Part 1:Considerations for Detailed Finite Element Analyses

https://www.comsol.com/support/learning-center/article/Modeling-Speaker-Drivers-in-comsolmph-71201/202

Modeling Speaker Drivers in COMSOL Multiphysics®

 

*본 글은 위 사이트를 이해하고자 하였습니다. 비영리 목적입니다.

 

Part 1:Considerations for Detailed Finite Element Analyses

• The applicability of frequency-domain and time-dependent analyses
  주파수 도메인, 타임 도메인 분석의 적용 가능성
• Solving the problem in 2D versus 3D
  2d, 3d 문제풀이
• The required physics interfaces and multiphysics couplings
  다중 물리 커필링 필요성

- 드라이버의 모든 전자기 및 기계 구성 요소를 포함하는 분석을 통해 드라이버의 선형 동작을 이해하고, 드라이버의 특정 구성 요소의 크기, 모양, 또는 토폴로지를 최적화하거나 변형이 클 때 비선형 왜곡을 연구할 수 있습니다.

- 코일에 교류 전압(전류)이 적용되면 로렌츠 힘이라 불리는 전자기력이 생성됩니다. 이 힘은 코일과 연결된 다이어프램에 진동을 유도하여 소리가 방출됩니다.

- 반대로, 자기장 내에서 코일의 움직임은 코일 내에서 전압 유도를 유발합니다. 이 현상은 역 EMF(전기기력)로 알려져 있으며, 자기장에 영향을 미칩니다. 

 

 

1. Frequency Domain 이냐 Time Domain 이냐

 

- 자기장은 영구 자석에 의해 유도되는 정적 구성 요소(static component)와 음성 코일의 교류 전류에서 생성된 진동 구성 요소(oscillatory component)로 구성됩니다. 두 구성 요소를 모델링하려면 두 단계가 필요합니다:
1) 자석에 의해 유도된 정적 자기장을 해석하기 위한 정적 연구 단계가 필요합니다.
2) 첫 번째 단계에서 계산된 편향 솔루션 주변의 모든 필드의 변화된 솔루션을 계산(the perturbed solution of all fields around the bias solution)하는 두 번째 연구 단계가 필요합니다. (전제 조건 : 조화 진동이며, 연속적인 경우, 진동 크기가 작고 시스템이 선형 상태를 유지하는 경우, 정상 상태 시간-조화 솔루션인 경우). 이경우 선형을 계산할 수 있다.

- 이 조건 중 하나라도 충족되지 않으면 두 번째 단계로 시간 의존 연구를 사용해야 함. 아래 경우들.

 

• 자극이 짧은 펄스 형태이거나 한 주파수 구성 요소 이상을 포함하는 경우
• 시스템이 비선형성을 도입하는 경우. 비선형성은 큰 신호 자극 및 고차 고조파 생성, 비선형 자기화 모델, 또는 큰 변형으로 인한 기하학적 변화로 인해 발생할 수 있습니다.
• 관심 출력이 자극에 대한 일시적인 응답일 경우, 정상 상태 시간-조화 솔루션이 아님

 

 

2. 2D 쓸래 3D 쓸래?

2D 모델을 구현하면 계산 부하가 크게 줄어들며, 2D 데이터 세트를 사용하여 전체 3D 기하학에서 결과를 쉽게 시각화할 수 있습니다.

*Comsol에서 3D 모델링 가져오고,Work Plane으로 단면 잘라서 단면 해석 고고링

 

3. 필요한 해석 세팅들

1) AC/DC > Electromagnetic Fields

공식은 외우자

 

2) Acoustics - Acoustic-Solid Interaction

주파수 도메인, Frequency Domain하고 시간 도메인, Transient 있지

 

그리고 Acoustic-Structure Boundary 조건으로 표면에서 방사된느 것 계산.

 

 

 

4. The Lorentz Coupling

로렌츠 힘과 역기전력을 계산하기 위해 Magnetic Fields 하고  Solid Mechanics 를 같이 씀.

 

 

5. 추가적인 설정들 (Other Physics Interface Options for Structural Vibrations and Acoustics)

1) Modeling Thin Structures Using the Shell Feature

Shell 해석은 요소수를 많이 줄여 해석 시간을 줄여주니 사용함.

 

2) Solid–Thin Structure Connection

Shell을 쓰면 Solid랑 붙어 있을때 조건을 넣어줄 수 있음

 

3) 소리의 열-점성 경계층 손실 모델링( Modeling Thermoviscous Boundary Layer Losses )

소리가 발생할때, 경계 근처에서 열로인한 손실과 점성 감쇠가 일어난다. 이걸 계산해주는게 중요함.

콤솔은 손실해석에 3가지 가 있는데

3-1) Narrow Region Acoustics 좁은 영역 음향 기능
점성 및 열 소산에 의한 손실이 유체에 균질화되고 퍼지면서 적용 / 일정한 단면을 가진 도파관에만 적용 가능하며, 매우 좁은 경우에도 적합
3-2) Thermoviscous Boundary Layer Impedance 열 점성 경계 임피던스

경계층에서 발생하는 점성 및 열 손실을 포함하여 음향 압력을 계산 / 경계층이 겹치는 지오메트리(예: 매우 곡선형 경계나 매우 좁은 도파관)에는 적합하지 않음

3-3) hermoviscous Acoustics Physics Interface를 쓰고, 경계조건들을 넣어주는 방법
경계층 내의 열 전도 및 점성 손실을 포함하여 음향 압력, 속도장(3D 모델의 경우 3개의 구성 요소), 온도 변동을 해결함. / 형상 및 치수에 제한이 없으며, 전체 주파수 범위에 대해 작동하고 주파수 도메인 및 과도 분석을 모두 지원 / 특정 형상에 제한받지 않고, 매우 정밀한 모델링을 통해 열-점성 경계층 내의 음향 거동을 정확하게 분석할 수 있음.

때문에 해석 요소가 많음.. 3-1, 3-2로 먼저 접근할걸 추천하네.

3-1

3-2

3-3

 

 

4) 열 점성 음향 - 구조물 경계 (Thermoviscous Acoustic–Structure Boundary)

유체-구조 경계에서 변위장의 연속성을 계산함

 

 

5) 음향 - 열점성 음향 경계 (Acoustic–Thermoviscous Acoustic Boundary)

열-점성 음향 인터페이스랑 압력 음향 인터페이스를 결합하면 자유도의 수를 줄여 메모리와 해결 시간을 많이 절약할 수 있다.

경계층 영역의 벽 근처에서는 열-점성 음향 모델 사용, 이 외부에서는 전통적인 압력 음향 모델 사용함.

 

 

아래 3개를 추가 공부해보라는데,

그중 첫번째 열 점성 감쇠에 대한 이론도 포스팅 해보자

• Theory of Thermoviscous Acoustics: Thermal and Viscous Losses
• How to Model Thermoviscous Acoustics in COMSOL Multiphysics
• Modeling Speaker Drivers: Which Coupling Feature to Use