Logiciel de simulation pour étudier l'acoustique et les vibrations

Vue rapprochée d'un modèle d'habitacle de voiture montrant la répartition de la pression.

Une vue rapprochée d'un ordinateur portable ouvert montrant la pression acoustique rayonnée.

Vue rapprochée d'un modèle d'oreille portant un appareil auditif.

Pression acoustique

Le calcul de pression acoustique est l'usage le plus commun du module Acoustics. Ce module permet de modéliser les effets de la pression acoustique, tels que la diffusion, la diffraction, l'émission, le rayonnement et la transmission du son. Les simulations effectuées dans le domaine fréquentiel utilisent l'équation de Helmholtz, tandis que dans le domaine temporel, l'équation des ondes scalaire classique est utilisée. Dans le domaine fréquentiel, les méthodes FEM et BEM sont proposées, ainsi que la méthode hybride FEM–BEM. Dans le domaine temporel, des formulations implicites (FEM) et explicites (dG-FEM) sont également disponibles.

Il existe de nombreuses options pour tenir compte des frontières dans les modèles acoustiques. Par exemple, une condition de frontière pour une paroi ou une condition d'impédance pour une couche poreuse peuvent être ajoutée. Des ports peuvent être utilisés pour exciter ou absorber les ondes acoustiques à l'entrée et à la sortie des guides d'ondes en utilisant l'expansion multimodes. Des sources d'accélération, de vitesse, de déplacement ou de pression imposés peuvent être appliquées aux frontières extérieures ou intérieures. D'autre part, des conditions de rayonnement ou des conditions périodiques de Floquet peuvent être utilisées pour modéliser des frontières ouvertes ou périodiques.

La formulation dG-FEM basée sur le domaine temporel peut être exécutée sur GPU pour augmenter les performances, ce qui peut être très utile, par exemple, pour des scénarios de simulation acoustique de salles avec une approche ondulatoire. Des outils dédiés permettent de pousser encore plus loin les possibilités de simulation en domaine temporel, en permettant par exemple d'inclure des conditions limites d'impédance générale fonction de la fréquence ou des données sur les matériaux poreux.

Le module Acoustics peut également être utilisé pour modéliser l'acoustique en conduites, en calculant la pression et la vitesse acoustiques dans les systèmes de conduites flexibles. Les applications comprennent les systèmes CVC, les grands systèmes de tuyauterie et les instruments de musique comme les tuyaux d'orgue.

Electroacoustique : Haut-parleurs et microphones

Lors de la modélisation de haut-parleurs et de microphones, une partie essentielle implique l'interaction acoustique–structure, où la pression du fluide provoque un effort sur le domaine solide, et l'accélération de la structure affecte le domaine fluide comme une accélération normale à travers la frontière fluide–solide. Le module Acoustics comprend plusieurs fonctionnalités d'interaction acoustique–structure.

Pour la modélisation de transducteurs de toutes sortes, les fonctionnalités incluses dans le module Acoustics peuvent être facilement combinées avec celles du module AC/DC, du module MEMS ou du module Structural Mechanics pour créer des modèles FEM multiphysiques entièrement couplés. Cela inclut par exemple la modélisation détaillée des aimants et des bobines mobiles dans les haut-parleurs, ou des forces électrostatiques dans les microphones à condensateur et les haut-parleurs électrostatiques. Dans les systèmes de transducteurs électro-mécaniques-acoustiques, on peut aisément utiliser des modèles réduits de circuits pour simplifier les composants électriques et mécaniques. Les deux approches sont résolues avec un couplage entièrement bidirectionnel. Il est de plus possible de modéliser et d'analyser le comportement (linéaire) du petit signal et la dynamique non linéaire du signal large. Dans les systèmes de transducteurs miniatures, comme les appareils mobiles, les microphones à condensateur et les récepteurs de prothèses auditives, l'amortissement important dû aux pertes de la couche limite thermovisqueuse est inclus. Il existe également des fonctionnalités plus larges pour la modélisation des transducteurs piézoélectriques de toutes sortes.

Vue rapprochée d'un modèle de haut-parleur montrant l'interaction acoustique-structure.

Une vue rapprochée d'un modèle de micro haut-parleur avec des lignes de courant Arc-en-ciel.

Un modèle réaliste d'un smartphone avec des ports de micro haut-parleur et des lignes de courant sortant du haut-parleur et un tracé en tranches montrant le décollement des vortex.

Microacoustique

Pour une analyse microacoustique précise de la propagation acoustique dans des géométries de petites dimensions, vous devez tenir compte des pertes dans les couches limites visqueuses et thermiques. Ces effets sont résolus intégralement et sont automatiquement inclus lors de l'exécution d'une simulation thermovisqueuse à l'aide du module Acoustics. Ils sont importants pour la modélisation vibroacoustique dans les transducteurs électroacoustiques miniatures comme les microphones, les appareils mobiles, les prothèses auditives et les dispositifs MEMS. Pour une modélisation détaillée des transducteurs, vous pouvez utiliser les couplages multiphysiques intégrés entre les structures et les domaines acoustiques thermovisqueux.

Le logiciel prend en compte des effets supplémentaires, notamment le comportement transitoire complet des conditions adiabatiques à isothermes à très basse fréquence. Les effets non linéaires locaux, tels que le décollement des vortex dans les orifices ou les perforations de micro haut-parleurs, peuvent être capturés dans le domaine temporel avec l'ajout des termes non linéaires associés. Il existe également une fonction dédiée au calcul et à l'identification des modes de propagation et de non-propagation dans les guides d'ondes et les conduites de petites dimensions.

Ondes élastiques et ultrasons dans les solides

La propagation du son dans les solides se fait par des oscillations élastiques de faible amplitude de forme et de structure du solide. Ces ondes élastiques sont transmises aux fluides environnants comme des ondes sonores ordinaires.

Vous pouvez utiliser le module Acoustics pour modéliser la propagation des ondes élastiques dans les solides et les matériaux poreux, pour des applications monophysiques ou multiphysiques, comme le contrôle des vibrations, le contrôle non destructif (NDT) ou le contrôle mécanique. Les domaines d'application vont des dispositifs micromécaniques à la propagation des ondes sismiques. La propagation des ondes élastiques sur de grands domaines contenant de nombreuses longueurs d'onde est résolue à l'aide d'une méthode dG-FEM d'ordre supérieur explicite en temps, qui est aussi multiphysique pour les couplages avec les fluides ainsi que les matériaux piézoélectriques. La formulation complète de la dynamique structurelle tient compte des effets des ondes de cisaillement ainsi que des ondes de pression. Vous pouvez modéliser la propagation couplée des ondes élastiques et de pression dans les matériaux poreux en résolvant les équations de Biot.

Une vue rapprochée d'un modèle de planète Terre avec des ondes sismiques.

Vue rapprochée d'un transducteur piézoélectrique dans un modèle de CND à faisceau incliné montrant le potentiel électrique, le profil de l'onde et le maillage.

Ultrasons dans les fluides

Les signaux acoustiques dont les fréquences sont trop hautes pour être audibles pour une oreille humaine, autrement qualifiés d'ultrasons, se transmettent dans les fluides sous forme d'ondes ultrasonores de courte longueur d'onde, ce qui peut constituer un défi en matière de simulation lorsque la propagation transitoire des ondes acoustiques doit être calculée sur des distances relativement grandes en comparaison. Le module Acoustics enrichit le logiciel avec des fonctionnalités avancées dédiées à ce type de modélisation. Il est par exemple possible de simuler efficacement la propagation des ondes ultrasonores en présence d'un écoulement ambiant ou en encore de tenir compte des phénomènes non-linéaires pouvant survenir à haute puissance acoustique.

Simuler les équations de l’acoustique linéaire transitoire pour des modèles comprenant de nombreuses longueurs d’ondes au sein d'un écoulement ambiant stationnaire se fait ainsi via la résolution de l’équation d’onde convectée avec une formulation spécifique. Cette approche est utilisée pour modéliser par exemple des débitmètres ou des systèmes d'échappement.

Concernant l'acoustique non-linéaire à haute puissance, le logiciel permet de tenir compte des phénomènes de propagation progressive pour lesquels les effets non linéaires cumulatifs dépassent les effets non linéaires locaux, rendant possible la modélisation de la formation et de la propagation des chocs. Ces fonctionnalités sont utilisées pour modéliser des applications biomédicales telles que l’imagerie ultrasonore et les ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU).

Pour ces deux types de simulation, vous retrouverez des fonctionnalités multiphysiques permettant de coupler entièrement le modèle avec des ondes élastiques en milieux solides et/ou avec des matériaux piézoélectriques.

Aéroacoustique

Grâce au module Acoustics, des simulations numériques d'aéroacoustique (CAA) peuvent être effectuées efficacement avec une approche découplée en deux étapes. Dans un premier temps, il s'agit de déterminer l'écoulement moyen ambiant à l'aide des outils du module CFD ou d'un profil d'écoulement défini par l'utilisateur. La propagation acoustique est ensuite résolue.

Pour les simulations d'acoustique convectée, il existe plusieurs formulations d'aéroacoustique par éléments finis, notamment Navier–Stokes linéarisé, Euler linéarisé et écoulement potentiel linéarisé. Des fonctionnalités sont également disponibles pour calculer les variations acoustiques de pression, de densité, de vitesse et de température en présence d'un écoulement moyen stationnaire isotherme ou non isotherme. Les formulations prennent facilement en compte la convection, l'amortissement, la réflexion et la diffraction des ondes acoustiques par l'écoulement. Il existe également une fonctionnalité pour les analyses d'interaction fluide-structure (IFS) dans le domaine fréquentiel via des couplages prédéfinis avec des structures élastiques. En outre, des outils sont disponibles pour la décomposition modale de source et l'étude de perte de transmission modale pour l'acoustique des conduits, permettant de modéliser par exemple des conduits de moteurs à turbines.

Le bruit induit par l'écoulement peut être inclus dans une analyse de pression acoustique par l'ajout de sources d'écoulement aéroacoustiques, en utilisant l'analogie acoustique de Lighthill à partir de données d'un modèle CFD transitoire de type Large Eddy Simulation (LES), ou en provenance d'un modèle de type Detached Eddy Simulation (DES).

Une vue rapprochée de deux modèles de résonateurs de Helmholtz montrant l'analyse acoustique et le flux moyen.

Vue rapprochée d'un modèle de conduit de turboréacteur montrant le champ acoustique.

Vue rapprochée d'un modèle de locaux de bureau montrant la distribution de la pression.

Une vue rapprochée d'un modèle de maison montrant le niveau de pression acoustique.

Acoustique des salles

Le module Acoustics offre une série d'outils pour analyser l'acoustique des salles telles que les salles de concert, les studios d'enregistrement et les bureaux. Il est possible de retrouver notamment des formulations d'acoustique géométrique comme le lancer de rayons, les méthodes de diffusion acoustique et les approches hybrides. Toutes ces méthodes peuvent être utilisées conjointement pour effectuer une analyse à large bande d'un espace d'écoute.

Les fonctionnalités d'acoustique géométrique du module Acoustics peuvent être utilisées pour évaluer des systèmes haute fréquence où la longueur d'onde acoustique est inférieure aux caractéristiques géométriques. Deux méthodes sont disponibles pour ce faire : le lancer de rayons acoustiques et la diffusion acoustique.

Pour le lancer de rayons acoustiques, il s'agit de calculer les trajectoires, la phase et l'intensité de rayons acoustiques. Il est également possible d'évaluer des réponses impulsionnelles, des courbes de décroissance d'énergie et de niveau sonore, ainsi que d'autres paramètres objectifs habituels en acoustique des salles. Un modèle de matériau d'atténuation atmosphérique est disponible pour inclure l'atténuation dans l'air en fonction de la température, de la pression et de l'humidité relative. De plus, le module comporte des couplages prédéfinis qui permettent de passer des résultats de simulation par approche ondulatoire vers du lancer de rayons, permettant une modélisation réaliste des sources telles que les haut-parleurs, sur la base de calculs en champ proche et en champ lointain.

Pour la diffusion acoustique, vous pouvez déterminer la distribution des niveaux de pression acoustique dans des pièces couplées et les temps de réverbération à différents endroits. L'acoustique est modélisée de manière simplifiée à l'aide d'une équation de diffusion pour la densité d'énergie acoustique. Cette méthode est bien adaptée aux analyses rapides à l'intérieur des bâtiments et autres grandes structures.

Les simulations en approche ondulatoire peuvent être effectuées efficacement en utilisant l'interface Pression acoustique, explicite en temps, qu'il est possible d'exécuter sur GPU pour des performances accrues. Pour des modèles toujours plus réalistes, des outils dédiés permettent d'inclure des conditions limites d'impédance générale fonction de la fréquence pour les frontières et les parois. Il est également possible de réaliser des simulations modales et harmoniques de salles à l'aide de l'interface Pression acoustique, domaine fréquentiel. Des solveurs itératifs dédiés existent pour modéliser des problèmes à grande échelle.

Acoustique sous-marine

L'acoustique sous-marine couvre un large éventail d'applications, de la conception de transducteurs aux technologies de sonars, en passant par la propagation et l'atténuation du bruit. Pour de telles applications, le module Acoustics offre un ensemble complet d'outils de modélisation de phénomènes couvrant plusieurs échelles de longueur, gammes de fréquences et effets multiphysiques.

Le module Acoustics offre des capacités complètes de modélisation électroacoustique ainsi que des capacités multiphysiques piézoélectriques essentielles pour modéliser les transducteurs sous-marins. La propagation du son sur de grandes distances peut être modélisée grâce à l'interface Lancer de rayons acoustiques. Les rayons peuvent se propager dans des milieux gradués (propriétés des matériaux dépendant de la profondeur), ce qui est nécessaire dans les applications acoustiques sous-marines, et un modèle de matériau d'atténuation océanique dédié est disponible pour capturer l'atténuation lors de la propagation sur de grandes distances et à des fréquences élevées. En outre, le module comporte des couplages prédéfinis qui permettent de passer des résultats de simulation avec une approche ondulatoire à du lancer de rayons, ce qui permet de modéliser de manière réaliste des sources telles qu'une coque de navire en vibration ou un bruit de pieu sous-marin, sur la base de calculs en champ proche et en champ lointain. En complément, il est possible d'utiliser la formulation BEM ou Kirchhoff-Helmholtz dans le logiciel pour faire de l'analyse de signature acoustique des objets sous-marins, comme l'index de cible (TS).

Une vue rapprochée d'un modèle de transducteur tonpilz.

Vue rapprochée d'un modèle de coque de navire montrant le niveau de pression acoustique.

Streaming acoustique

Avec le module Acoustics, il est possible de simuler le streaming acoustique qui décrit le processus physique où un champ acoustique induit un mouvement dans un fluide. Le module contient des capacités multiphysiques pour coupler l'acoustique et la mécanique des fluides afin de modéliser des phénomènes de streaming acoustique pour évaluer la pression et l'acoustique thermovisqueuse.

Le streaming acoustique est un phénomène non linéaire qui se produit en raison de la non-linéarité des équations de Navier-Stokes. Le module Acoustics calcule les forces, les contraintes et les vitesses de glissement aux frontières que le champ acoustique induit dans un fluide afin de générer les lignes de courant. Ce phénomène est largement utilisé dans le domaine des biotechnologies et pour le traitement des semi-conducteurs et il est important dans les systèmes microfluidiques et de lab-on-chip pour des applications de manipulation de particules, de mélange de fluides et de pompes microfluidiques.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Acoustics

Explorez les caractéristiques et les fonctionnalités du module Acoustics plus en détail dans les sections ci-dessous.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèle avec le nœud racine en surbrillance et un modèle de silencieux dans la fenêtre graphique.

Interfaces utilisateur intégrées

Le module Acoustics fournit des interfaces utilisateur intégrées couvrant tous les domaines d'application énumérés ci-dessus. Ces interfaces définissent des ensembles d'équations de domaine, des conditions aux limites, des conditions initiales, des maillages prédéfinis, des études prédéfinies avec des paramètres de solveur, ainsi que des graphiques prédéfinis et des valeurs dérivées. Toutes ces étapes sont accessibles dans l'environnement COMSOL Multiphysics^®. Les paramètres de maillage et de solveur sont gérés automatiquement par le logiciel, avec des options d'édition manuelle.

La méthodologie de travail COMSOL Multiphysics^® pour construire des modèles acoustiques est la même que pour construire un modèle avec toute autre interface physique. De cette manière, il est facile d'incorporer plusieurs physiques dans un modèle acoustique. Plusieurs interfaces multiphysiques sont intégrées au module acoustique et accessibles lorsqu'elles sont combinées avec d'autres modules complémentaires de la suite de produits COMSOL.

Une vue rapprochée de la fenêtre de réglages du nœud de pression acoustique et un modèle de tête dans la fenêtre graphique.

Interfaces pour la pression acoustique

Pour la modélisation de la pression acoustique, il existe plusieurs interfaces utilisateur où le champ sonore est représenté par une variable de pression scalaire. Les interfaces générales, basées sur les éléments finis, offrent la possibilité de résoudre les problèmes dans le domaine fréquentiel et temporel. Pour le cas transitoire, les effets non linéaires peuvent être inclus et sont basés sur l'équation de Westervelt.

Pour résoudre efficacement les problèmes de rayonnement et de diffusion de grande taille, il existe la méthode d'éléments de frontière BEM dans le domaine fréquentiel qui se couple parfaitement avec les interfaces par éléments finis, que ce soit d'acoustique ou de mécanique du solide.

Pour résoudre efficacement les modèles transitoires de grande taille, il existe une interface utilisateur spécialisée basée sur la méthode des éléments finis de type Galerkin discontinu avec un solveur explicite en temps. Cette interface peut se coupler avec l'interface explicite en temps correspondante pour les ondes élastiques et piézoélectriques. Pour les simulations acoustiques pures, le solveur explicite en temps peut être exécuté sur un GPU pour améliorer les performances.

L'utilisation de l'interface pour l'analyse des modes de frontières permet d'étudier les modes de propagation dans les sections transversales des guides d'ondes et des conduits.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèle avec le nœud Paroi en surbrillance et un modèle de sous-marin dans la fenêtre graphique.

Pression acoustique à haute fréquence

Deux interfaces hautement spécialisées sont disponibles pour une analyse rapide en acoustique haute fréquence dans le domaine fréquentiel. Ces interfaces sont basées sur le calcul de l'intégrale de Kirchhoff–Helmholtz. Elles comprennent deux interfaces, l'une pour l'analyse de la diffusion et l'autre pour l'analyse du rayonnement. Ce type d'analyse peut être utilisé comme une première étape avant de passer à une analyse plus exigeante en ressources de calcul basée sur la FEM ou la BEM.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèle avec le nœud Matériau piézoélectrique en surbrillance et un modèle de poutre inclinée dans la fenêtre graphique.

Interfaces Ondes élastiques

Le module Acoustics comprend des interfaces utilisateur pour la modélisation de la propagation des ondes élastiques linéaires dans les solides, les matériaux poreux et piézoélectriques. Ces interfaces se couplent facilement aux domaines fluides en utilisant un ensemble de couplages multiphysiques prédéfinis.

Les interfaces de mécanique du solide ont la capacité de représenter l'élastodynamique complète et peuvent être utilisées pour modéliser les ondes élastiques dans les solides dans les domaines fréquentiel et temporel. Une condition de frontière de port est spécifiquement mise en œuvre pour modéliser et traiter divers modes de propagation dans les structures de type guides d'ondes élastiques.

Les interfaces poroélastiques sont utilisées pour modéliser les ondes poroélastiques dans les matériaux poreux. Ces ondes résultent de l'interaction bidirectionnelle complexe entre les variations de pression acoustique dans le fluide saturant et la déformation élastique de la matrice solide poreuse. Les interfaces poroélastiques résolvent les équations de Biot dans le domaine fréquentiel et incluent les mécanismes de pertes visqueuses (Biot) pour la modélisation des roches et des sols, ainsi que les pertes thermiques et visqueuses (Biot–Allard) pour les matériaux absorbant le son dans l'air. Des modèles sont disponibles pour les matériaux dont les propriétés poreuses et mécaniques sont isotropes ou anisotropes, ce qui peut s'avérer utile, par exemple, pour les matériaux poreux fibreux.

Deux interfaces, basées sur une formulation Galerkin discontinue explicite en temps, peuvent être utilisées pour modéliser des ondes élastiques linéaires dans des domaines solides et piézoélectriques. Ces interfaces peuvent être couplées et sont adaptées à modéliser efficacement des domaines de plusieurs longueurs d'onde. Une condition limite dédiée de Fracture peut être utilisée pour modéliser deux solides ayant une liaison non idéale, par exemple, si l'objectif consiste à simuler la réponse acoustique d'un défaut ou d'une zone de délamination. Ces interfaces peuvent également être couplées avec les interfaces explicites en temps pour résoudre la pression acoustique et les équations d'onde convectée.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèle et d'un résonateur de Helmholtz dans la fenêtre graphique.

Interfaces aéroacoustiques

Pour la modélisation détaillée de l'acoustique convectée, ou du bruit transporté par l'écoulement, un certain nombre d'interfaces aéroacoustiques sont disponibles dans les domaines fréquentiel et temporel. Ces interfaces sont utilisées pour simuler l'interaction unidirectionnelle d'un écoulement de fluide moyen avec un champ acoustique. Il existe différentes interfaces physiques qui résolvent les équations correspondantes avec diverses approximations physiques.

Les interfaces Navier-Stokes linéarisé sont utilisées pour résoudre les variations acoustiques de pression, de vitesse et de température.

Les interfaces Euler linéarisé sont utilisées pour calculer les variations acoustiques de densité, de vitesse et de pression en présence d'un écoulement moyen stationnaire qui est bien approximé par un écoulement de gaz parfait.

Des interfaces spéciales pour les modes aux frontières sont disponibles pour calculer les modes de propagation et de non-propagation dans les guides d'ondes et les conduites en présence d'un écoulement moyen ambiant. La décomposition de la source modale et les simulations de perte de transmission modale pour l'acoustique des conduits, dans des moteurs de turbines par exemple, peuvent être réalisées en utilisant les conditions de port dédiées disponibles avec l'interface Ecoulement potentiel linéarisé.

Pour une analyse simplifiée, les interfaces d'écoulement potentiel linéarisé peuvent être utilisées dans les domaines temporel et fréquentiel.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèle avec le nœud de calcul du champ extérieur en surbrillance et un modèle de haut-parleur dans la fenêtre graphique.

Domaines ouverts et rayonnement

Pour modéliser un domaine de calcul non limité dans l'espace, vous pouvez le tronquer en utilisant des couches dites parfaitement adaptées (PML) dans les domaines temporel et fréquentiel. Parmi les autres méthodes possibles, citons l'utilisation de conditions limites de rayonnement ou la modélisation d'un domaine extérieur à l'aide d'une interface d'éléments de frontière BEM.

Pour les interfaces basées sur les éléments finis, une fonction de calcul du champ extérieur peut être utilisée pour déterminer la pression en tout point extérieur au domaine de calcul. Des résultats dédiés et des capacités d'analyse existent pour visualiser le modèle de rayonnement du champ extérieur (champ proche et champ lointain) dans des graphiques polaires, en 2D et 3D.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèle avec le nœud Source de l'écoulement aéroacoustique, couplage mis en évidence et un modèle de cylindre tandem dans la fenêtre graphique.

Bruit induit par l'écoulement

Combiner le module Acoustics et le module CFD permet d'accéder à une méthode aéroacoustique hybride (CAA) pour modéliser le bruit induit par l'écoulement.

La méthode de calcul est basée sur la discrétisation FEM de l'analogie acoustique de Lighthill (équation d'onde). Cette formulation des équations garantit que toute frontière solide (fixe ou vibrante) est implicitement prise en compte.

La fonctionnalité repose sur le couplage d'une simulation d'écoulement de type LES ou DES, à l'aide du module CFD, à une source d'écoulement aéroacoustique pour la pression acoustique, disponible dans le module Acoustics.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèle avec le nœud Frontière acoustique BEM-FEM mis en évidence et un modèle de haut-parleur dans la fenêtre graphique.

Méthodes des éléments finis et des éléments de frontières

La plupart des interfaces utilisateur du module Acoustics sont basées sur différentes versions de la méthode FEM. Les interfaces utilisateur basées sur la BEM sont également disponibles et peuvent être combinées de manière transparente avec les interfaces FEM. La méthode hybride FEM–BEM est très efficace pour modéliser l'interaction acoustique–structure impliquant des structures vibrantes.

Les applications FEM–BEM hybrides comprennent les simulations de transducteurs et de rayonnement avec des géométries complexes où vous modélisez le transducteur (piézo ou électromagnétique) en FEM et l'acoustique extérieure en BEM.

Une interface BEM peut être utilisée pour remplacer une condition de rayonnement ou une PML basée sur la FEM, ainsi que les calculs de champ extérieur basés sur la FEM.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèle avec le nœud Port en surbrillance et un modèle de conduite inclinée dans la fenêtre graphique.

Conditions aux frontières et sources pour l'interface Pression acoustique

Il existe une grande variété de conditions aux frontières pour les calculs de pression acoustique, y compris les parois rigides et les conditions pour appliquer des sources. Il existe des conditions de rayonnement, de symétrie, de périodicité et de port pour la modélisation des frontières ouvertes. Les conditions d'impédance comprennent des modèles pour différentes parties de l'oreille humaine, la peau humaine, des modèles de circuits RLC simples, etc. Dans le cas d'une étude temporelle, les conditions d'impédance dépendant de la fréquence peuvent être établies à l'aide d'outils spécialisés basés sur de l'ajustement par fractions partielles des données. Les options de modélisation des sources idéales comprennent des options prédéfinies pour les sources ponctuelles de type monopôle, dipôle et quadrupôle.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèle avec le nœud Paire Acoustique-Structure mis en évidence et un modèle de transducteur dans la fenêtre graphique.

Interfaces d'interaction acoustique-structure

Les interfaces pour l'interaction acoustique-structure s'appliquent aux phénomènes où la pression du fluide provoque une charge sur le domaine solide et où l'accélération structurelle affecte le domaine fluide à travers la frontière fluide-solide. Ce phénomène est également connu sous le nom de vibroacoustique.

Les interfaces offrent la possibilité de résoudre dans le domaine fréquentiel ou temporel. Les solides inclus dans les simulations peuvent être isotropes, anisotropes, poreux ou piézoélectriques.

En combinaison avec le module Structural Mechanics, le côté structurel du couplage peut en outre inclure des coques ou des membranes.

En le combinant avec le module Multibody Dynamics, vous pouvez inclure les effets de plusieurs pièces mobiles rigides ou flexibles reliées par divers types de joints.

Pour des options plus avancées, la combinaison avec le module AC/DC ou le module MEMS vous permet d'analyser l'interaction fluide-structure impliquant des forces électriques ou magnétiques, y compris dans les solides à propriétés matériaux électrostrictives ou magnétostrictives.

Une vue rapprochée de la fenêtre de réglages du nœud de modèle acoustique thermovisqueuse et un tracé 1D dans la fenêtre graphique.

Interfaces d'acoustique thermovisqueuse

Afin de modéliser avec précision l'acoustique dans des géométries de petites dimensions, il est nécessaire d'inclure les effets de conduction thermique ainsi que les pertes visqueuses de manière explicite dans les équations sous-jacentes. Près des parois, il existe des couches limites visqueuses et thermiques. Ici, les pertes visqueuses dues au cisaillement et à la conduction thermique deviennent importantes en raison des forts gradients.

Les interfaces d'acoustique thermovisqueuse comprennent la capacité de modéliser simultanément les effets de pression, de la vitesse des particules et des oscillations acoustiques de température. L'acoustique thermovisqueuse est, par exemple, utilisée lors de la modélisation de la réponse de petits transducteurs comme les microphones et les récepteurs, également appelée microacoustique. Un couplage multiphysique avec la physique de thermoélasticité permet une modélisation détaillée de l'amortissement dans les applications MEMS, y compris un amortissement détaillé pour les films minces. Cette fonctionnalité est encore améliorée par une condition de paroi glissante acoustique spécifique, nécessaire pour les systèmes de très petites dimensions ou fonctionnant à de faibles pressions ambiantes. Cette condition doit être utilisée pour le régime d'écoulement de glissement lorsque le nombre de Knudsen est compris entre 0,001 et 0,1.

Les interfaces sont disponibles pour la résolution dans les domaines fréquentiel et temporel. Dans le domaine temporel, les effets non linéaires peuvent également être modélisés.

En domaine fréquentiel, il existe deux formulations, l'une basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes linéarisées complètes (FLNS) et l'autre qui utilise la formulation de Navier-Stokes linéarisée séquentielle (SLNS).

Les modèles réduits acoustiques et électroacoustiques peuvent être facilement extraits du domaine résolu et/ou couplés à celui-ci à l'aide de ports, de ports réduits ou de la fonctionnalité Haut-parleur réduit, frontière. Ceci est utile pour des modèles de simulation utilisant, par exemple, les paramètres de Thiele-Small d'un microtransducteur dans un téléphone mobile.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèle avec le nœud Equation d'onde convectée en surbrillance et un modèle de débitmètre à ultrasons dans la fenêtre graphique.

Interfaces Ultrason et Equation d'onde convectée

Pour analyser les dispositifs et les processus ultrasonores linéaires transitoires, vous pouvez utiliser l'interface utilisateur d'équation d'onde convectée. Cette interface peut être utilisée pour résoudre efficacement les modèles acoustiques linéaires transitoires de grande taille contenant de nombreuses longueurs d'onde dans un écoulement ambiant stationnaire.

Pour simuler la propagation d'ondes acoustiques non linéaires de forte amplitude, vous pouvez utiliser l'interface utilisateur Pression acoustique non-linéaire. Cette interface comprend une fonctionnalité spéciale pour capturer les chocs.

Les deux interfaces comprennent des couches absorbantes qui sont utilisées pour établir des conditions aux frontières efficaces et non réfléchissantes. Les interfaces sont basées sur la méthode Galerkin discontinu et utilisent un solveur explicite en temps particulièrement efficace.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Lancer de rayons acoustique en surbrillance et un modèle de salle de concert dans la fenêtre graphique.

Interfaces Lancer de rayons acoustiques et Diffusion acoustique

Pour effectuer des simulations dans la limite des hautes fréquences, où la longueur d'onde acoustique est beaucoup plus petite que les caractéristiques géométriques, vous pouvez utiliser les interfaces utilisateur Lancer de rayons acoustiques. Pour des analyses rapides, il existe une interface utilisateur permettant de résoudre l'équation de diffusion acoustique, également connue sous le nom d'éléments finis énergétiques.

Les deux interfaces utilisateur sont adaptées à la modélisation de l'acoustique des pièces et des salles de concert. L'interface de lancer de rayons acoustiques peut également être utilisée dans des scénarios d'extérieur ou sous-marins par exemple.

L'interface de lancer de rayons acoustiques est utilisée pour calculer les trajectoires, la phase et l'intensité des rayons acoustiques. Elle inclut des capacités d'analyse de réponse impulsionnelle, calculant les courbes de décroissance de niveau sonore et les métriques acoustiques objectives de la pièce, telles que les valeurs EDT, T₆₀, etc.

En outre, un ensemble de fonctionnalités dédiées permet de définir facilement des sources et récepteurs avec une directivité spatiale. Il existe également des couplages prédéfinis entre des simulations par approche ondulatoire de plusieurs sources (telles que les transducteurs) et le lancer de rayons, qui simplifient la mise en place de sources réalistes basées sur des résultats en champ proche et en champ lointain.

Une vue rapprochée de la fenêtre de réglages du nœud Acoustique dans des régions minces et un tracé 1D dans la fenêtre Graphique.

Pertes acoustiques et matériaux poreux

Une manière plus approximative d'introduire les pertes est d'utiliser les modèles de fluide équivalent disponibles dans les interfaces de Pression acoustique. De manière homogène, cela permet d'introduire des propriétés d'atténuation dans le fluide de base qui imitent les différents mécanismes de perte. Les modèles de fluide comprennent les pertes dues à la conduction thermique, à la viscosité et à la relaxation dans l'atmosphère (air) et dans l'océan (eau de mer), ainsi que des modèles de fluide équivalent pour simuler l'amortissement dans les matériaux poreux ( à la fois dans le régime rigide ou souple), tel que le modèle Johnson-Champoux-Allard (JCA).

Ces modèles peuvent prendre en considération des propriétés poreuses isotropes et anisotropes. Egalement, les matériaux poreux peuvent être modélisés pour une étude temporelle, à l'aide d'une fonctionnalité dédiée, reposant sur un ajustement par fractions partielles des propriétés matériaux qui dépendant de la fréquence.

En plus de l'interface Acoustique thermovisqueuse qui modélise simultanément les effets de la pression, de la vitesse des particules et des oscillations de température acoustique, l'interface Pression acoustique peut également tenir compte des pertes de la couche limite thermovisqueuse. Les conduits étroits et les guides d'ondes de section constantes peuvent être décrits à l'aide d'un modèle spécifique d'acoustique dans les régions minces. La condition d'impédance de la couche limite thermovisqueuse (BLI) est applicable aux géométries de taille plus grande que la couche limite.

La condition BLI s'applique également aux frontières qui tiennent compte de l'interaction acoustique-structure.

Module Acoustics