在寬頻范圍對(duì)系統(tǒng)聲發(fā)射與傳播建模的方法和計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及在寬頻率范圍內(nèi)預(yù)測(cè)聲源發(fā)射及其在周圍介質(zhì)的傳播的處理，包括源和周圍介質(zhì)的系統(tǒng)由小且簡(jiǎn)單的元素e表示。對(duì)于每個(gè)元素e和每個(gè)頻率fi，先驗(yàn)誤差估計(jì)器使描述近似在頻率fi的聲場(chǎng)的多項(xiàng)式次數(shù)的參數(shù)Pe,i與元素關(guān)聯(lián)，確定對(duì)應(yīng)于估計(jì)器計(jì)算的在頻率范圍內(nèi)的最大Pe,i參數(shù)的元素的參數(shù)Pe,max。對(duì)于每個(gè)元素e，使用所述參數(shù)Pe,max確定基本矩陣Ke,max和Me,max，它們描述元素分別對(duì)系統(tǒng)剛度和質(zhì)量的貢獻(xiàn)。對(duì)于每個(gè)頻率fi且對(duì)于每個(gè)元素e，參數(shù)Pe,i用來(lái)確定近似聲場(chǎng)的多項(xiàng)式次數(shù)，對(duì)于所有元素從矩陣Ke,max和Me,max提取基本矩陣Ke,i和Me,i，其組裝成分別表示系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量的全局矩陣Ki和Mi，基于全局矩陣Ki和Mi建立全局矩陣系統(tǒng)Zi，及最終使用線性求解器對(duì)全局矩陣系統(tǒng)求解。
【專利說(shuō)明】在寬頻范圍對(duì)系統(tǒng)聲發(fā)射與傳播建模的方法和計(jì)算機(jī)產(chǎn)品

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及預(yù)測(cè)周圍介質(zhì)內(nèi)聲源的發(fā)射及其傳播的領(lǐng)域，源和介質(zhì)形成系統(tǒng)。應(yīng) 當(dāng)在寬頻率范圍內(nèi)執(zhí)行預(yù)測(cè)。系統(tǒng)可以是任何一種系統(tǒng)，基本上為機(jī)械系統(tǒng)，如車輛或電子 設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 噪聲對(duì)健康的影響越來(lái)越多地被認(rèn)識(shí)到，并且成為公共健康問(wèn)題。的確，暴露于升 高的聲級(jí)公認(rèn)是極為危險(xiǎn)的，并且可能造成聽(tīng)力損傷、高血壓和睡眠障礙等。最顯著的風(fēng)險(xiǎn) 是由車輛和飛機(jī)噪聲、長(zhǎng)期暴露于大聲的音樂(lè)以及工業(yè)噪聲引起的。
[0003] 這些考慮已經(jīng)致使噪聲降低成為對(duì)于當(dāng)今的制造商的主流問(wèn)題。例如，在汽車行 業(yè)，聲音發(fā)射是當(dāng)今汽車設(shè)計(jì)中成熟的規(guī)范。首先，客戶為了他們自己的舒適希望獲得更加 安靜的產(chǎn)品。其次，授權(quán)噪聲限值對(duì)于汽車、卡車和公共汽車非常嚴(yán)格，此外還有其他源。
[0004] 目前，噪聲降低仍然受到缺乏高效的預(yù)測(cè)建模工具來(lái)模擬機(jī)械系統(tǒng)的聲音發(fā)射的 限制。改進(jìn)計(jì)算聲模擬對(duì)于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)是必不可少的，同時(shí)避免后期的和昂貴的物理測(cè) 試。圖1呈現(xiàn)了在給定的頻率下汽車腔體內(nèi)部所計(jì)算的聲壓，其中區(qū)域越暗，則腔體內(nèi)聲壓 越_。
[0005] 根據(jù)定義，聲音是作為由聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)的頻率組成的、通過(guò)固體、液體或氣體傳送的 壓力的振蕩的機(jī)械波。人類可感知的聲音具有從大約20Hz至20, 000Hz的頻率范圍。在空 氣中，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下，聲波的相應(yīng)的波長(zhǎng)范圍為從17m至17mm。如果在系統(tǒng)的所有點(diǎn) 處的聲壓和聲速已知，貝U在給定系統(tǒng)中的聲場(chǎng)適當(dāng)?shù)乇欢x。
[0006] 在介質(zhì)中的聲波傳播是復(fù)雜的現(xiàn)象，為了描述該現(xiàn)象，科學(xué)家基于若干近似已經(jīng) 構(gòu)建出物理模型。由一組偏微分方程來(lái)近似波傳播的模擬。這些方程的解析解沒(méi)有簡(jiǎn)單解， 并且必須使用計(jì)算方法來(lái)近似聲場(chǎng)的解。
[0007] 數(shù)值法的所有主要的類別已經(jīng)應(yīng)用于聲學(xué)，包括有限元方法（FEM)，有限差分法 (FDM)，間斷伽遼金方法（DGM)和邊界元法（BEM)?？梢曰跁r(shí)域或頻域求解器的使用對(duì)這 些方法進(jìn)行分類。頻域求解器更適合永久物理?xiàng)l件（引擎運(yùn)行），而時(shí)域求解器需要研究瞬 態(tài)應(yīng)用（關(guān)門）。此外，可以區(qū)分需要完全呈現(xiàn)傳播的流體區(qū)域的域方法以及依賴于初始問(wèn) 題的邊界的積分表示的邊界方法。有限元方法和間斷伽遼金方法自然地處理將在下文定義 的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并且更適合于復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)生活中的工程問(wèn)題。FEM通常適合于頻域的應(yīng)用而 DGM適合于瞬態(tài)應(yīng)用，但是DGM也可以在頻域背景中使用。
[0008] FEM仍然是工業(yè)部門中最流行的方法。其是用于求解偏微分方程的數(shù)值方法。標(biāo) 準(zhǔn)的FEM過(guò)程的特征可以由以下三個(gè)主要步驟來(lái)描述：
[0009] 1)將給定的機(jī)械系統(tǒng)劃分為許多小的、非重疊的和簡(jiǎn)單的"元素"。這些簡(jiǎn)單元 素或子域的集和被稱為"網(wǎng)格"。網(wǎng)格描述幾何特征，并且隨后會(huì)包括定義波發(fā)射和傳播的 模擬的問(wèn)題的性質(zhì)和邊界條件。創(chuàng)建網(wǎng)格的處理被稱為網(wǎng)格化（meshing)。商業(yè)FEM和 DGM解決方案通常需要和處置不同形狀的元素（三角形，四邊形，六面體，四面體，棱柱，棱 錐...）。圖2和圖3作為圖示給出了同一汽車腔體的兩種網(wǎng)格。
[0010] 2)然后針對(duì)這些元素中的每個(gè)元素來(lái)構(gòu)建分段多項(xiàng)式近似（基于形函數(shù)（shape function))以近似感興趣的場(chǎng)（在我們的情況下為壓力或聲速）。圖4公開(kāi)了形函數(shù)的16 種示例。形函數(shù)對(duì)場(chǎng)的貢獻(xiàn)是近似問(wèn)題的未知數(shù)。這些離散的未知數(shù)通過(guò)牽涉耗時(shí)的求面 積規(guī)則的一組基本方程在每個(gè)子域上鏈接。所有這些局部貢獻(xiàn)（基本矩陣）然后重組成方 程組的全局系統(tǒng)（系統(tǒng)矩陣）。所有這些處理被稱為系統(tǒng)的組裝。
[0011] 在圖4中，這些形函數(shù)中的一些相當(dāng)簡(jiǎn)單，看起來(lái)像一個(gè)角升高的平面正方形。更 難以描述地，其他包括凸起和凹陷，表示分布在元素域中的局部最小值和最大值。本領(lǐng)域的 技術(shù)人員熟悉這些形函數(shù)。這些形函數(shù)建立了將在下文中解釋的分層基礎(chǔ)。
[0012] 方程的求解體現(xiàn)在牽涉所有形函數(shù)對(duì)全局問(wèn)題的貢獻(xiàn)的一組線性方程的求解。在 該步驟使用稀疏線性求解器。在每個(gè)頻率組裝并且求解的系統(tǒng)矩陣表示為z(f)。該矩陣的 維度直接與系統(tǒng)中形函數(shù)的總數(shù)相關(guān)，系統(tǒng)中形函數(shù)的總數(shù)通過(guò)網(wǎng)格中元素的數(shù)目乘以每 個(gè)元素內(nèi)的多項(xiàng)式形函數(shù)的數(shù)目來(lái)給出。在大部分情況下，矩陣采取以下形式 ：
[0013] Z (f) = K- (2 31 f) 2M+C (f)
[0014] 其中，K是所謂的剛度矩陣，M是所謂的質(zhì)量矩陣，以及C(f)包括通常來(lái)自邊界條 件的所有其他項(xiàng)。重要的是注意，質(zhì)量矩陣和剛度矩陣通常與頻率無(wú)關(guān)，因此它們只需要計(jì) 算一次并且不需要在每個(gè)頻率計(jì)算。這是在標(biāo)準(zhǔn)的FEM商業(yè)解決方案中通常所做的。
[0015] 在網(wǎng)格化期間定義的每個(gè)簡(jiǎn)單元素能夠通過(guò)以下兩個(gè)主要特征來(lái)描述：
[0016]-元素的維度h，其是幾何參數(shù)，
[0017]-用于對(duì)解進(jìn)行近似的多項(xiàng)式的多項(xiàng)式次數(shù)P(也稱為給定元素的內(nèi)插的階）。
[0018] 這些參數(shù)h和P的選擇是在聲學(xué)仿真中要考慮的重要方面。事實(shí)上，當(dāng)在常需要 高階（高P)方法和多頻率解的頻域中進(jìn)行求解時(shí)，重要的是提出高效的策略以避免在每個(gè) 頻率重復(fù)地組裝方程的代數(shù)系統(tǒng)。在這些情況下，該組裝的步驟的確會(huì)是非常計(jì)算密集的。
[0019] 可以通過(guò)與所研究的聲音的頻率的比較來(lái)完成h的選擇。當(dāng)在頻域中進(jìn)行 求解時(shí)，必須獨(dú)立地對(duì)感興趣的每個(gè)單獨(dú)的頻率進(jìn)行求解。由用戶以升序存儲(chǔ)的列表 F = [H…，美]的形式來(lái)提供頻率的列表。頻率的總數(shù)Nf取決于應(yīng)用，并且其可以是大 的，因?yàn)橛脩艨赡芟Ｍ跃?xì)頻率增量覆蓋完整的音頻頻率范圍。在標(biāo)準(zhǔn)低階FEM中，基于 頻率4/.來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)格化操作以便保證以感興趣的頻率傳播的聲平面波具有足夠的分辨率。 該"經(jīng)驗(yàn)法則"是近似，因?yàn)榻獠皇窍闰?yàn)已知的，并且會(huì)比僅平面波的情況更復(fù)雜。對(duì)于線 性有限元，可以由以下方程來(lái)近似h :
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于在寬頻率范圍內(nèi)預(yù)測(cè)聲源的發(fā)射以及聲音在周圍介質(zhì)內(nèi)的傳播的處理，其 中包括所述源和所述周圍介質(zhì)的系統(tǒng)由小且簡(jiǎn)單的元素 e表示， 對(duì)于每個(gè)元素 e和每個(gè)頻率4， -通過(guò)先驗(yàn)誤差估計(jì)器使參數(shù)Pu與所述元素相關(guān)聯(lián)（3)，所述參數(shù)Pu描述用于近似 在頻率A的聲場(chǎng)的多項(xiàng)式次數(shù)的特征， -確定關(guān)于所述元素的參數(shù)(4)，其對(duì)應(yīng)于所述估計(jì)器計(jì)算的在所述頻率范圍內(nèi)的 最大Pu參數(shù)， 對(duì)于每個(gè)元素 e， -使用所述參數(shù)I\max確定基本矩陣kmax和(6)，它們描述所述元素分別對(duì)所述系 統(tǒng)的剛度和質(zhì)量的貢獻(xiàn)的特征， 對(duì)于每個(gè)頻率4， 0對(duì)于每個(gè)元素 e， 參數(shù)ΡΜ用來(lái)確定用于近似所述聲場(chǎng)的多項(xiàng)式次數(shù)（8)， 對(duì)于所有元素，從所述矩陣和提取基本矩陣ΚΜ和并且將所述基本 矩陣K6ii和M6ii組裝成分別表示所述系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量的全局矩陣&和乂（10) (11)， 基于全局矩陣I和吣來(lái)建立全局矩陣系統(tǒng)Zi (12)， 使用線性求解器對(duì)所述全局矩陣系統(tǒng)進(jìn)行求解（14)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理，其中，將表示所述系統(tǒng)的網(wǎng)格給定為所述處理開(kāi)始時(shí) 的輸入。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一項(xiàng)所述的處理，其中，將必須被采樣的所述頻率范圍內(nèi)的 離散頻率列表給定為所述處理開(kāi)始時(shí)的輸入。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的處理，其中，將系統(tǒng)的邊界條件、源和材料性質(zhì) 的集合給定為所述處理開(kāi)始時(shí)的輸入。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的處理，其中，對(duì)于每個(gè)元素 e引入局部流體性質(zhì) ⑴。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的處理，其中，所述全局矩陣系統(tǒng)Zi具有下面的 形式I : Z^fi) = Kr (2 π l和乂分別表示所述系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量，Q況）是因所述邊界條件出現(xiàn)的所有其他頻 率相關(guān)項(xiàng)，并且^是所關(guān)注的頻率。
7. -種用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的處理的軟件步驟的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104239676SQ201410270325
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月17日
【發(fā)明者】哈德里安·貝里奧, 斯泰恩·東德斯, 米歇爾·特納 申請(qǐng)人:Lms國(guó)際公司