Comsol气泡的声学隐形仿真.pdf

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comsol在声学中可以使用相同的原理来隐藏物体,使物体免受声辐射的影响。本例研究入射 到硬壁圆柱体上的平面波的声散射,将 “披”斗篷的圆柱体的结果 与不 “披”斗篷的解进行比较。
该问题的几何呈镜像对称,因此可将建模域减少为完整几何的一半(参见图1)。背景 介质在其外部边界上被柱面辐射条件截断(有关该理论的详细信息,请参阅 acoustics Module user 's guide)。 图1:从几何结构中切下的中心圆柱被↓篷覆盏-50层太薄,在这个图中并不容易看清 楚。在斗篷外,首景材料在距中心4m处被截断。 结果与讨论 此模型的第一个版本分析的是不覆盖斗篷的圆柱体,圆柱体只被空气包围。入射压力 波向各个方向散射,产生如图2中绝对压力所示的驻波波型。图3显示相同情况下覆盖 斗篷的结果,注意观察不同的颜色范围。不覆盖斗篷的情况下,绝对压力峰值为1.93Pa, 几乎是入射波幅值的两倍。在同一范围下,覆盖斗篷情况下的压力变化几乎不可见。 3|声学隐形 freq (1)=200 Hz 表面:绝对压力(Pa) 8 4.5 3.5 1.5 0.6 0.4 图2:不覆盖斗篷情况下局部压力的绝对值 freq(1)=200 Hz 表面:绝对压力(Pa) 2.5 0.5 图3:覆盖斗篷情况下的绝对压力 4声学隐形 为斗篷生成可视化效果的另一种方法是观察瞬时压力。图4表明,斗篷外部的压力与 理想平面波的压力相差很小。 表面:总声压场(Pa 4.5 0.8 0.6 2.5 0.2 0.5 0.6 0.8 图4:腰时声压分布。 接下来的操作说明和结果仅涉及频率为200Hz的情况,不过您可以修改模型,使用其 他频率,或者在一定频率范围内进行扫描,来査看该操作对斗篷的影响。 参考文 1. COMSOL用户年会论文: http://cn.comsol.com/paper/5478, http://cn.comsol.com/paper/9831/ http://n.comsol.com/paper/5463, 2. D. Torrent and J. Sanchez-Dehesal, " Acoustic Cloaking in Two Dimensions: a Feasible pproach, New Journal of Physics, vol. 10, p. 063015, 2008 案例库路径: Acoustics module/ Tutorials/ acoustic cloaking 5|声学隐形 建模操作说明 从文件菜单中选择新建。 新建 在新建窗口中,单击模型向导。 模型向导 1在模型向导窗口中,单击二维 2在选择物理场树中选择声学>压力声学>压力声学,频域(acpr) 3单击添加。 单击研究。 5在选择研究树中选择一般研究>频域。 6单击完成。 几何 此模型的几何结构很简单,但由于涉及大量圆环,创建操作有些重复。因此,可以从 几何文件导入几何结构来插入序列。本文档末尾的附录提供有关几何的操作说明。 1在几何工具栏中单击插入序列 2浏览到该App的“案例库”文件夹,然后双击文件 acoustic cloaking geom sequence mph 3在几何工具栏中单击全部构建。 4在图形工具栏中单击缩放到窗口大小按钮 全局定义 1在模型开发器窗口的全局定义节点下,单击参数1。 2在参数的设置窗口中,定位到参数栏。 3在表中输入以下设置 名称 表达式 值 描述 rhob 1.25[kg/m^3] 1.25kgm3 背景材料的密度 343[m/S] 343 背景材料的声速 R1 [m] 斗篷内半径 R2 2[m] 2 m 斗篷外半径 6声学隐形 定义 斗篷的材料属性包括内外半径的相关性、距中心的局部距离以及周围背景流体的属性。 方便的做法是将这些表达式定义为变量 交量 1在主屏幕工具栏中单击变量,然后选择局部变量 2在变量的设置窗口中,定位到变量栏 3在表中输入以下设置: 名称 表达式 单位 描述 sgrt(x2+y 2) m 径向坐标 rho 1 hob*(r+sgrt(2*r*R1-R1 2))/(r 材料1的密度 R1) C1 cb*(R2R1)/R2*r/(r-R1) 材料1的声速 rho2 rhob 2/rho1 kg/m3 材料2的密度 C2 c1 S 材料2的声速 材料 为了充分理解斗篷的影响,首先要运行一个不覆盖斗篷的硏究。这意味着所有域都由 空气构成 材料1(matl) 1在模型开发器窗口的组件(comp1)节点下,右键单击材料并选择空材料。 2在材料的设置窗口中,在标签文本框中键入“空气 3定位到材料属性明细栏。在表中输入以下设置 属性 变量 单位 属性组 密度 rhob 基本 声速 C cb m/s 基本 压力声学,频域(ACPR) 首先,指定背景场,它是通过选择声速c来定乂的,声速将传播常数(波数)定义为 omega/c。这里,c取自材料空气,因此是常数 背景压力场1 1在物理场工具栏中单击域,然后选择背景压力场 2在背景压力场的设置窗口中,定位到域选择栏。 3从选择列表中选择所有域。 7|声学隐 4定位到背景压力场栏。在p文本框中键入“1” 5从c列表中选择来自材料。 6从材料列表中选择空气(mat1)。 外部边界上的默认条件为硬声场。对(尚未)隐藏的物体使用默认条件意味着您将该 物体视为具有全反射面。“硬声场”条件也适用于对称边界。唯一需要其他条件的边界 是希望散射波从模型向外辐射的边界。 柱面波辐射1 1在物理场工具栏中单击边界,然后选择柱面波辐射。 2选择“边界”103和206。 网格1 对所有域使用默认自由网格的情况下,由于斗篷中存在许多薄层,因此创建的单元数 会多于所需数量。对空气使用自由网格,对斗篷使用映射网格,这种网格组合效率更 高 映射1 1在模型开发器窗口的组件1(comp1)节点下,右键单击网格1并选择映射。 2在映射的设置窗口中,定位到域选择栏。 3从几何实体层列表中选择域 4从选择列表中选择所有域从选择中移除域1 分布1 1右键单击组件1(comp1)>网格1>映射1并选择分布。 2选择“边界”154和155。 稍微放大一些可以更方便地选择这两个边界。 3在分布的设置窗口中,定位到分布栏。 4在单元数文本框中键入“30” 大小1 1在模型开发器窗口中,右键单击网格1并选择自由三角形网格 2右键单击自由三角形网格1并选择大小 3在大小的设置窗口中,定位到单元大小栏。 4从预定义列表中选择超细化。 8|声学隐形 5单击全部构建 4 3.5 研究1 步骤1:频域 1在模型开发器窗口的研究1节点下,单击步骤1:频域。 2在频域的设置窗口中,定位到研究设置栏。 3在频率文本框中键入“200”。 4在主屏幕工具栏中单击计算。 9|声学隐 结果 声压(acpr) freq(1)=200 H 表面:总声压场(Pa) 5.5 2.5 1.5 默认绘图显示总声压场。波浪图案以及物体背后的场较小这一事实表明,许多波都发 生了反射。要隐藏斗篷的轮廓,可以禁用边的可视化效果。 1在模型开发器窗口的结果节点下,单击声压(acpr) 2在二维绘图组的设置窗口中,定位到绘图设置栏。 3清除绘制数据集边复选框 第二个默认绘图组包含显示声压级所需的绘图设置 您可以通过绘制背景场图来验证该场是否正确。 表面1 1在模型开发器窗口中展开声压(acpr)节点,然后单击表面1。 2在表面的设置窗口中,单击表达式栏右上角的替换表达式。从菜单中选择模型>组 件1>压力声学,频域>压力和声压级> acprp b-背景压力场-Pa。 10|声学隐形

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