COMSOL Multiphysics® 5.4 Release Highlights


Acoustics Module Updates

Acoustics 모듈 사용자를 위해서 COMSOL Multiphysics® 5.4 버전에서 Port 경계 조건, 비선형 Westervelt 모델, 대기 감쇄 모델이 추가 되었습니다. 더 자세한 내용은 아래 내용을 보시기 바랍니다.

Ports in Pressure Acoustics

새로운 Port 경계조건은 덕트와 채널같은 도파관 구조로 음파가 삽입되거나 방출되는 상황에서 흡음이나 음파 생성에 사용 할 수 있습니다. Pressure Acoustics, Frequency Domain 인터페이스에서 사용 가능합니다. 일반적인 방법으로 설정한 면에 Port 경계조건을 혼합한 설정도 가능합니다. 설정된 주파수 범위에서 관련된 모든 전파모드 해석에 사용되는 Port 조건은 반사되지 않는 방사 조건을 인가 할 수 있습니다. 본질적으로 해를 다중 모드로 확장되는 것입니다. 많은 경우에, 완전 흡수 층을 사용하는 경우와 평면 방사 조건을 사용한 경우에 비해서 정확도와 사용상의 편의성이 높습니다. 산란변수(S-parameter)를 자동으로 계산하고 전달 손실이나 삽입 손실을 계산하는 변수를 제공합니다. 또한 특정 모드를 생성하는 가진 원으로 사용 할 수 있습니다.

아래 예제에서 관련기능을 소개하고 있습니다:

  • duct_right_angled_bend
  • absorptive_muffler
  • perforated_muffler
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Nonlinear Acoustics Westervelt Model

높은 음압 수준에서 선형 음파 수식은 음의 전파에 적합하지 않습니다. 비선형 2차 파동 수식이 필요합니다. 위의 수식은 파장에 비해서 전달 거리가 큰 경우와 같이 국부적인 비선형 효과에 비해서 누적된 비선형 효과가 클 경우에 사용되는 단순화된 수식입니다. 이러한 효과는 Nonlinear Acoustics(Westervelt) 기능에서 제공하고, 이는 Pressure Acoustics, Time Domain 에서 사용 가능합니다. 높은 음압을 시간 영역에서 해석하고자 할 때 사용 가능하며, 발진기, 음향 혼, 초음파 등에 적용 할 수 있습니다. 이 기능에는 충격 확인 안정화와 특화된 솔버 처리 기능도 포함되어 있습니다.

아래 예제에서 관련된 기능을 소개합니다:

  • nonlinear_acoustics_westervelt_1d
  • acoustic_horn_nonlinear_54

Nonlinear Acoustics (Westervelt) 기능을 이용한 비선형 전파와 충격 형성 모델. 충격 형성 후 전파는 특화된 기능을 이용하여 표시 함

Nonlinear Acoustics (Westervelt) 기능을 이용한 비선형 전파와 충격 형성 모델. 충격 형성 후 전파는 특화된 기능을 이용하여 표시 함


Atmosphere and Ocean Attenuation Material Models

감쇄를 사용하는 새로운 두 개 모델이 제공됩니다. 하나는 대기 중의 공기이고 다른 하나는 바닷물입니다. Pressure Acoustics와 Ray Acoustics 인터페이스의 Frequency Domain 해석에서 사용가능 합니다. 두 모델은 다양한 측정 결과를 활용한 보정 수식입니다. 점성, 열 전도, 각 종 분자들의 이완 과정의 효과까지 고려하고 있습니다. Atmosphere attenuation 모델은 ANSI 표준 S1.23-2014에 따라서 감쇄가 정의 됩니다. 대기압, 온도, 상대 습도에 따른 함수로 정의 됩니다. Ocean attenuation 모델은 온도, 염도, 깊이, pH 값의 함수로 정의 됩니다. 두 감쇄 효과는 높은 주파수와 장거리 전파에서 중요하게 작용합니다. 음선 해석에서 두 모델이 포함되어 있어서 오랜 시간 음이 전파되는 해석에 사용됩니다. Underwater Ray Tracing Tutorial in a 2D Axisymmetric Geometry 모델에서 상세하게 확인 할 수 있습니다.

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Exterior Field Calculation

새로운 Exterior Field Calculation 기능은 기존의 Far-Field Calculation 기능을 개선한 기능입니다. Far-Field Calculation 기능은 방사되는 원거리뿐만 아니라 해석 도메인 외부 어느 점의 값도 계산 가능하였습니다. 일반적으로 이 기능은 원거리 계산을 위한 것이 아닙니다. 새로운 기능은 같은 방식으로 사용 되지만 새로운 이름과 사용자 인터페이스가 개선되어 사용이 용이 해졌습니다. 게다가 대칭면에 대해서 시각화하는 기능이 추가되고 새로운 설정을 기반으로 결과에서 표시해 줍니다.

아래 예제에서 관련된 기능을 소개하고 있습니다:

  • vented_loudspeaker_enclosure
  • loudspeaker_driver
  • lumped_loudspeaker_driver
  • tonpilz_transducer
  • piezoacoustic_transducer
  • acoustic_scattering

Exterior Field Calculation 기능의 사용자 인터페이스. 그래픽 창에 대칭 면이 활성화 되어 있습니다.

Exterior Field Calculation 기능의 사용자 인터페이스. 그래픽 창에 대칭 면이 활성화 되어 있습니다.


Exterior Field Calculation for Pressure Acoustics, Time Domain Interfaces

Exterior Field Calculation 기능은 Time to Frequency FFT 해석과 혼합하여 해석하는 모든 시간 음향 해석에서 사용 할 수 있습니다. Time to Frequency FFT 해석에서 시간 결과를 주파수 결과로 변환하는 변수와 도표를 생성합니다. Acoustic Horn: Nonlinear Sound Propagation Using the Westervelt Model 예제에서 관련된 기능을 자세히 소개하고 있습니다.

Additional Boundary Element Functionality

BEM-FEM을 혼합하여 해석 할 경우에 사용되는 솔버를 개선하였습니다. 대부분의 모델과 특히 많은 FEM 해석을 포함하는 경우에 속도가 개선됩니다. Pressure Acoustics, Boundary Element 인터페이스의 기능이 이전에 유한요소 기반 인터페이스(아래)만 사용되던 기능을 확장하였습니다:

  • Thermoviscous Acoustics와 Poroelastic Waves 인터페이스와 연동 설정
  • Interior Velocity 와 Interior Displacement 경계 조건
  • Impedance 경계 조건에서 모든 임피던스 모델

BEM-FEM을 위한 새로운 솔버는 진동음향 스피커 해석에서 계산 속도가 빨라진 것을 확인 할 수 있습니다. BEM-FEM 연동을 연동한 것으로 1시간 37분이 소요된 해석이 51분으로 감소되었습니다.

BEM-FEM을 위한 새로운 솔버는 진동음향 스피커 해석에서 계산 속도가 빨라진 것을 확인 할 수 있습니다. BEM-FEM 연동을 연동한 것으로 1시간 37분이 소요된 해석이 51분으로 감소되었습니다.


Adiabatic Formulation Option for Linearized Navier-Stokes and Thermoviscous Acoustics

Linearized Navier-Stokes 와 Thermoviscous Acoustics 인터페이스는 Adiabatic Formulation에 대한 옵션을 추가하였습니다. 이 수식은 대부분의 물과 같은 액체를 잘 근사합니다. 특히 열 효과가 점성 효과에 비해서 작은 경우에 적합합니다. 이 옵션을 사용하는 장점은 계산하는데 필요한 비용을 줄이는 것입니다. 왜냐하면 온도에 대한 해석을 수행하지 않고 직접 압력에 대한 효과만 계산하기 때문입니다.
이 기능을 사용한 예제는 다음과 같습니다:

  • vibrating_particle_water
  • coriolis_flow_meter_54
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Gradient Term Suppression (GTS) Stabilization for Linearized Navier-Stokes

Linearized Navier-Stokes 인터페이스에 Gradient Term Suppression Stabilization 옵션이 추가되었습니다. 이 수식을 계산할 때 Kelvin-Helmholtz 불안정이라 알려진 파가 발생할 수 있습니다. 이 불안정 부분은 지배식에서 일반적으로 반응 항입니다. 어떤 문제의 경우에 이 불안정성이 증가하여 해석에 제한을 주기도 합니다. 따라서 이 부분을 제거하여 음향 해를 유지하기도 합니다. 이 항을 제거하는 기능을 제공합니다. Reactive term과 Convective terms 에서 제거 할 수 있습니다.

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New and Updated Default Plots

기본으로 표시되는 결과가 개선 되었습니다. 색 구성은 물리 인터페이스에 일관됩니다. 예를 들면, Wave 색은 음압의 대칭 범위를, Thermal Equidistant 색은 음향 온도 변화에 사용됩니다. 고유진동수 해석 이후에는 Evaluation Group이 생성되고 고유진동수, 감쇄비, Q-factor에 관한 정보를 포함합니다. 외부 영역에 대해서는 새로운 기능을 사용합니다.
아래 모델에서 새로운 기능을 확인 할 수 있습니다:

  • piezoacoustic_transducer
  • transfer_impedance_perforate

Modulated Gaussian Pulse Option for Background and Incident Fields

Transient Pressure Acoustics 인터페이스에 Modulated Gaussian pulse를 배경 음향이나 입사 음향 장으로 정의하는 기능이 추가되었습니다. 이 기능은 시간 영역에서 산란 문제를 모델링 할 때 사용합니다. 이 경우에 반송파 주파수를 중심으로 제한된 주파수를 조절 하는데 사용합니다.

잠수함에서 Gaussian Pulse의 전파와 산란

잠수함에서 Gaussian Pulse의 전파와 산란

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Air and Water Materials Updated with Acoustics-Specific Quantities

Air, Water, Liquid 재료에 음향 문제에 필요한 물성 정보가 포함되었습니다. Bulk viscosity가 모두 추가 되었고 열팽창 계수도 포함 되었습니다. 물에 대해서는 비열 비에 대해서 온도 함수로 삽입되었습니다. 새로운 데이터를 사용하고자 한다면 기존의 물성을 삭제하고 다시 추가하면 됩니다.
관련 기능은 아래 예제에서 확인할 수 있습니다:

  • bk_4134_microphone
  • transfer_impedance_perforate
  • vibrating_particle_water

Thermoviscous Acoustics 혹은 Linearized Navier-Stokes 물리 인터페이스를 사용한 모델에서 추가된 Bulk viscosity를 사용한 모델

Thermoviscous Acoustics 혹은 Linearized Navier-Stokes 물리 인터페이스를 사용한 모델에서 추가된 Bulk viscosity를 사용한 모델


Ray Acoustics Updates

Ray Acoustics 인터페이스는 흡수와 감쇄 재질에서 강도(Intensity)를 계산하는 기능이 추가 되었습니다. 메시없이 계산되는 영역이나 도메인 외부에 대해서 감쇄를 적용하는 기능도 포함 되었습니다. 전반적으로 정확한 강도를 계산하는 방법도 개선되었습니다. Material Properties of Exterior and Unmeshed Domains 항이 추가되었고 여기에 음속, 밀도, 감쇄 계수를 입력 할 수 있습니다. Wall 조건에서 Rayleigh 거칠기 모델이 개선되었습니다. Ray Acoustic 인터페이스에 Compute power 기능이 추가 되었습니다. 이는 기존의 Compute intensity and Power 기능 보다 자유도가 적습니다. 이 기능을 사용하여도 경계에서 음압 레벨과 임펄스 응답 결과를 추출 할 수 있습니다. 레이의 인텐시티나 음압 레벨을 계산하고자 한다면 Compute intensity 나 Compute intensity and Power 옵션을 사용하여야 합니다.
관련된 기능은 아래 예제에서 확인할 수 있습니다:

  • small_concert_hall
  • underwater_ray_2Daxi_54
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Important Enhancements and Bug Fixes

General Enhancements

  • Grid 데이터셋(DataSet)의 미리 보기 기능으로 기본 형상에 대해서 표시해주고, 선택한 포인트, 선, 면에 대해서도 표시 해 줍니다.
  • 극좌표에서 축의 중심과 범위를 제어하는 기능이 개선되었습니다.
  • 공간 프레임(spatial frame)은 해석 영역 외부의 Radiation Pattern 결과, Grid 데이터셋, Parameterized Curve/Surface 데이터셋 등에 항상 사용 됩니다.
  • Linearized Navier-Stokes 인터페이스에서 Ideal gas 옵션이 추가되었습니다.
  • Linearized Navier-Stokes와 Thermoviscous Acoustic 인터페이스에서 From speed of sound 옵션에서 압축성과 열팽창 설정이 가능해졌습니다.
  • Linearized Navier-Stokes 해석의 안정화를 위해서 큰 구배를 가지는 배경 유동이 개선되었습니다.
  • 대부분의 인터페이스에서 사용자 정의 Periodic Condition 설정이 가능합니다.

Postprocessing Enhancements

  • Pressure Acoustics, Frequency Domain 인터페이스에서 임피던스 변수가 지정된 가속도, 속도, 변위 경계조건으로 정의 됩니다.
  • Thermoviscous, Boundary Mode 인터페이스에서 특성 임피던스를 위한 선 정의된 변수가 추가 되었습니다.
  • 임피던스 경계조건에는 법선 입사 흡수 변수(acpr.imp1.alpha\_n)와 무작위 입사 흡수 변수(acpr.imp1.alpha\_ran)가 추가 되었습니다.

Solver Enhancements

  • Thermoviscous Acoustics에서 고유진동수 해석에 반복 솔버가 추가 되었습니다.
  • Aggregation 옵션은 모든 솔버에 사용되고 이 옵션은 domain decomposition 조건을 사용합니다. 이는 완전 병렬처리 됩니다.
  • 제안 반복 솔버는 FEM-과 BEM- 인터페이스에서 Solid-Shell 연동과 음압 해석을 하고자 할 때 생성됩니다.
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New and Updated Tutorial Models and Applications

COMSOL Multiphysics® 5.4버전 에는 새로운 예제 모델을 제공합니다.


Duct with a Right-Angled Bend

새로운 포트(Port) 경계조건을 이용한 음향 가이드. 그림에서 입력은 형상에서 떨어져 설정 되었습니다.

새로운 포트(Port) 경계조건을 이용한 음향 가이드. 그림에서 입력은 형상에서 떨어져 설정 되었습니다.

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duct_right_angled_bend

Small Concert Hall Acoustics

Ray acoustics 예제는 메시가 생성되지 않은 영역에 감쇄를 계산하는 방법을 자세히 설명하고 있습니다.

Ray acoustics 예제는 메시가 생성되지 않은 영역에 감쇄를 계산하는 방법을 자세히 설명하고 있습니다.

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small_concert_hall


Lumped Receiver with Full Vibroacoustic Coupling

진동 부가 지지되는 부분과 소형 보청기의 발진기 사이의 연동 해석을 이용한 진동 음향 해석. 귀마개 튜브와 수신기의 변형과 연동 부의 음압 레벨을 표시합니다.

진동 부가 지지되는 부분과 소형 보청기의 발진기 사이의 연동 해석을 이용한 진동 음향 해석. 귀마개 튜브와 수신기의 변형과 연동 부의 음압 레벨을 표시합니다.

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lumped_receiver_vibroacoustic

Loudspeaker Driver, Transient

스피커의 다중물리 시간 해석으로 비선형 효과가 포함되었습니다. 총 고조파 왜곡(THD)과 동적 BL 결과가 포함됩니다.

스피커의 다중물리 시간 해석으로 비선형 효과가 포함되었습니다. 총 고조파 왜곡(THD)과 동적 BL 결과가 포함됩니다.

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loudspeaker_driver_transient


Nonlinear Acoustics — Modeling of the 1D Westervelt Equation

Westervelt 식을 이용하여 유체내의 음파 비선형 전파를 계산하였습니다. 선형, 비선형 파의 이동을 표시한 것으로 충격이 적용된 경우와 적용되지 않은 경우에 충격이 생성되는 거리를 표시하여 줍니다.

Westervelt 식을 이용하여 유체내의 음파 비선형 전파를 계산하였습니다. 선형, 비선형 파의 이동을 표시한 것으로 충격이 적용된 경우와 적용되지 않은 경우에 충격이 생성되는 거리를 표시하여 줍니다.

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nonlinear_acoustics_westervelt_1d

Radiation from a Baffled Piston

무한 베플에서 강체 피스톤의 축대칭 모델로서 Exterior Field Calculation 기능을 이용하였습니다. 위의 이미지는 임의의 단면에서 압력을 표시하고 있습니다.

무한 베플에서 강체 피스톤의 축대칭 모델로서 Exterior Field Calculation 기능을 이용하였습니다. 위의 이미지는 임의의 단면에서 압력을 표시하고 있습니다.

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baffled_piston_radiation_54


Loudspeaker Radiation: BEM Acoustics Tutorial

작은 스피커에서 방사되는 음은 경계요소법을 이용하여 계산하였습니다. 음압 레벨은 2000Hz에서 방사되는 음향입니다.

작은 스피커에서 방사되는 음은 경계요소법을 이용하여 계산하였습니다. 음압 레벨은 2000Hz에서 방사되는 음향입니다.

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loudspeaker_radiation_BEM_54

Acoustic Horn: Nonlinear Sound Propagation Using the Westervelt Model

국부 비선형 효과를 포함하는 방법을 설명하는 예제로서 음향 혼을 이용하여 모델링 하였습니다. 비선형 효과는 매우 큰 음이 사용되는 경우에 유효 합니다.

국부 비선형 효과를 포함하는 방법을 설명하는 예제로서 음향 혼을 이용하여 모델링 하였습니다. 비선형 효과는 매우 큰 음이 사용되는 경우에 유효 합니다.

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acoustic_horn_nonlinear_54


Sonic Well Logging

위의 모델은 압전 가진기를 시뮬레이션한 것으로 수신부와 송신부를 포함하여 모델링 하였습니다. 탄성파의 변위를 보여주고 있습니다.

위의 모델은 압전 가진기를 시뮬레이션한 것으로 수신부와 송신부를 포함하여 모델링 하였습니다. 탄성파의 변위를 보여주고 있습니다.

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sonic_well_logging_54

Muffler with Perforates

새로운 Port 경계조건을 사용한 예제로 후처리에서 전달 손실을 추출하는데 편리 합니다.

새로운 Port 경계조건을 사용한 예제로 후처리에서 전달 손실을 추출하는데 편리 합니다.

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perforated_muffler


Helmholtz Resonator with Flow

유체 영역의 입력 경계조건은 새로운 Fully developed flow기능을 사용하였고 SST 난류 모델을 사용하였습니다.

유체 영역의 입력 경계조건은 새로운 Fully developed flow기능을 사용하였고 SST 난류 모델을 사용하였습니다.

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helmholtz_resonator_with_flow