Supercomputing muliggør en lydforudsigelsesmodel til styring af støj

Ved at kombinere principper fra beregningsvæskedynamik og akustik, forskere ved TU Berlin har udviklet en analytisk model, der kunne forenkle processen med at designe Helmholtz-resonatorer, en type støjreducerende struktur, der anvendes i fly, skibe, og ventilationsanlæg. Modellen kan forudsige et potentielt Helmholtz-hulrums lydspektrum, når turbulent luft strømmer over det, og kunne potentielt bruges til at tune Helmholtz-resonatorer for at annullere eller undgå enhver interessefrekvens.

Støjreducerende hovedtelefoner er blevet et populært tilbehør til hyppige flyers. Ved at analysere baggrundsfrekvenserne produceret af et fly under flyvning og generere en "anti-støj" lydbølge, der er helt ude af fase, sådanne hovedtelefoner eliminerer forstyrrende baggrundslyde. Selvom høretelefonerne ikke kan gøre noget ved de trange siddepladser, de kan gøre det næsten lige så behageligt at se en film eller lytte til musik under flugten som derhjemme.

For at minimere den forstyrrende støj forårsaget af høje maskiner som biler, skibe, og flyvemaskiner, akustiske ingeniører bruger mange strategier. En teknologi, kaldet et Helmholtz-hulrum, er baseret på et lignende koncept som det, der bruges i støjreducerende hovedtelefoner. Her, ingeniører bygger en resonansboks, der åbner til en slids på den ene side. Når luft passerer over spalten, kassen vibrerer som et kirkeorgelpibe, frembringer en tone. Ved at justere størrelsen og formen af ​​hulrummet og dets slids, akustiske ingeniører kan indstille den til at producere en specifik tone, der - ligesom hovedtelefonerne - annullerer en dominerende, irriterende lyd produceret af maskiner.

Historisk set, processen med at tune en Helmholtz-resonator var en brutal force-foretagende, der involverede dyrt og tidskrævende forsøg og fejl. Ingeniører havde intet andet valg end fysisk at bygge og teste mange forskellige geometrier eksperimentelt for at finde en optimal form til en specifik applikation, især i et miljø med turbulent flow.

I dag, imidlertid, højtydende computing giver mulighed for at udføre sådanne test virtuelt, gør designprocessen hurtigere og nemmere.

I et papir netop offentliggjort i tidsskriftet Acta Mechanica , Lewin Stein og Jörn Sesterhenn fra TU Berlin beskriver en ny analytisk model for lydforudsigelse, der kunne gøre designet af Helmholtz-hulrum billigere og mere effektivt. Udviklingen af ​​modellen blev lettet af et datasæt produceret ved hjælp af direkte numerisk simulering på High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS). Den analytiske model kan forudsige, på en måde, der er mere generelt anvendelig end tidligere, et potentielt Helmholtz-hulrums lydspektrum, når turbulent luft strømmer hen over det. Forfatterne foreslår, at et sådant værktøj potentielt kan bruges til at tune Helmholtz-hulrum for at annullere eller undgå enhver frekvens af interesse.

Simulering nærmer sig alle naturens skalaer

Når luft i bevægelse passerer over spalten i et Helmholtz-hulrum, dens flow bliver forstyrret, og turbulensen øges. Hvirvler opstår typisk, løsnes fra slidsens opstrømskant. Sammen danner de et ark af hvirvler, der dækker spalten og kan interagere med de akustiske vibrationer, der genereres inde i hulrummet. Resultatet er en frekvensafhængig dæmpning eller excitation af den akustiske bølge, når luft passerer gennem denne vortexplade.

Tidligere var det vanskeligt at studere sådanne interaktioner og deres virkninger numerisk uden at foretage grove tilnærmelser. For første gang, Steins simulation integrerer realistisk turbulente og akustiske fænomener i et Helmholtz-hulrum, der ophidset af en turbulent strømning, der passerer over dens spalte. Med en hidtil uset beslutning, det gør det muligt at spore den flow-akustiske interaktion og dens implikationer for hulrummets resonans.

Denne præstation er mulig ved hjælp af en metode kaldet direkte numerisk simulering (DNS), som beskriver en gas eller væske på et grundlæggende niveau. "Jeg bruger den mest komplekse form for væskeligninger - kaldet Navier-Stokes-ligningerne - for at komme så tæt som muligt på det faktiske fænomen i naturen, mens jeg bruger så lidt tilnærmelse som nødvendigt, " siger Stein. "Vores DNS gjorde det muligt for os at få ny indsigt, som ikke var der før."

Steins direkte numeriske simulering opdeler systemet i et mesh på cirka 1 milliard gitterpunkter og simulerer mere end 100 tusinde tidstrin, for fuldt ud at løse systemdynamikken i kun 30 millisekunders fysisk tid. Hver kørsel af den numeriske model på HLRS's Hazel Hen-supercomputer krævede cirka fire 24-timers dage, bruger omkring 40, 000 computerkerner.

Mens et fysisk eksperiment er rumligt begrænset og kun kan spore nogle få fysisk relevante parametre, hver enkelt DNS-kørsel giver et 20-terabyte-datasæt, der dokumenterer alle flowvariabler på alle tidspunkter og mellemrum i masken, leverer en rig ressource, der kan udforskes i detaljer. Stein siger, at det at køre simuleringen over denne tidsperiode gav et godt kompromis mellem at kunne opsætte en pålidelig database og få resultater på en praktisk tid.

Bevægelse mod en generel lydforudsigelsesmodel

Når detaljerne i den akustiske model blev udviklet, den næste udfordring var at bekræfte, at den kunne forudsige akustiske egenskaber af andre Helmholtz-hulrumsgeometrier og luftstrømsforhold. Ved at sammenligne de ekstrapolerede modelresultater med eksperimentelle data leveret af Joachim Golliard ved Centre de Transfert de Technologie du Mans i Frankrig, Stein fandt ud af, at modellen gjorde det med stor nøjagtighed.

Modellen rapporteret i papiret er optimeret til lavhastighedsluftstrømme og til lave frekvenser, som dem, der findes i ventilationssystemer. Det er også designet til at være modulært, så et hulrum, der omfatter komplekse materialer som skum i stedet for en hård væg, også kan undersøges. Stein forudser, at at få mere computertid og adgang til hurtigere supercomputere ville gøre ham i stand til numerisk at forudsige en bredere række af potentielle resonatorformer og strømningsforhold.

Efter at have afsluttet sin ph.d. og arbejder nu som postdoc ved Institute of Fluid Dynamics and Technical Acoustics i gruppen af ​​Prof. Sesterhenn (TU Berlin), Stein foresees some attractive opportunities to cooperate with industrial partners and possibly to apply his model in real-life situations. "Although I studied theoretical physics, " forklarer han, "it is fulfilling to work on problems that reach beyond pure academic research and can be applied in industry, where people can potentially profit from what you've accomplished. This latest paper is an opportunity to prove the utility and applicability of our work. It's a great moment after years of working on a Ph.D."