Se det du inte kan höra

Kanske önskar du att bullervallen vid motorvägen byggs om, så att du kan ta morgonkaffet på uteplatsen utan att störas. Akustiksimuleringar gör att ljudvågorna blir synbara och på så sätt kan ingenjörer designa, optimera och göra produkter överlägsna konkurrenternas.

Det första vi tänker på när vi hör ordet akustik är oftast högtalare eller hur vi upplever ljudet vid en konsert, men området och dess applikationer är så otroligt mycket större än så. Prestandan hos en produkt beror ofta på hur kunden upplever dess akustik. Ett exempel kan vara hur bra mobiltelefonens mikrofon tar emot ljudet och hur bra ljudet hörs i högtalaren. När vi köper en bil vill vi naturligtvis att det ska vara tyst i kupén samtidigt som högtalarsystemet ska ge ett bra ljud både i framsätet och i baksätet. Dessutom måste ljuddämparen uppfylla krav och normer så att fordonet inte låter för mycket. Akustik handlar alltså om att skapa bra ljud, men också att ta bort eller att reducera oljud. Att kunna förstå och simulera akustik på ett tidigt stadium har blivit mycket populärt, då möjligheterna till att skapa bättre produkter är i ständig utveckling. Våra datorer kan hantera större simuleringar, mjukvaran som används blir mer lättanvänd och de matematiska metoderna utvecklas fortfarande.

COMSOL Multiphysics är en mjukvara och som sedan drygt 10 år har en specialutvecklad produkt för just akustiksimuleringar, Acoustics Module. Nyligen satte COMSOL samman en tidning som kan laddas ner gratis och den innehåller exempel på hur företag utnyttjar akustiksimuleringar. Bland annat berättar HARMAN hur de simulerar och optimerar högtalarplaceringen i bilar, Brüel & Kjær beskriver hur precisionen i deras mikrofoner förbättras med simuleringar och ABB förklarar hur bullret från transformatorer reduceras.

Vid en akustiksimulering bör användaren först ställa sig frågan vilken metod som är den mest användbara för problemet som studeras, då olika metoder har både för- och nackdelar. Acoustics Module använder flera olika metoder som FEM (Finite Element Method), BEM (Boundary Element Method) och strålgångsakustik vilket spänner från de lägsta frekvenserna till de högsta. Det är även möjligt att blanda de olika metoderna för att lösa ett problem så effektivt som möjligt.

- BEM är det senaste tillskottet och våra användare på världsledande företag har redan börjat utnyttja teknologin för att kunna lösa modeller som tidigare inte gick att lösa med enbart FEM. De flesta tror att det ofta är en fråga om hårdvara när man ställs inför att lösa ett stort problem, men faktum är att även de tillgängliga metoderna och de numeriska lösarna utvecklas i en väldigt snabb takt. Vi på COMSOL gör naturligtvis allt för att göra dessa tillgängliga i en lättanvänd användarmiljö och det är en av anledningarna till att vi har varit så enormt framgångsrika inom akustik de senaste åren, säger Mads Jensen som är produktchef för Acoustics Module.

Det är inte bara de olika metoderna som har gjort COMSOL framgångsrikt. Inom akustik är det nämligen vanligt att användaren vill koppla samman ljudvågsutbredningen i luft med vibrationer i fasta delar. Något svänger/böjer och skapar ett ljud eller oljud. Detta kan till exempel vara membranet i en högtalare. Acoustics Module har ett fördefinierat gränssnitt för kopplingen mellan akustik och strukturmekanik vilket gör det enkelt, snabbt och smidigt att formulera problemet. Inte nog med att högtalarmembranet vibrerar, ibland måste högtalarutvecklarna även studera hur vibrationerna uppkommer.  En ström läggs på som skapar ett magnetfält som sedan får membranet att vibrera. För att verkligen kunna återspegla verkligheten, vilket är målet med en simulering, krävs att modellen innefattar elektromagnetism, strukturmekanik och akustik. Detta kallas multifysik och är den enskilt viktigaste egenskapen som har gjort COMSOL Multiphysics så populärt.

- Möjligheten att simulera multifysik är vital för akustikingenjörer. Utan vibrationer och rörelser skapas inget ljud och det är först när vi förstår ljudkällan som vi kan optimera ljudutbredningen. Många fordonstillverkare använder vår mjukvara för att simulera ljuddämpare och även denna tillämpning kräver simulering av multifysik. Avgasernas hastighet och temperatur simuleras med CFD (Computational Fluid Dynamics) och detta påverkar i sin tur ljuddämparens akustiska egenskaper. Dessutom skapar vibrationerna i ljuddämparen ett oljud. Så för att förstå systemet behöver användaren kunna simulera flödesmekanik, värmeöverföring, akustik och strukturmekanik och koppla samman alla olika delar i en och samma modell. Allt detta kan göras med COMSOL Multiphysics, fortsätter Mads Jensen.

Samtidigt som utvecklingen av olika metoder utvecklas, så innehåller COMSOL Multiphysics sedan några år tillbaka möjligheten att skapa och dela simuleringsappar. Den här tekniken gör att experter kan skapa lättanvända gränssnitt åt de som inte är vana att hantera en simuleringsmjukvara.

- Företagen har verkligen tagit till sig den nya teknologin att kunna skapa simuleringsappar. Mahindra Motors har till exempel tagit fram en app som hjälper dem att få fram lättläst utdata från akustiksimuleringar i motorcykelmotorer och det kanadensiska företaget Echologics har tagit fram en app som hjälper ingenjörerna att hitta läckor i vattenledningar. Mer om detta finns att läsa i vår specialbilaga om akustik. Jag är övertygad om att våra användare kommer att skapa enormt många användbara COMSOL-appar de närmaste åren och detta kommer att sprida akustiksimuleringar till en mycket större publik, avslutar Mads Jensen.

Hundratals exempel på akustiksimuleringar kan laddas ner gratis via COMSOLs hemsida. Det enda som behövs är ett COMSOL Access-konto som skapas gratis. För att köra modellerna krävs en licens av COMSOL Multiphysics och Acoustics Module. Det är möjligt att erhålla en gratis testversion genom att kontakta COMSOL.