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声固耦合
当一个振动的结构体驱动了传递声压波的气体或液体(流体)时,就会有声音产生。振动着的物体可以是板、膜或固体。流体介质中的压力波也会在固体中产生振动。这个过程也被称为声-结构相互作用。这个相互作用是双向的。
对“声-结构相互作用”的研究涉及到两个不同领域的物理学分支的相互结合:声学和结构力学。在某些情况下,流体中的声压波和固体的振动都强到足以发生显著的相互影响,从而产生双向的耦合。
在声固耦合边界
固体沿着交界面法向的加速度作用于流体
声压以法向单位面积载荷作用于固体
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双向声固耦合
扬声器中,音圈的上下移使扬声器的振膜发生振动。这会使周围的空气产生压力变化,并产生能让人听到的声音信号。扬声器振膜周围的空气也会影响圆锥体本身的运动;其中的一个例子就是所谓的“附加质量”。
在扬声器的设计和优化过程中,就必须要考虑到这些影响。
从上一节声固耦合图示中,可以清楚的知道声固耦合原理。那么我们可以自己动手进行双向声固耦合。
以Comsol自带的扬声器模型为例进行说明。声固耦合在单独的多物理场耦合模块中设置。如下图所示。
既然进行手动耦合,那么先删除这个声结构边界。然后在声场中定义法向加速度边界,在到固体力学中加载边界的声压。
和软件自动耦合结果对比,结果是完全一致的。只存在非常微小的数值计算误差。
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拓展
手动声固耦合除了加深对软件计算背后的原理的理解之外,还有一个额外的好处。当可以认为声场对固体振动影响很小时,可以手动进行单向的固体到声场的耦合。 Comsol自带的声固耦合多物理场耦合模块中没有可以选择的地方。
可以删除上述加载到固体力学中的声压,即完成单向声固耦合。这个技巧对大规模的3d模型求解时可以减小计算规模。
其他软件未自带的多物理场耦合,也可以参考内部参数定义,自行调用进行耦合。