의한 가진과 같은 열원을 구현할 때 사용이 가능합니다.

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Improved Ray Acoustics in 2D Axisymmetric Geometries

2차원 축대칭 모델에서 음향강도를 계산할 경우 방사음향과 연계한 파면은 실제 2차원 모델에서 적절하게 단순화한 원통형이 아닌 구면 혹은 타원형의 음파로 취급됩니다. 달리 말하면, 방위각에 따른 곡면의 주 반경이 모든 음향광에 대해 계산됩니다. 이러한 개선사항은 2차원 축대칭 모델에서 보다 현실적인 음향강도의 계산 결과를 도출합니다. 전형적인 예제가 아래 그림에서 묘사한 것과 같은 물 속의 음향 해석이 있습니다.

이에 더하여, 이러한 특징은 대칭축의 특정 좌표에 있는 모서리, 포인트에서 방사되는 것을 포함합니다. 이러한 방사 특성 중 하나를 사용할 경우, 기 설정 사양이 3차원에서 동일한 구조각에 근사적으로 대하는 각각의 음향광과 같은 이방성 반구에서의 음향광 방사에 사용이 가능합니다.

경사를 갖는 2차원 축대칭 형상이나 감쇠를 고려한 물속에서의 음향광 모델(음속은 깊이에 종속적). 축대칭 모델은 물속 내에서의 음향 해석 시, 3차원 모델을 근사화하여 사용됩니다.

경사를 갖는 2차원 축대칭 형상이나 감쇠를 고려한 물속에서의 음향광 모델(음속은 깊이에 종속적). 축대칭 모델은 물속 내에서의 음향 해석 시, 3차원 모델을 근사화하여 사용됩니다.

Application Gallery link for an example using the ray acoustics in 2D axisymmetries:

Underwater Ray Tracing Tutorial in a 2D Axisymmetric Geometry

New Reflection Coefficient Models for Acoustics Ray Tracing

Wall 특성은 Fluid-fluid interface, Fluid-solidinterface, Layered fluid half space를 포함한 특정 반사에서의 반사계수 계산이 가능한 모델을 포함하고 있습니다. 이러한 새로운 모델은 물속에서의 음향광 적용에 대해 경계조건 설정이 이상적입니다. Absorber, specified impedance 모델을 구현한 이들 모델은 흡음 패널을 포함하는 실내 공간 음향에 주로 사용됩니다.

흡수기(propagation fluid)에서의 감쇠 및 도메인 내에서의 감쇠가 경계 조건으로 모델링 되는데, 반사되는 정확한 위상 천이를 계산하는 것 또한 포함하고 있습니다. 모든 경계조건은 Rayleigh roughness 모델을 사용하여 Surface Roughness 옵션을 통해 확장할 수 있습니다.

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Ray Termination Feature

새로이 Ray Termination 특성이 음향광을 소멸시키기 위해 경계에서 멈추도록 할 수 있게 되었습니다. 만일 음향광의 강도 혹은 파워가 특정 한계치보다 작다거나 혹은 모델 형상에서 너무 오랫동안 머문다면 소멸시킬 수 있습니다. 이러한 특성을 이용하여 미디어에 흡수되는 현상에 기인한 음향광의 침투, 둥근 혹은 표면에 흡수되어 상호작용에 기인한 극도로 낮은 강도를 갖는 음향광 혹은 형상에서 멀리 있으면서 지속적으로 유지하는 음향광에 대해 과도한 하드웨어 자원의 낭비를 피할 수 있습니다.

Enhancements and Important Bug Fixes

  • pressure acoustics 경계 조건들이 더 나은 개요 파악을 위해 새로운 하위 섹션으로 정렬되었습니다.
  • Directivity 및 Far-field 출력을 위한 Far-field SPL 계산의 속도증가
  • 배경 음향 특성이 Linearized Euler 및 Linearized Navier-Stokes 인터페이스의 과도 버전에서 사용 가능합니다.
  • Interior Normal Displacement 및 Interior Normal Velocity 경계조건이 Pressure Acoustics 인터페이스에 추가되어 내부 경계조건 항목이 완성되었습니다.
  • 2차원 축대칭 형상에서 대칭축에 있는 Thermoviscous Acoustics, Linearized Navier-Stokes, 그리고 Linearized Euler 인터페이스의 개선조건들이 포함되었습니다.
  • Thermoviscous Acoustics 인터페이스에 있는 개선된 지배방정식이 공간에 의존한 재질 물성값을 가지고 미디어에서 유효하게 작용하도록 하였습니다.
  • Aeroacoustic-Structure Boundary 멀티피직스 연동은 이제 시간 도메인에서 Linearized Navier-Stokes 인터페이스와 구조(솔리드, 쉘, 멤브레인) 간의 연동을 할 수 있습니다.

New Tutorial: Helmholtz Resonator with Flow, Interaction of Flow and Acoustics

헬름홀쯔 공명기는 배기시스템에서 사용되는 것으로, 특정 협소주파수 구간에서 약화됩니다. 시스템에서 유동은 공명기의 음향 특성을 변화시켜서 부가시스템(subsystem)의 손실로 나타납니다. 이 예제는, 헬름홀쯔 공명기가 메인 덕트의 한쪽에 위치하고 있습니다. 메인 덕트를 통한 유동을 고려한 전달손실(transmission loss)을 고찰합니다.

평균 유동 흐름은 Ma = 0.05와 Ma = 0.1에 대해 SST turbulence 모델로 계산합니다. 음향 문제는 Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain (LNS) 인터페이스를 이용하여 계산됩니다. 평균유동속도, 압력 그리고 난류 점성은 LNS 모델과 연동됩니다. 결과는 저널 논문에 있는 시험결과와 비교하였으며, 공진위치는 시험결과(1D 그래프)와 잘 일치함을 보여주고 있습니다. 침투(attenuation)와 유동효과는 공진 위치를 정확히 표현하기 위해 엄격하게 모델링 할 필요가 있습니다.

Note: 이 모델은Acoustics Module과 CFD Module이 필요합니다.

메인 덕트의 한 쪽에 위치한 헬름홀쯔 공진기를 설치한 상태에서의 음압 분포(정면), 단면에서의 유선(가운데), 그리고 배경 유동속도 크기(뒷면)

메인 덕트의 한 쪽에 위치한 헬름홀쯔 공진기를 설치한 상태에서의 음압 분포(정면), 단면에서의 유선(가운데), 그리고 배경 유동속도 크기(뒷면)

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Application Library path:

Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

New Tutorial: Ultrasonic Flow Meter with Piezoelectric Transducers, Coupling Between FEM and DG

초음파 유량 계측기(ultrasonic flow meters)는 파이프를 통해 임의 경사각으로 유동 흐름에 가로질러 초음파를 보냄으로써 유동 속도를 결정하는데 사용됩니다. 유동이 없는 경우, 송수신 간의 전달시간은 오가는 방향에 대해 동일합니다. 그렇지 않은 경우, 되돌아 오는 시간이 가는 시간보다 좀 더 빠르게 나타나는데, 이를 유동에서 확인할 수 있습니다. 많은 경우, 압전 송신기가 송신기로 사용되고, 초음파를 수신합니다.

이 모델은 흐름이 없는 단순한 모델에서 압전 송신기를 이용하여 초음파유동 계측기를 해석하는 방법을 나타냅니다. 유한요소법(FEM)은 압전 송신기를 모델링하며, 반면 초음파 방사 모델링은 discontinuous Galerkin(dG) Method를 이용합니다. 전체 모델은 두 개의 부가 모델로 나눌 수 있습니다. FEM에서 dG로의 단방향 연동(one-way coupling)이 송신기로부터 방사되는 것을 해석하는데 사용되며, dG에서 FEM으로 단방향 연동은 수신에 관한 해석으로 사용됩니다.

matching layer를 갖는 압전송신기에 의한 유동 계측에서 발생한 음향 신호

matching layer를 갖는 압전송신기에 의한 유동 계측에서 발생한 음향 신호

Application Library path:

Acoustics_Module/Ultrasound/flow_meter_piezoelectric_transducers

New Tutorial: Gaussian Pulse Absorption by Perfectly Matched Layers; Pressure Acoustics, Transient


이 예제는 시간 영역에서 흡음 경계 조건으로서 PML을 고려한 벤치마킹 모델입니다. 이는 흐름이 없는 시변 가우스 펄스의 전파와 관련이 있습니다. Pressure Acoustics, Transient 인터페이스는 해석 영역을 줄이기 위해 PML을 사용하였으며, 인위적인 경계면에서 반사를 억제하였습니다. 음향펄스는 해석 도메인의 중앙 지점에서 초기 가우스 분포에 의해 생성됩니다. 해석결과를 보증하기 위해 문제에 대한 이론적인 계산결과가 사용되었으며, 매우 잘 일치함을 나타냅니다.

가우스 음압 펄스의 전파 및 PML에서의 흡수.
Application Library path:

Acoustics_Module/Tutorials/gaussian_pulse_perfectly_matched_layers

New Tutorial: Noise Radiation by a Compound Gear Train

동적 시스템에서의 소음 방사 예측은 설계 초기 단계에서 동적 메커니즘의 거동에 대한 통찰력을 설계자에게 부여합니다. 예로, 진동을 유발하는 기어 치합 강도의 변화가 있는 기어박스를 살펴 보도록 하겠습니다. 이러한 진동은 축과 조인트에서 기어박스 하우징으로 전달됩니다. 진동하는 하우징은 에너지를 주위 유동영역으로 전달되어 종국에는 음향 방사로 나타납니다.

다음 예제는 기어트레인에서 방사되는 소음을 해석한 것입니다. 우선, 특정 회전속도에 대해 하우징 진동을 시간 영역에서 다물체 동역학 해석이 수행됩니다. 그리고, 음향 해석이 소음원으로 하우징의 가속도를 이용하여 근거리 혹은 원거리 외기 영역에서 음압을 특정 주파수에 대해 수행됩니다.

Note: 이 모델은 Multibody Dynamics Module 및 Structural Mechanics Module이 추가로 필요합니다.

작동하는 기어트레인을 둘러싸고 있는 박스에서의 가속도. 이 모델에서, 방사 소음의 음압을 해석합니다.
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Acoustics_Module/Vibrations_and_FSI/gear_train_noise

New Tutorial: Eigenmodes in a Muffler with Elastic Walls

이 예제는 머플러 모델에서의 고유진동 해석 확장 모델로, 박판 탄성벽으로 구성되어 있는 머플러에서 방사 모드를 2차원에서 계산합니다. 음향-구조 연성 예제는 새로운 Mode Analysis 특성을 면외 방향에서 방사되는 음파에 대해 사용합니다. 결과는 머플러에서의 절대압력과 음압을 포함하고 있으며, 탄성벽면에서 변위 및 응력을 1차원 분산도 나타냅니다.

탄성벽면을 갖는 머플러에서의 절대압력(Wave plot) 과 변위(Rainbow plot)

탄성벽면을 갖는 머플러에서의 절대압력(Wave plot) 과 변위(Rainbow plot)

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Acoustics_Module/Automotive/eigenmodes_in_muffler_elastic

New Tutorial: Magnetic Circuit Topology Optimization

이 예제는 스피커 드라이버의 자계 회로의 위상 최적화 예제입니다. 위상 최적화를 이용하여, 선철의 성능을 최대로 하기 위해 비선형 선철의 형상을 알아냄과 동시에 초기 형상보다 중량을 감소시키는 방법을 알아낼 수 있습니다

Note: 이 모델은 AC/DC Module과 Optimization Module이 필요합니다.

2차원 축대칭 형상에서 최적화 자계 회로에서의 자속밀도. 형상은 Acoustics Module의 loudspeaker driver tutorial model에 있는 모터와 매우 유사합니다.

2차원 축대칭 형상에서 최적화 자계 회로에서의 자속밀도. 형상은 Acoustics Module의 loudspeaker driver tutorial model에 있는 모터와 매우 유사합니다.


2차원 축대칭 형상에서 계산된 최적화된 자계 회로 형상의 자속밀도. 3차원 형상 표현을 위해 225도 회전하여 나타내었습니다.

2차원 축대칭 형상에서 계산된 최적화된 자계 회로 형상의 자속밀도. 3차원 형상 표현을 위해 225도 회전하여 나타내었습니다.

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AC/DC_Module/Other_Industrial_Applications/magnetic_circuit_topology_optimization

New Tutorial: Nonlinear Slit Resonator, Coupling Acoustics and CFD


대부분의 경우, 음파는 작은 천공부 혹은 미세 구멍을 지닌 면과의 상호작용으로 나타납니다. 이는 머플러시스템, 제트 엔진에서 소음 억제를 위한 라이너 혹은 그릴에서 볼 수 있습니다. 중고(中高)음압레벨에서 천공 영역과 같은 협소 면에서의 국소 입자 속도는 매우 커서 음향의 선형 가정에 맞지 않습니다. 와류발산(vortex shedding)이 이 지점에서 발생하여, 비선형 손실을 유발하여 음향 측면에서 음향 신호의 비선형적인 외곡을 나타냅니다. 비선형 효과는 때로 천공 모델의 전달 임피던스 분석에서 반경험적 매개변수를 통해 포함하기도 합니다.

다음 예제는, 협소면이 공명기의 앞에 놓여 있어 손실을 직접 모델링합니다. 모델은 와류 발산을 갖는 복합 비선형 손실을 모델링 하기 위해 과도 해석에서 pressure acoustics 및 Laminar Flow 인터페이스를 연동하였습니다. 음압은 155dB SPL에 상응하는 크기를 나타냅니다.

높은 레벨의 음압을 유발하는 협소구간에서의 와류발산.

높은 레벨의 음압을 유발하는 협소구간에서의 와류발산.

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Nonlinear Slit Resonator: Coupling Acoustics and CFD

New Tutorial: Multilayered Porous Material, Poroelastic Waves with Thermal and Viscous Losses (Biot-Allard Model)

공기로 채워진 다공성 재질에서 압력 및 탄성파가 전파되는 예제에서, 열과 점성손실이 중요하게 작용합니다. 이 예제는 룸, 차실 내의 라이닝 재질 혹은 헤드셋이나 스피커에 사용되는 폼재질과 같은 절연재질에 관련된 것입니다. 다른 예제는 자동차 머플러에 있는 다공성 재질과 관련이 있습니다.

대부분의 경우, 이러한 재질은 Pressure Acoustics 인터페이스에서 Poroacoustic 모델(단순 압력 계산을 위해 상응하는 유동 모델)을 이용하여 모델링 할 수 있습니다. Acoustic Module 내에 있는 단순화 모델에서 Poroelastic Waves인터페이스는 지구과학에서 사용되는 고전 Biot이론에 근간을 두고 있습니다. 이는 포화유체는 액체(물)이며 점성 손실만을 포함하는 모델입니다. 입력되는 재질은 전형적으로 제공되는 음향 절연 재질과 다릅니다.

그러나, Poroacoustic 모델은 모드 효과를 포함하고 있지 않으며, 때로는 다공성 메트릭스에 탄성파를 포함시킬 필요가 있습니다. 이러한 이론에 근거한 모델이 Poroelastic Waves 인터페이스에서 선택할 수 있습니다.

여러 겹으로 구성된 다공성 구조 내의 다공성 메트릭스 변형.

여러 겹으로 구성된 다공성 구조 내의 다공성 메트릭스 변형.

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Multilayered Porous Material: Poroelastic Waves with Thermal and Viscous Losses (Biot-Allard Model)

New Tutorial: Acoustics of a Pipe System with 3D Bend and Junction

이 예제는, Pipe Acoustics을 Pressure Acoustics과 연동하여 거대 파이프 시스템 내의 음향 방사를 모델링 하는 방법을 보여주고 있습니다. 시간 및 주파수 영역에서 설정하여 해석하였습니다. 1차원 pipe acoustics는 길고 곧은 파이프 내 방사를 모델링 하는데 사용됩니다. 파이프 연결부와 곡구부를 갖는 3차원 모델은 상세하게 각 부위를 모델링 하기 위해 1차원 파이프 모델과 연동합니다. 이러한 종류의 모델은 누수나 변형을 감지하는 것과 같은 파이프 시스템의 응답을 예측하는데 사용되며, 오일이나 가스산업 혹은 수고 급수 시스템과 관련이 있습니다.

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Acoustics of a Pipe System with 3D Bend and Junction

New Tutorial: Topology Optimization of Acoustic Modes in a 2D Room

이 예제는 음향에서 위상 체적화를 사용한 예제를 소개하고 있습니다. 최적화의 목적은 주어진 2차원 방에서 평균 음압이 최소화 되도록 하는 재질의 분포(솔리드 혹은 공기)를 찾아 내는 것입니다. 최적화는 단일 주파수에 대해 수행되었습니다.

최적화(color scale) 수행 후의 최적화된 재질 분포(gray scale) 및 음압 레벨 분포

최적화(color scale) 수행 후의 최적화된 재질 분포(gray scale) 및 음압 레벨 분포

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Topology Optimization of Acoustic Modes in a 2D Room

New Tutorial: Anechoic Coating

흡음 코팅은 소나(sonar) 탐지에 식별을 줄이는데 사용되는데, 잠수함에 있어서 유용합니다. 이 예제는 철판 흡음 코팅의 반사(reflection), 흡수(absorption), 전달 물리량을 계산하는 것입니다. 여기서 고려된 설정은 in V. Leroy, A. Strybulevych, M. Lanoy, F. Lemoult, A. Tourin, and J. H. Page, “Superabsorption of acoustic waves with bubble metascreens,” Physical Review B, vol. 91, no. 2, 2015에 출간되어 있습니다.

코팅된 부위의 국소 변위 및 철판.

코팅된 부위의 국소 변위 및 철판.


New Tutorial: Acoustics of Coupled Rooms Using the Acoustic Diffusion Equation

이 모델은 Acoustics Module에 있는 Acoustic Diffusion Equation 을 이용하여 두 개의 연결된 방의 음향 해석을 한 모델입니다. 모델 결과는 논문에 있는 측정결과와 일치합니다.

두 개의 연결된 방에서의 에너지 분포 및 국소 에너지 흐름

두 개의 연결된 방에서의 에너지 분포 및 국소 에너지 흐름

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Acoustics of Coupled Rooms using the Acoustic Diffusion Equation

Elastic Layers Described by Material Data

스프링 기반의 탄성 물성을 기술하거나, 주어진 레이어의 두께와 함께 탄성계수 및 프와송수와 같은 재질 데이터를 이용하여 얇은 탄성박막을 기술할 수 있습니다. 예를 들어, 알려진 재질 물성을 이용하여 접착 층 모델링의 단순화가 가능합니다. 재질 데이터와 두께를 입력값으로 사용할 경우, 탄성박막의 변형률 또한 결과로 이용할 수 있습니다.

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New Framework for Inelastic Strains in Geometrically Nonlinear Analyses

새로운 형태와 더욱 정교한 계산이 더해진 탄성 비탄성 변형을 처리하는 형상 비선형 기능이 추가 되었습니다. 이전 버전에는 배수 분해 방법을 사용한 대 변형 소성 해석과 같은 몇 가지 해석을 제외하고 첨가 분해 방법을 사용하였습니다.

배수 분해법의 적용:

  • Thermal Expansion
  • Hygroscopic Swelling
  • Initial Strain
  • External Strain
  • Viscoplasticity
  • Creep

변형 구배에 대한 배수 분해는 기본적으로 geometric nonlinearity가 활성화되는 모든 비탄성 해석 시에 사용됩니다. 중요한 장점은 재료의 비탄성 대변형 해석 시에 사용이 가능합니다. 더하여 선형화가 일관성 있게 유지되어, 예를 들어 순수한 열팽창으로 변화되는 고유진동수의 변화를 정확히 예측 하게 됩니다. 재료 설정 창에서 Additive strain decomposition 기능을 활성화 하면 이전 버전의 기능을 사용 할 수 있습니다.

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향상된 기능으로 Linear Elastic Material와 Nonlinear Elastic Material 노드에서 External Strain 속성을 추가 했을 때 몇 가지 옵션이 있습니다. 이 옵션은 비 탄성 변형 수식을 지원하고, 다른 물리 인터페이스에서의 비탄성 변형을 해당 속성으로 전달할 수 있습니다. 추가적으로 유사한 성질을 지닌 External Strain은 초탄성 재료에 추가 됩니다.

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