如今，嘉宾博客莱纳斯·法格伯格（Linus Fagerberg）由comsol认证顾问设计轻便，分享了多物理模拟如何在汽车消声器设计中提供准确性。
传统上，通过迭代过程进行了汽车行业中消音器的声学设计，该过程通过实验方法比较不同的替代方案，直到找到令人满意的设计为止。数值模拟可以大大减少项目的时间和费用，同时增加消声器的性能。
在消音器设计中研究声学和结构力学
总部位于瑞典的Scania长期利用了数值模拟的好处，并不断改善其建模知识和技能。最近，设计轻巧开始与Scania合作，以评估使用多物理模拟方法的好处，其中声学在消声器设计过程中与壳结构力学耦合。
我们共同发现，将结构力学引入声学模型可能会对预测的消音器特征产生很大的影响。这些差异在某种程度上也可以解释模拟和实验结果之间的先前差异，在这些结果中显然总是存在但从未考虑到结构力学。
汽车消声器的排气系统。
我们将使用汽车消声器的经典comsol多物理模型来说明在正常压力声学模拟中纳入结构力学的效果。该模型可在应用程序库并通过包括外壳物理和多物理耦合来修改。
设置多物理模型
下面显示的模型已解决以下边界约束：在入口和出口表面上都定义了平面波传播，并且在入口处施加1 PA的入射压力。所有墙壁（内部和外部）均定义为由钢制成的声音硬屏障或贝壳（E = 210 GPA，ν= 0.3，ρ= 7800 kg/m3，η= 0.02，t = 1 mm）压力声学节点。我们还定义了壳体物理学，并将所有自由度限制为在入口和出口边缘的零。在下图中，您可以看到以深蓝色定义为壳的表面。
带有入口，出口和突出显示的壳边界的汽车消声器模型。
实际的多物理耦合是在壳和声学域之间的接口处定义的。这耦合了压力变量，p，在压力声学节点和节点位移（（你，，，，v，，，，w），在壳物理节点，根据
在哪里n是表面正常矢量，\ rho是空气密度，\ nabla是拉普拉斯操作员，p_ \ textrm {t}是总声压力，你是壳表面位移矢量，并且t代表时间。
该条件表示正常加速度的连续性。多物理耦合声学结构边界是预定义的，位于多物理学模型树中的节点。有关模型树中的最终设置，请参见下图。
带有模型树压力声学，，，，壳， 和多物理学节点。
使用最大频率下的每个波长八个二阶元素的游离四面体网格，产生最大元素大小
在哪里C是空气中的声音速度（343 m/s），F最大限度是最高的感兴趣频率（800 Hz），并且n最小是每个波长元素的设置数（在这种情况下为八个）。
传输损失最终被计算为
在哪里别针}和噘}消音器入口和出口处的声力是计算为
在哪里a_ {in}和a_ {out}分别是入口和出口区域；别针}和噘}分别是入口和出口压力；\ rho是空气的密度；和C是空气中的声音速度。
然后，我们解决模型。首先是特征频率的，然后在频域中进行参数扫描（以2 Hz增量为10到800 Hz）。
消音器设计中耦合物理的结果
将用纯压力声学模型的消声器的预测传输损失的影响与下图中的多物理模型进行了比较。从计算出的传输损失中，您可以看到曲线与小差异非常相似，除了大约600至670 Hz之间的频率区域。该区域中传输损失的行为相似，没有耦合壳物理，但是我们可以看到较大的幅度差异。
纯声学和多物理模型之间的传输损失比较。
这种幅度差异可以通过封装的空气质量和壳结构之间的界面上的相互作用来解释。特征频率分析可以进一步探索这种结构背后的机制。
在下图中，绘制了特征频率的频率，并在传输损失图中确定了有趣的特征频率。提出了两个计算的病例：仅压力声物理学，产生了在空气质量中出现站立波的频率，并且仅壳体物理，从而产生了结构很容易激发到振动中的频率。该图提供了在令人兴奋的负载（空气质量中的站立波）和封装结构中检测到的特征频率的可能性。
两种模型的传输损失和本本频。
在纯声学和多物理模型之间，至少有三个区域在三个区域中预测的传输损失有所不同。这些约为170和340 Hz，整个区域之间的570和670 Hz。前两个频率（170和340 Hz）是纯壳模式，可以通过没有发生声共振的压力脉冲激发。即，不需要一致的特征。
壳模式在172 Hz和342 Hz的特征频率上形成。
在600 Hz和634 Hz左右发现了一组紧密间隔的特征频率和壳模式。这是在传输损失最大差异的地区。让我们看看在634 Hz的多物理接口处发生的情况，因为这是传输损失差异最大的地方。
在634 Hz处的特征频率下的声波和外壳模式。
我们正在查看一个本本征，在该本本中，壳很容易激发到振动中，当在634 Hz处激发时，它与压力模式非常吻合。这会导致壳端板的高加速度水平。这种相互作用效果很可能导致传输损失差异。
通常，增加的传输损失对消音器是有益的，但是如果它以振动结构的价格产生，则从疲劳和壳噪声的角度来看，这可能是值得怀疑的。激发特征模式下的壳振动是否提出问题，主要取决于振动的振幅。如果有较大的压力振幅，它们可能会引起明显的壳噪声以及结构性菌株，并增加了疲劳问题的风险。
在必要时，只需增加相关的重量损失，就可以通过增加端板厚度来轻松删除170和340 Hz的端板模式。这两种模式被入射压力激发，因为在这些频率下，空气质量中不存在站立波。因此，可以通过比较消音器的预测工作频率和压力振幅与共鸣壳频率来估算这些模式的严重性。
在634 Hz处的第三个示例模式，其中最大的传输损失差异发生在更复杂的情况下，仅使用模拟检查。这项研究将需要一些实验评估，其中可以测量系统的幅度。这主要是因为频率范围较大（570至670 Hz）以及声学和壳模式的组合。声学模式会改变压力分布，并可以局部增加声压。因此，可能会出现明显的振动和可能的疲劳问题。
关于使用多物理模拟进行声学消音器设计的总结想法
在设计汽车消声器时，使用COMSOL多物理学的数值模拟会产生更好的产品，同时降低了项目的风险和成本和最终产品的市场时间。乐动体育app无法登录通过实施用于声学和结构力学的多物理耦合，提高设计阶段效率的新可能性以及仿真结果的可靠性正在开放。
正如市场领导者Scania所看到的那样，保持领先地位需要持续磨练技能并利用模拟技术的进步。该组织通过设计借助comsol多物理学和Comsol认证顾问轻便的工作来发展知识。
开始模拟自己的消音器设计
下载以下示例模型或应用程序之一，以查看如何使用多物理模拟来优化自己的汽车消声器设计：
关于客人作家
Linus Fagerberg来自设计轻巧是经验丰富的顾问，从事模拟支持的产品开发。他拥有KTH皇家技术学院的博士学位，并专门研究复合材料，稳定性和优化的结构力学。Linus认为，数值模拟是一贯提供高质量产品，提高性能和减轻风险的好工具。乐动体育app无法登录Design By Design Lightness是位于瑞典斯德哥尔摩的Comsol认证顾问。
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