سیالاتی مانند هوا یا آب – تا حد زیادی رایجترین رسانه در شبیهسازیهای آکوستیک – عملاً هیچ میرایی داخلی (اصطلاحاً تضعیف تودهای) روی تعداد طول موجهایی که میتوان با روش اجزای محدود و در محدوده فرکانس صوتی حل کرد، نشان نمیدهند. با این حال، در کاربردهای اولتراسوند یا هنگام استفاده از ردیابی پرتو برای مدلسازی آکوستیک اتاق و زیر آب، این موارد مهم میشوند.
در سیستمهای کوچکتر، میرایی از طریق برهمکنش با جامدات صورت میگیرد، یا به دلیل اصطکاک بین سیال و ماده متخلخلی که حوزه را پر میکند، یا به این دلیل که انرژی صوتی به جامد اطراف منتقل میشود و در آنجا جذب میشود. در سیستمهایی با مقیاسهای طول کوچک، تلفات قابلتوجهی در لایه مرزی آکوستیک چسبناک و حرارتی در دیوارها رخ میدهد.
اتمسفر و تضعیف اقیانوس
هنگام انجام شبیهسازی آکوستیک پرتو یا مدلسازی برنامههای اولتراسوند، میرایی عمده یا داخلی هوای اتمسفر یا آب دریای اقیانوس را میتوان با استفاده از تضعیف جو داخلی یا مدلهای تضعیف اقیانوس مدلسازی کرد. هر دو مدل نیمه تحلیلی و برازش دادههای تجربی گسترده هستند. مدل اتمسفر مطابق با استاندارد ANSI است.
![]() | برای جزئیات بیشتر در مورد خواص مواد و مدلهای میرایی، به بخش ویژگیهای صوتی سیالات مراجعه کنید . |
مواد جاذب متخلخل
برای مدلسازی حوزه فرکانس، راحتترین و فشردهترین توصیف یک ماده میرایی (که در اینجا ماده به همگن شدن یک سیال و یک جامد متخلخل اشاره دارد) با عدد موج مختلط k و امپدانس مختلط Z که هر دو تابع فرکانس هستند ، ارائه میشود . با دانستن این ویژگی ها، سرعت مختلط صوت را به صورت cc =ω/ k و چگالی مختلط را به صورت ρc = kZ /ω تعریف کنید . تعریف ρc و cc منجر به یک مدل به اصطلاح سیال معادل یا مدل سیال می شود .
می توان به طور مستقیم عدد موج مختلط و امپدانس را در یک لوله امپدانس اندازه گیری کرد تا منحنی های قسمت های واقعی و فرضی (به ترتیب مقاومت و راکتانس) را به عنوان تابعی از فرکانس تولید کنیم. این داده ها را می توان مستقیماً به عنوان ورودی توابع درونیابی COMSOL Multiphysics برای تعریف k و Z استفاده کرد .
گاهی اوقات نمی توان خواص صوتی را مستقیماً برای ماده ای که می خواهید در یک مدل امتحان کنید به دست آورد. در این صورت باید به دانش در مورد خواص اساسی مواد مستقل از فرکانس متوسل شوید. چندین مدل تجربی یا نیمه تجربی در COMSOL Multiphysics وجود دارد و می تواند تعداد موج مختلط و امپدانس را به عنوان تابعی از پارامترهای ماده تخمین بزند. این مدلها در ویژگی دامنه Poroacoustics رابطهای فشار آکوستیک تعریف شدهاند – برای مثال، مدل Johnson-Champoux-Allard و مدلهای Delany-Bazley-Miki . دومی از فرکانس و مقاومت جریان به عنوان ورودی استفاده می کند.
![]() | ماژول آکوستیک شامل مجموعهای از مدلهای سیال است که در آکوستیک فشار و تئوری برای مدلهای سیال معادل توضیح داده شدهاند . علاوه بر این، رابط امواج Poroelastic را می توان برای مدل سازی دقیق انتشار فشار جفت شده و امواج الاستیک در مواد متخلخل استفاده کرد. |
جذب لایه مرزی (آکوستیک ترموویسکوز)
در سیستم هایی با ابعاد کوچک (یا در فرکانس های پایین) اندازه لایه مرزی صوتی (عمق نفوذ صوتی چسبناک و حرارتی) که در همه دیوارها وجود دارد می تواند با ابعاد فیزیکی سیستم مدل شده قابل مقایسه باشد. در هوا ضخامت لایه مرزی 0.22 میلی متر در 100 هرتز است. این معمولاً در مبدلهای مینیاتوری، میکروفونهای خازنی، در سیستمهای MEMS، در لولههای سمعک، یا در شکافهای باریک ساختارهای ارتعاشی رخ میدهد.
برای چنین سیستم هایی، اغلب لازم است از مدل دقیق تری برای انتشار امواج صوتی استفاده شود. این مدل در رابط های صوتی ترموویسکوز پیاده سازی شده است . در موارد ساده برای انتشار صدا در مجاری طولانی با مقطع ثابت، تلفات رخ داده در مرزها را می توان با استفاده از یکی از مدل های سیال ویژگی دامنه آکوستیک منطقه باریک بر روی سیال آغشته کرد . برای هندسه هایی با سطوح منحنی و مقطع غیر ثابت، یک جایگزین استفاده از شرایط مرزی امپدانس لایه مرزی ترموویسکوز است که در آکوستیک فشار نیز موجود است.
![]() | جزئیات بیشتر در مورد مدل دقیق آکوستیک برای تلفات ویسکوز و حرارتی در رابط های صوتی ترموویسکوز توضیح داده شده است . مدلهای سیال جذب لایه مرزی را در Narrow Region Acoustics برای مدلسازی ساده در ساختارهای موجبر یکنواخت یا شرایط مرزی امپدانس لایه مرزی ترموویسکوز ببینید. |
میرایی در مرزها
تلفات مرتبط با میدان صوتی اغلب از تعامل با مرزها، به عنوان مثال، هنگام تعامل با مواد لاستیکی ناشی می شود. در این مورد، ممکن است لازم باشد که تعامل آکوستیک-ساختار را با استفاده از جفت چندفیزیکی مناسب لحاظ کنیم. راه دیگر برای درج تلفات استفاده از یک شرط مرزی امپدانس است. ماژول آکوستیک مجموعهای از مدلهای امپدانس را برای مدلسازی، بهعنوان مثال، گوش انسان، پوست انسان، یا یک سیستم ساده مکانیکی RCL فراهم میکند.