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超级计算实现了用于控制噪声的声音预测模型

2019-03-03 14:50:01 • 来源：

降噪耳机已成为常用传单的流行配件。通过分析飞机在飞行中产生的背景频率并产生完全不同相的“抗噪声”声波，这种耳机消除了令人不安的背景声音。虽然耳机无法对狭窄的座位做任何事情，但他们可以在飞行中观看电影或听音乐，就像在家里一样愉快。

超级计算实现了用于控制噪声的声音预测模型

为了最大限度地减少由汽车，轮船和飞机等大声机器引起的干扰噪音，声学工程师采用了许多策略。一种称为亥姆霍兹腔的技术基于与降噪耳机中使用的类似概念。在这里，工程师们建立了一个共振箱，一侧开口可以打开。当空气经过狭缝时，盒子像教堂管风琴一样振动，产生一种音调。通过调整腔体及其狭缝的大小和形状，声学工程师可以对其进行调谐以产生特定的音调 - 就像耳机一样 - 消除由机器产生的主要刺激性声音。

从历史上看，调整亥姆霍兹共振器的过程是一项蛮力工作，涉及昂贵且耗时的试验和错误。工程师别无选择，只能通过实验物理构建和测试许多不同的几何形状，以便为特定应用找到最佳形状，特别是在湍流环境中。

然而，今天，高性能计算提供了虚拟进行此类测试的潜力，使设计过程更快速，更轻松。

在Acta Mechanica期刊上发表的一篇论文中，TU Berlin的Lewin Stein和JörnSesterhenn描述了一种新的声音预测分析模型，可以使亥姆霍兹腔的设计更便宜，更有效。在斯图加特高性能计算中心(HLRS)使用直接数值模拟生成的数据集促进了模型的开发。分析模型可以以比以前更普遍适用的方式预测潜在的亥姆霍兹腔的声谱，因为湍流空气在其上流动。作者提出，这种工具可能用于调整亥姆霍兹腔，以抵消或避免任何感兴趣的频率。

模拟接近所有自然尺度

当移动的空气经过亥姆霍兹空腔的狭缝时，其流动被破坏并且湍流增强。通常会产生涡流，从狭缝的上游边缘分离。它们一起形成一片涡流，其覆盖狭缝并且可以与腔内产生的声振动相互作用。结果是当空气通过该涡流片时，声波的频率依赖性阻尼或激励。

在过去，很难在没有粗略近似的情况下以数字方式研究这种相互作用及其影响。斯坦的模拟第一次真实地整合了亥姆霍兹腔的湍流和声学现象，这些现象是由通过其狭缝的湍流激发的。以前所未有的分辨率，它可以跟踪流声相互作用及其对腔体共振的影响。

使用称为直接数值模拟(DNS)的方法可以实现这一成就，该方法描述了基本水平的气体或液体。“我正在使用最复杂的流体方程形式 - 称为Navier-Stokes方程 - 尽可能接近自然界中的实际现象，同时尽可能少地使用近似，”斯坦说。“我们的DNS使我们能够获得以前没有的新见解。”

Stein的直接数值模拟将系统划分为大约10亿个网格点的网格，并模拟超过10万个时间步长，以便在30毫秒的物理时间内完全解决系统动态。在HLRS的Hazel Hen超级计算机上，每次运行数值模型大约需要4个24小时工作日，使用大约40,000个计算核心。

物理实验在空间上受到限制并且只能跟踪一些物理相关参数，而每个单独的DNS运行提供一个20 TB的数据集，该数据集记录网格中所有时间步长和空间的所有流量变量，提供可以探索的丰富资源详细地。斯坦说，在这段时间内运行模拟提供了一个很好的折衷方案，可以建立一个可靠的数据库，并在实际的时间内获得结果。

转向一般声音预测模型

一旦开发出声学模型的细节，下一个挑战就是确认它可以预测其他亥姆霍兹腔几何形状和气流条件的声学特性。通过将推断的模型结果与Joachim Golliard在法国德国技术研究中心提供的实验数据进行比较，Stein发现该模型非常准确。

本文报道的模型针对低速气流和低频率进行了优化，例如通风系统中的低频气流。它也被设计成模块化的，因此也可以研究包括泡沫而不是硬壁的复杂材料的空腔。斯坦因预计，获得更多计算时间并获得更快的超级计算机将使他能够在数字上预测更广泛的潜在谐振器形状和流动条件。

Stein最近完成了博士学位，现在在Sesterhenn教授(柏林工业大学)的流体动力学和技术声学研究所担任博士后，他预见到一些与工业合作伙伴合作的有吸引力的机会，并可能将他的模型应用于实际 - 生活情况。“虽然我学过理论物理，但他解释说，”它可以解决超出纯粹学术研究的问题，可以应用于工业，人们可以从你所取得的成就中获益。这篇最新论文是一个机会证明我们工作的实用性和适用性。经过多年的博士研究，这是一个伟大的时刻。“

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