通过为声学现象相关的产品和设计进行建模，可以帮助我们研究和预测音质和降噪性能等因素。“声学模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加产品，为扬声器、移动设备、麦克风、消声器、传感器、声呐、流量计、房间和音乐厅等应用提供多种声学和振动建模工具。您可以将声场可视化，并构建设备或部件的虚拟原型。

不仅如此，您还可以将声学与结构力学、压电和流体流动等其他物理效应相耦合，进行更详细的研究。COMSOL® 软件提供多物理场耦合功能，使您能够在尽可能真实的环境中评估产品或设计的性能。

此外，“声学模块”还包含许多专用的公式和材料模型，例如微型换能器和移动设备中使用的热黏性声学，或用于多孔弹性波建模的 Biot 方程。还通过多种数值方法对多物理场环境实现了进一步扩展，除了有限元法（FEM），“声学模块”还包含边界元法（BEM）、间断伽辽金有限元法（dG-FEM）和射线追踪功能。

压力声学

压力声学是“声学模块”最常用的功能，可以用于模拟压力声学效应，例如声音的散射、衍射、发射、辐射和传输。在频域中运行的仿真使用亥姆霍兹方程，而时域仿真则使用经典的标量波动方程。在频域中，您可以使用有限元法和边界元法，以及混合有限元-边界元法。在时域中，可以使用时域隐式（有限元法）和时域显式（dG-FEM）公式。

在这个接口中提供许多选项供您在声学建模时考虑各种边界条件。例如，您可以添加壁边界条件，也可以为多孔层添加阻抗条件；您可以使用端口通过多模扩展在波导的入口和出口处激发或吸收声波；并在外部边界或内部边界施加各种源，例如指定加速度、速度、位移或压力；不仅如此，还可以使用辐射或 Floquet 周期性边界条件为开放边界或周期性边界建模。

您还可以使用“声学模块”建立管道声学模型，从而计算柔性管道系统的声压和速度，其应用包括暖通空调系统、大型管道系统和管风琴音管等乐器。

电声学：扬声器和麦克风

在模拟扬声器和麦克风时，一个重要的部分涉及声-结构相互作用，其中流体压力在固体域中产生流体载荷，而结构加速度会作为跨流-固边界的法向加速度对流体域产生影响。“声学模块”包含各种声-结构相互作用的功能。

对于各种类型的换能器建模，“声学模块”包含的功能可以轻松地与 AC/DC 模块、MEMS 模块或结构力学模块的功能相耦合，以创建全耦合的多物理场有限元模型，包括为扬声器驱动器中的磁体和音圈，或电容麦克风中的静电力进行详细建模。在电-力-声换能器系统中，您可以很方便地使用集总电路模型来简化电子和机械部件。这两种方法都使用双向全耦合方式进行求解。在移动设备、电容麦克风和助听器接收器等微型换能器系统中，可以引入由热黏性边界层损耗引起的重要阻尼。此外，还具有广泛的功能用于对各种压电换能器进行建模。

微声学

为了对小尺寸几何中的声学传播进行准确的微声学分析，需要考虑与黏度和热传导相关的损耗，尤其是黏性边界层和热边界层的损耗。在使用“声学模块”运行热黏性仿真时，会完全求解这些效应并自动包含它们；并且这些效应对于微型电声换能器（例如麦克风、移动设备、助听器和 MEMS 器件）的振动声学建模非常重要。您可以使用结构域和热黏性声学域之间的内置多物理场耦合，建立详细的换能器模型。

这个模块还可以分析其他效应，包括在极低频率下从绝热到等温的完全过渡特性。通过添加非线性控制项，可以在时域中捕获局部非线性效应，例如微型扬声器端口或通孔中的涡旋脱落。此外，还提供一个专门用于计算和识别狭窄波导和管道中的传播和非传播模式的特征。

固体中的弹性波和超声波

声音在固体中的传播是通过固体形状和结构的小振幅弹性振荡进行的，这些弹性波会以普通声波的形式传播到周围的流体中。

您可以使用“声学模块”来模拟弹性波在固体和多孔材料中的传播，用于单物理场或多物理场应用，例如振动控制、无损检测（NDT）或机械反馈。应用领域从微观力学设备到地震波的传播，适用范围很广泛。使用高阶 dG-FEM 时域显式方法可以求解弹性波在包含许多波长的大型域中的传播，并支持多物理场与流体和压电材料的耦合。软件中预置完整的结构动力学公式，考虑了剪切波和压力波的影响。您还可以通过求解 Biot 方程来模拟弹性波和压力波在多孔材料中的耦合传播。

流体中的超声波

频率超出人类听觉范围的声学扰动被称为超声波，其波长通常较短。对于超声波建模，您可以通过两种方式来计算声波在流体中的远距离瞬态传播：模拟包含背景流的波传播，或者模拟高功率非线性声学效应。

通过建立对流波动方程模型，您可以在稳态背景流包含许多波长的仿真中求解瞬态线性声学问题。相关应用包括流量计、排气系统和生物医学应用，例如超声成像和高强度聚焦超声（HIFU）。

对于高功率的非线性声学应用，您可以捕捉行波的传播现象，其中的累积非线性效应超过局部非线性效应；包括对激波的形成和传播进行建模。

气动声学

您可以通过“声学模块”中的解耦两步法有效地运行计算气动声学（CAA）仿真。首先，使用 CFD 模块中的工具或用户定义的流动剖面来确定背景平均流；然后求解声学传播。

对于对流声学仿真，您可以使用有限元公式，包括线性纳维-斯托克斯、线性欧拉和线性势流气动声学仿真，计算存在任何稳态的等温或非等温背景平均流时，压力、密度、速度和温度的声学变化。这些公式很容易解释流动引起的声波的对流、阻尼、反射和衍射。该模块预先定义了与弹性结构耦合的特征，您可以使用相关功能在频域中执行流-固耦合分析。

在压力声学分析中，可以通过使用 Lighthill 的声学类比和瞬态大涡模拟（LES）CFD 模型的输入来添加气动声学流动源，从而分析流致噪声。

几何声学

“声学模块”的几何声学功能可用于评估声波的波长远小于典型几何特征的高频系统。其中提供两种方法：射线声学和声学扩散。

对于射线声学，您可以计算声射线的轨迹、相位和强度。此外，还可以计算脉冲响应、能量和声压级衰减曲线，以及经典的客观房间声学指标。射线可以在渐变折射率介质中传播，这是水声学应用的必要条件。为了模拟空气和水中的射线声学，本模块提供专用的大气和海洋衰减材料模型，这些模型对波的远距离和高频传播非常重要。

对于声学扩散，您可以确定耦合房间的声压级分布和不同位置的混响时间。通过使用扩散方程求解声能密度，能够以简化的方式进行声学建模。这种方法非常适用于对建筑物和其他大型结构的内部进行快速分析。

声流

借助“声学模块”，您可以模拟声流，这是一种由声场在流体中引起运动的物理过程。模块中包含的多物理场功能可以将声学和流体流动与压力和热黏性声学的声流现象建模进行耦合。

声流是一种非线性现象，与纳维-斯托克斯方程的非线性有关。“声学模块”可以计算声场在流体中引起的力、应力和边界滑移速度，以生成流场。这种现象在生物技术和半导体加工中得到了广泛的应用，在微流体和芯片实验室系统中非常重要，其应用包括粒子处理、流体混合以及微流体泵等。