在宽频范围对系统声发射与传播建模的方法和计算机产品的制作方法
【专利摘要】本发明涉及在宽频率范围内预测声源发射及其在周围介质的传播的处理，包括源和周围介质的系统由小且简单的元素e表示。对于每个元素e和每个频率fi，先验误差估计器使描述近似在频率fi的声场的多项式次数的参数Pe,i与元素关联，确定对应于估计器计算的在频率范围内的最大Pe,i参数的元素的参数Pe,max。对于每个元素e，使用所述参数Pe,max确定基本矩阵Ke,max和Me,max，它们描述元素分别对系统刚度和质量的贡献。对于每个频率fi且对于每个元素e，参数Pe,i用来确定近似声场的多项式次数，对于所有元素从矩阵Ke,max和Me,max提取基本矩阵Ke,i和Me,i，其组装成分别表示系统的刚度和质量的全局矩阵Ki和Mi，基于全局矩阵Ki和Mi建立全局矩阵系统Zi，及最终使用线性求解器对全局矩阵系统求解。
【专利说明】在宽频范围对系统声发射与传播建模的方法和计算机产品
【技术领域】
[0001] 本发明涉及预测周围介质内声源的发射及其传播的领域，源和介质形成系统。应 当在宽频率范围内执行预测。系统可以是任何一种系统，基本上为机械系统，如车辆或电子 设备。
【背景技术】
[0002] 噪声对健康的影响越来越多地被认识到，并且成为公共健康问题。的确，暴露于升 高的声级公认是极为危险的，并且可能造成听力损伤、高血压和睡眠障碍等。最显著的风险 是由车辆和飞机噪声、长期暴露于大声的音乐以及工业噪声引起的。
[0003] 这些考虑已经致使噪声降低成为对于当今的制造商的主流问题。例如，在汽车行 业，声音发射是当今汽车设计中成熟的规范。首先，客户为了他们自己的舒适希望获得更加 安静的产品。其次，授权噪声限值对于汽车、卡车和公共汽车非常严格，此外还有其他源。
[0004] 目前，噪声降低仍然受到缺乏高效的预测建模工具来模拟机械系统的声音发射的 限制。改进计算声模拟对于优化产品设计是必不可少的，同时避免后期的和昂贵的物理测 试。图1呈现了在给定的频率下汽车腔体内部所计算的声压，其中区域越暗，则腔体内声压 越_。
[0005] 根据定义，声音是作为由听觉范围内的频率组成的、通过固体、液体或气体传送的 压力的振荡的机械波。人类可感知的声音具有从大约20Hz至20, 000Hz的频率范围。在空 气中，在标准温度和压力下，声波的相应的波长范围为从17m至17mm。如果在系统的所有点 处的声压和声速已知，贝U在给定系统中的声场适当地被定义。
[0006] 在介质中的声波传播是复杂的现象，为了描述该现象，科学家基于若干近似已经 构建出物理模型。由一组偏微分方程来近似波传播的模拟。这些方程的解析解没有简单解， 并且必须使用计算方法来近似声场的解。
[0007] 数值法的所有主要的类别已经应用于声学，包括有限元方法（FEM)，有限差分法 (FDM)，间断伽辽金方法（DGM)和边界元法（BEM)。可以基于时域或频域求解器的使用对这 些方法进行分类。频域求解器更适合永久物理条件（引擎运行），而时域求解器需要研究瞬 态应用（关门）。此外，可以区分需要完全呈现传播的流体区域的域方法以及依赖于初始问 题的边界的积分表示的边界方法。有限元方法和间断伽辽金方法自然地处理将在下文定义 的非结构网格，并且更适合于复杂的现实生活中的工程问题。FEM通常适合于频域的应用而 DGM适合于瞬态应用，但是DGM也可以在频域背景中使用。
[0008] FEM仍然是工业部门中最流行的方法。其是用于求解偏微分方程的数值方法。标 准的FEM过程的特征可以由以下三个主要步骤来描述：
[0009] 1)将给定的机械系统划分为许多小的、非重叠的和简单的"元素"。这些简单元 素或子域的集和被称为"网格"。网格描述几何特征，并且随后会包括定义波发射和传播的 模拟的问题的性质和边界条件。创建网格的处理被称为网格化（meshing)。商业FEM和 DGM解决方案通常需要和处置不同形状的元素（三角形，四边形，六面体，四面体，棱柱，棱 锥...）。图2和图3作为图示给出了同一汽车腔体的两种网格。
[0010] 2)然后针对这些元素中的每个元素来构建分段多项式近似（基于形函数（shape function))以近似感兴趣的场（在我们的情况下为压力或声速）。图4公开了形函数的16 种示例。形函数对场的贡献是近似问题的未知数。这些离散的未知数通过牵涉耗时的求面 积规则的一组基本方程在每个子域上链接。所有这些局部贡献（基本矩阵）然后重组成方 程组的全局系统（系统矩阵）。所有这些处理被称为系统的组装。
[0011] 在图4中，这些形函数中的一些相当简单，看起来像一个角升高的平面正方形。更 难以描述地，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。本领域的 技术人员熟悉这些形函数。这些形函数建立了将在下文中解释的分层基础。
[0012] 方程的求解体现在牵涉所有形函数对全局问题的贡献的一组线性方程的求解。在 该步骤使用稀疏线性求解器。在每个频率组装并且求解的系统矩阵表示为z(f)。该矩阵的 维度直接与系统中形函数的总数相关，系统中形函数的总数通过网格中元素的数目乘以每 个元素内的多项式形函数的数目来给出。在大部分情况下，矩阵采取以下形式 ：
[0013] Z (f) = K- (2 31 f) 2M+C (f)
[0014] 其中，K是所谓的刚度矩阵，M是所谓的质量矩阵，以及C(f)包括通常来自边界条 件的所有其他项。重要的是注意，质量矩阵和刚度矩阵通常与频率无关，因此它们只需要计 算一次并且不需要在每个频率计算。这是在标准的FEM商业解决方案中通常所做的。
[0015] 在网格化期间定义的每个简单元素能够通过以下两个主要特征来描述：
[0016]-元素的维度h，其是几何参数，
[0017]-用于对解进行近似的多项式的多项式次数P(也称为给定元素的内插的阶）。
[0018] 这些参数h和P的选择是在声学仿真中要考虑的重要方面。事实上，当在常需要 高阶（高P)方法和多频率解的频域中进行求解时，重要的是提出高效的策略以避免在每个 频率重复地组装方程的代数系统。在这些情况下，该组装的步骤的确会是非常计算密集的。
[0019] 可以通过与所研究的声音的频率的比较来完成h的选择。当在频域中进行 求解时，必须独立地对感兴趣的每个单独的频率进行求解。由用户以升序存储的列表 F = [H…，美]的形式来提供频率的列表。频率的总数Nf取决于应用，并且其可以是大 的，因为用户可能希望以精细频率增量覆盖完整的音频频率范围。在标准低阶FEM中，基于 频率4/.来设计网格化操作以便保证以感兴趣的频率传播的声平面波具有足够的分辨率。 该"经验法则"是近似，因为解不是先验已知的，并且会比仅平面波的情况更复杂。对于线 性有限元，可以由以下方程来近似h :
[0020]
【权利要求】
1. 一种用于在宽频率范围内预测声源的发射以及声音在周围介质内的传播的处理，其 中包括所述源和所述周围介质的系统由小且简单的元素 e表示， 对于每个元素 e和每个频率4， -通过先验误差估计器使参数Pu与所述元素相关联（3)，所述参数Pu描述用于近似 在频率A的声场的多项式次数的特征， -确定关于所述元素的参数(4)，其对应于所述估计器计算的在所述频率范围内的 最大Pu参数， 对于每个元素 e， -使用所述参数I\max确定基本矩阵kmax和(6)，它们描述所述元素分别对所述系 统的刚度和质量的贡献的特征， 对于每个频率4， 0对于每个元素 e， 参数ΡΜ用来确定用于近似所述声场的多项式次数（8)， 对于所有元素，从所述矩阵和提取基本矩阵ΚΜ和并且将所述基本 矩阵K6ii和M6ii组装成分别表示所述系统的刚度和质量的全局矩阵&和乂（10) (11)， 基于全局矩阵I和吣来建立全局矩阵系统Zi (12)， 使用线性求解器对所述全局矩阵系统进行求解（14)。
2. 根据权利要求1所述的处理，其中，将表示所述系统的网格给定为所述处理开始时 的输入。
3. 根据权利要求1和2中任一项所述的处理，其中，将必须被采样的所述频率范围内的 离散频率列表给定为所述处理开始时的输入。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的处理，其中，将系统的边界条件、源和材料性质 的集合给定为所述处理开始时的输入。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的处理，其中，对于每个元素 e引入局部流体性质 ⑴。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的处理，其中，所述全局矩阵系统Zi具有下面的 形式I : Z^fi) = Kr (2 π l和乂分别表示所述系统的刚度和质量，Q况）是因所述边界条件出现的所有其他频 率相关项，并且^是所关注的频率。
7. -种用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的处理的软件步骤的计算机产品。
【文档编号】G06F19/00GK104239676SQ201410270325
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2013年6月17日
【发明者】哈德里安·贝里奥, 斯泰恩·东德斯, 米歇尔·特纳 申请人:Lms国际公司