了解“App開發(fā)器”如何使該領(lǐng)域受益于仿真的強(qiáng)大功能

對(duì)于許多工程領(lǐng)域，研究聲的反射與吸收非常重要。仿真是進(jìn)行此類分析的寶貴工具，它能夠清楚地解釋聲波是如何與周圍物體的表面發(fā)生相互作用的。今天，我們將以水-海床界面的聲反射為例，了解“App 開發(fā)器”如何使該領(lǐng)域受益于仿真的強(qiáng)大功能。

表面的聲反射：許多工程學(xué)科的關(guān)注焦點(diǎn)

清晨開車上班時(shí)，你可能會(huì)和許多人一樣，習(xí)慣收聽當(dāng)?shù)貜V播電臺(tái)播放的最新訊息。與此同時(shí)，公交乘客正在留心聆聽下一班火車或公共汽車的到達(dá)時(shí)間。兩種交通方式雖不同，但聽到的聲音卻擁有一個(gè)共同特征：影響聲音的不止是聲音系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還有聲波與周圍物體表面之間的相互作用。

聲波可以像光波一樣，在結(jié)構(gòu)表面上進(jìn)行反射。波被反射的程度以及反射波的吸收量和衰減量取決于與之接觸的不同表面的材料、結(jié)構(gòu)和形狀。聲反射是許多工程學(xué)科（即隔音、室內(nèi)聲學(xué)和聲吶應(yīng)用）的重點(diǎn)分析對(duì)象。了解反射過程，有助于正確判斷如何根據(jù)周圍環(huán)境進(jìn)一步優(yōu)化聲學(xué)技術(shù)。

聲吶技術(shù)性能受四周的表面聲反射的影響。圖片由 Jean-Michel Roche 提供。獲得 CC BY-SA 3.0 許可，通過 Wikimedia Commons 分享。

聲吶技術(shù)屬于水下聲學(xué)的眾多應(yīng)用之一。聲吶技術(shù)利用聲音傳播來檢測(cè)水下物體，并加強(qiáng)船只之間的通信交流。為了更好地理解反射現(xiàn)象，從而推進(jìn)與優(yōu)化應(yīng)用技術(shù)，您應(yīng)該對(duì)測(cè)量或掃描的水體底部的聲學(xué)特性進(jìn)行分析。COMSOL Multiphysics 是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的可靠工具。

研究水-海床界面上的聲反射

“案例庫(kù)”提供了一個(gè)可計(jì)算聲波在水-海床界面的反射系數(shù)的二維模型。在模型中，均勻平面波來自流體域（水），我們通過求解亥姆霍茲方程的經(jīng)典壓力聲學(xué)來模擬均勻平面波。波在水-海床界面處被反射和透射。為了模擬海床域，我們采用 Biot 理論來求解多孔基體的壓力和位移場(chǎng)。

如下圖所示，F(xiàn)loquet 周期條件（也稱 Bloch 條件）被施加到聲學(xué)域與多孔域。域的設(shè)定大小取決于水中的波長(zhǎng)——也就是說，頻率。與此同時(shí)，利用完美匹配層（perfectly matched layer，簡(jiǎn)稱 PML）截?cái)嗔黧w的計(jì)算域和多孔域。

水-海床系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。

準(zhǔn)備好模型后，我們就可以根據(jù)不同的入射角和頻率組合情況來繪制反射和吸收系數(shù)。例如，下方第一張圖顯示了不同頻率下，反射系數(shù)與入射角之間的函數(shù)關(guān)系。第二個(gè)圖顯示了對(duì)于不同入射角，反射系數(shù)與頻率之間的函數(shù)關(guān)系。

繪圖顯示了反射系數(shù)與入射角（上）和驅(qū)動(dòng)頻率（下）的函數(shù)關(guān)系。

現(xiàn)在想象一下，如果你可以將模型的底層物理場(chǎng)封裝到一個(gè)易于使用的計(jì)算工具中，讓那些對(duì)仿真世界知之甚少的人也能夠自如地操作。正如我們接下來所演示的，“App 開發(fā)器”實(shí)現(xiàn)了這種可能性。

仿真 App 提供了一種直觀的聲反射分析方法

“水-海床界面聲反射分析儀”以上文中的模型為基礎(chǔ)，將復(fù)雜的底層隱藏在簡(jiǎn)潔直觀的界面之下（如下圖所示）。示例旨在激發(fā)您親自動(dòng)手構(gòu)建 App，定制屬于自己的 App 設(shè)計(jì)，并靈活添加對(duì)特定分析至關(guān)重要的因素。

水-海床界面聲反射分析儀的用戶界面（UI）。

如您所見，App 提供了一系列輸入參數(shù)，方便用戶輕松地修改水和海床的材料屬性。對(duì)于流體域（水），這些屬性包括流體中的聲速、流體密度和流體粘度。針對(duì)多孔材料（海床），用戶可以修改孔隙率、孔隙大小和滲透率等性質(zhì)。在功能區(qū)中選定 Reset to Default Values（重置為默認(rèn)值）按鈕，即可輕松地將輸入?yún)?shù)重設(shè)為原始設(shè)置，并重新執(zhí)行仿真研究。

如果您需要模擬入射頻率和入射角，可以在Simulation 欄輕松進(jìn)行選擇。Manual angle sweep 選項(xiàng)支持手動(dòng)設(shè)置入射壓力波的入射角，而 Complete angle sweep 選項(xiàng)支持模擬從垂直入射（0°）到略射（90°）范圍內(nèi)的給定角度。App 用戶還可以選擇仿真的 Driving frequencies（驅(qū)動(dòng)頻率）。

App 界面的右側(cè)為 Results 欄。該區(qū)域有五個(gè)不同的選項(xiàng)卡，顯示了一系列仿真圖：

Water-Sediment Interaction（水-海床相互作用）：對(duì)于指定的驅(qū)動(dòng)頻率和入射角，多孔基體中的反射壓力、入射壓力、總壓力或位移

R vs theta0：反射系數(shù)的絕對(duì)值與入射角的函數(shù)關(guān)系

R vs f0：反射系數(shù)的絕對(duì)值與驅(qū)動(dòng)頻率的函數(shù)關(guān)系

Absorption vs theta0：吸收系數(shù)的絕對(duì)值與入射角的函數(shù)關(guān)系

Random Incidence（隨機(jī)入射）：每個(gè)選定頻率對(duì)應(yīng)的隨機(jī)入射吸收系數(shù)（基礎(chǔ)模型的擴(kuò)展特征）

“App 開發(fā)器”工具將復(fù)雜物理場(chǎng)與用戶友好的配置結(jié)合在一起，讓您享受兩全其美的優(yōu)勢(shì)。我們希望通過本文演示，且在“案例庫(kù)”提供的其他案例的指導(dǎo)下，您有興趣去創(chuàng)建自己的 App ，體驗(yàn)它們給設(shè)計(jì)工作流程帶來的全面優(yōu)化。