PUTKIJÄRJESTELMÄSSÄ ETENEVÄN PAINEVAIHTELUN MALLINNUS HYBRIDIMENETELMÄLLÄ 1 JOHDANTO 2 HYBRIDIMENETELMÄN MATEMAATTINEN ESITYS



Samankaltaiset tiedostot
Parempaa äänenvaimennusta simuloinnilla ja optimoinnilla

ÄÄNENVAIMENTIMIEN MALLINNUSPOHJAINEN MONITAVOITTEINEN MUODONOPTIMOINTI 1 JOHDANTO. Tuomas Airaksinen 1, Erkki Heikkola 2

AKUSTISIA SIMULAATIOITA PÄÄ- JA TORSOMALLILLA. Tomi Huttunen, Timo Avikainen, John Cozens. Kuava Oy Microkatu 1, Kuopio

Aaltoputket ja resonanssikaviteetit

SIIRTOMATRIISIN JA ÄÄNENERISTÄVYYDEN MITTAUS 1 JOHDANTO. Heikki Isomoisio 1, Jukka Tanttari 1, Esa Nousiainen 2, Ville Veijanen 2

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

Aaltoputket ja mikroliuska rakenteet

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

(1) Novia University of Applied Sciences, Vaasa,

Kuva 1. Mallinnettavan kuormaajan ohjaamo.

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

Aaltoputket analyyttinen ratkaisu. Palataan takaisin aaltoputkitehtäv än analy y ttiseen ratkaisuun.

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

Äänen eteneminen ja heijastuminen

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

HÄVIÖLLISEN PYÖREÄN AALTOJOHDON SIMULOINTI

Puheen akustiikan perusteita Mitä puhe on? 2.luento. Äänet, resonanssi ja spektrit. Äänen tuotto ja eteneminen. Puhe äänenä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

4.2 Akustista fonetiikkaa

Aaltoputket ja resonanssikaviteetit

Taso 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori, koordinaatistot, piste, suora

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 6. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 6 () Numeeriset menetelmät / 33

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Kanta ja Kannan-vaihto

7 Vapaus. 7.1 Vapauden määritelmä

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

Puheenkäsittelyn menetelmät

MIKROAALTOUUNI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Tuomas Karri i78953 Jussi Luopajärvi i80712 Juhani Tammi o83312

Lyhyt yhteenvetokertaus nodaalimallista SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY

Harjoitus 7. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Luento 2: Liikkeen kuvausta

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

HUONEAKUSTIIKAN MALLINNUS VIRTUAALISELLA AALTOKENT- TÄSYNTEESILLÄ 1 JOHDANTO 2 VIRTUAALISEN AALTOKENTTÄSYNTEESIN TEORIA

Aaltoputket. 11. helmikuuta 2008

JAKSO 2 KANTA JA KOORDINAATIT

Luento 15: Ääniaallot, osa 2

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

FYSIIKKA (FY91): 9. KURSSI: Kertauskurssi KOE VASTAA KUUTEEN (6) TEHTÄVÄÄN!!

Kvanttifysiikan perusteet 2017

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 14: Yleisen lujuusopin elementtimenetelmän perusteita.

Gaussin lause eli divergenssilause 1

Vapaus. Määritelmä. Vektorijono ( v 1, v 2,..., v k ) on vapaa eli lineaarisesti riippumaton, jos seuraava ehto pätee:

s = 11 7 t = = 2 7 Sijoittamalla keskimmäiseen yhtälöön saadaan: k ( 2) = 0 2k = 8 k = 4

KOTELON ÄÄNENERISTYKSEN VIBROAKUSTINEN MALLINNUS ELEMENTTIMENETELMÄLLÄ

Luvun 12 laskuesimerkit

EPÄJATKUVA GALERKININ MENETELMÄ ELASTISELLE AALTOYH- TÄLÖLLE 1 JOHDANTO 2 ELASTINEN AALTOYHTÄLÖ (3D) Timo Lähivaara a,*, Tomi Huttunen a,b

ÄÄNEKKÄÄMMÄN KANTELEEN MALLINTAMINEN ELEMENTTIME- NETELMÄLLÄ

9 VALOAALTOJEN SUPERPOSITIO

Suorista ja tasoista LaMa 1 syksyllä 2009

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Tampereen yliopisto Tietokonegrafiikka 2013 Tietojenkäsittelytiede Harjoitus

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Shrödingerin yhtälön johto

Derivaatat lasketaan komponenteittain, esimerkiksi E 1 E 2

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

Kuvia puheentutkimusprojektilta vuosina

Numeeriset menetelmät

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa

ax + y + 2z = 0 2x + y + az = b 2. Kuvassa alla on esitetty nesteen virtaus eräässä putkistossa.

PAKOPUTKEN PÄÄN MUODON VAIKUTUS ÄÄNENSÄTEILYYN

Onteloresonaattorit. Onteloresonaattori saadaan aikaan, kun metallisen aaltop utken molemmat suljetaan metalliseinällä ja sen

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

PILVILASKENTA AKUSTISESSA MALLINNUKSESSA 1 JOHDANTO. Tomi Huttunen 1), Antti Vanne 1), Timo Avikainen 2), Leo Kärkkäinen 2)

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

RUUVIKOMPRESSORIN TUOTTOPUTKI ILMIÖITÄ JA TYÖKALUJA

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 5, Syksy 2015

THE audio feature: MFCC. Mel Frequency Cepstral Coefficients

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

Tietoliikennesignaalit & spektri

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

[xk r k ] T Q[x k r k ] + u T k Ru k. }.

Vektorien virittämä aliavaruus

Reuna-arvotehtävien ratkaisumenetelmät

Luku 6. reunaehtoprobleemat. 6.1 Laplacen ja Poissonin yhtälöt Reunaehdot. Kun sähkökentän lauseke E = φ sijoitetaan Gaussin lakiin, saadaan

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Scanned by CamScanner

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Oppimistavoitematriisi

MATEMATIIKKA. Matematiikkaa pintakäsittelijöille. Ongelmanratkaisu. Isto Jokinen 2017

Kuva 1: Helmholtzin käyttämä HR [2] sekä HR:n arkkityyppi Tatti.

Transkriptio:

PUTKIJÄRJESTELMÄSSÄ ETENEVÄN PAINEVAIHTELUN MALLINNUS HYBRIDIMENETELMÄLLÄ Erkki Numerola Oy PL 126, 40101 Jyväskylä erkki.heikkola@numerola.fi 1 JOHDANTO Työssä tarkastellaan putkijärjestelmässä etenevän akustisen painevaihtelun numeerista mallintamista. Putkijärjestelmän oletetaan koostuvan suorista säännöllisen muotoisista osista, joiden välissä on epäsäännöllisen muotoinen komponentti. Säännöllisissä ja tasaisen muotoisissa putkissa etenevä akustinen aalto voidaan esittää aaltomuotoisten kantafunktioiden avulla, mutta vastaava esitys ei ole käytettävissä epäsäännöllisessä osassa. Painevaihtelun numeeriseen mallinnukseen käytetään hybridimenetelmää, jossa putkiston epäsäännöllisessä osassa ratkaistaan akustinen aaltoyhtälö elementtimenetelmällä. Aaltoyhtälön ratkaisu on kytketty säännöllisissä osissa käytettäviin kantafunktioesityksiin. Käytettävä menetelmä on esitetty artikkelissa [1], ja se perustuu artikkelissa [2] esitettyyn mode matching -tekniikkaan. Elementtimenetelmä on joustava geometrian muotojen ja materiaalimuutosten suhteen, joten hybridimenetelmän avulla voidaan simuloida luotettavasti monimutkaisten komponenttien ja vaihtuvien materiaaliparametrien vaikutusta painevaihtelun etenemiseen. Putkiston epäsäännöllisten osien on usein tarkoitus vaimentaa putkistossa etenevää haitallista painevaihtelua. Artikkelissa esiteltävällä menetelmällä saadaan suoraviivaisesti arvioitua epäsäännöllisen osan aiheuttama vaimennus painevaihtelussa. Numeeristen simulointien perusteella voidaan vaimentimen mitoituksia parantaa haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Putkessa etenevän virtauksen vaikutus painevaihtelun etenemiseen olisi myös mahdollista huomioida menetelmässä, mutta tätä ei ole toteutettu tämän työn yhteydessä. Hybridimenetelmä on toteutettu Numerola Oy:n omalla Numerrin-mallinnuskielellä, joka on suunniteltu erityisesti osittaisdifferentiaaliyhtälöihin perustuvien mallien ja simulaattoreiden kehitystyöhön. 2 HYBRIDIMENETELMÄN MATEMAATTINEN ESITYS Putkijärjestelmissä on usein pitkiä säännöllisen muotoisia osia, joiden välissä on lyhyitä poikkipinta-alan muutoksia tai materiaalien muutoksia. Kuvassa 1 on havainnollistettu tarkasteltavaa tilannetta ja määritelty esitykseen liittyviä merkintöjä. Artikkelissa käsiteltävällä hybridimenetelmällä voidaan mallintaa akustisen paineaallon etenemistä tämäntyyppisessä systeemissä. 1

eri materiaaleja Γ Α ΓΒ säännöllinen putki, A Ω epäsäännöllinen osa, B säännöllinen putki, C Kuva 1: Kaaviokuva putkijärjestelmän epäsäännöllisestä osasta. Akustisen paineaallon etenemistä voidaan mallintaa akustisella aaltoyhtälöllä 1 c 2 q 2 p q t 2 2 p q =0, (1) missä c q on äänen nopeus ja p q akustinen paine alueessa q = A, B, C. Äänen nopeuden oletetaan olevan vakio putkissa A ja C, mutta alueessa B nopeus voi vaihdella eri osa-alueissa (esim. ilmaa ja vettä). Yhtälö ratkaistaan putkiston eri osissa eri tavoin, ja ratkaisut kytketään toisiinsa rajapinnoilla Γ A ja Γ B. Painevaihtelun oletetaan etenevän putkessa A, kohtaavan epäsäännöllisen osan B ja etenevän edelleen osaan C. Esityksen selkeyden vuoksi säännöllisten putkien oletetaan olevan koordinaattiakselin x suuntaisia. 2.1 Kantafunktiot putkiston säännöllisissä osissa Putkiston säännöllisissä osissa poikkileikkaus pysyy vakiona, mutta voi olla erilainen putkissa A ja C. Menetelmä ei rajoitu vain tietynmuotoisiin putkiin, vaan poikkileikkaus voi olla lähes mielivaltainen. Kun oletetaan harmoninen aikariippuvuus e iωt, aaltoyhtälön (1) ratkaisu putkiston osissa A ja C voidaan esittää muodoissa ja p A (x, y, z) = p C (x, y, z) = F n φ n (y, z)e iλnx + B n ψ n (y, z)e iγnx + A n φ n (y, z)e iλnx (2) C n ψ n (y, z)e iγnx. (3) Tässä F n, A n, B n ja C n ovat kantafunktioiden kertoimia sekä λ n ja γ n aaltolukuja alueissa A ja C. Funktiot φ n ja ψ n ovat säännöllisten putkien poikkileikkauksia vastaavia ominaisfunktioita. Joissakin erikoistapauksissa ominaisfunktiot ja niitä vastaavat aaltoluvut voidaan esittää tarkassa muodossa. Esimerkiksi pyöreässä putkessa ne voidaan esittää Besselin funktioiden avulla. Yleisessä tilanteessa ne pitää kuitenkin ratkaista numeerisesti ominaisarvotehtävän kautta [1, 3]. Tietyllä taajuudella ainoastaan äärellisen monta kantafunktiota on ns. eteneviä aaltomuotoja. Loput vaimenevat eksponentiaalisesti etäisyyden funktiona ja voidaan jättää pois tarkastelusta, jolloin niitä vastaavat kertoimet asetetaan nolliksi. Edellä olevissa 2

summalausekkeissa on siis käytännössä äärellinen määrä termejä. Kertoimet F n vastaavat putkessa A etenevää tunnettua painevaihtelua, joka kohtaa epäsäännöllisen osan B. Kertoimet A n vastaavat rajapinnalta Γ A takaisin putkeen A heijastuvaa painevaihtelua, ja ne saadaan muodostettavan yhtälöryhmän ratkaisuna. Menetelmän tuloksena saadaan myös kertoimet B n, jotka vastaavat putkeen C etenevää painevaihtelua. Kertoimien C n oletetaan olevan nollia, mikä tarkoittaa, että rajapinnalla Γ B on täydellinen heijastamaton reunaehto. 2.2 Helmholtzin yhtälö putkiston epäsäännöllisessä osassa Epäsäännöllisessä osassa B esitetään aluksi aikaharmonisen aaltoyhtälön (Helmholtz) heikko formulointi seuraavilla reunaehdoilla p B n = p A n reunalla Γ A, p B n = p C n reunalla Γ B, p B n =0 muilla reunoilla (sound-hard), missä n on alueesta B ulos osoittava normaalivektori. Formulointi muodostetaan kertomalla Helmholtzin yhtälö testifunktiolla v H 1 (B), integroimalla alueen B yli ja soveltamalla Greenin kaavaa. Kun huomioidaan edellä olevat reunaehdot, saadaan yhtälö (4) ( pb v kb 2 p Bv ) dx iλ n F n φ n v ds + iλ n A n φ n v ds B + Γ A n Γ B n iγ n B n ψ n v ds =0 Γ A n (5) akustiselle paineelle p B, missä k B = ω c B. Lisäksi asetetaan akustisen paineen jatkuvuusehdot reunoilla Γ A ja Γ B. Reunalla Γ A jatkuvuusehto p B p A =0kerrotaan putken A etenevällä aaltomuodolla φ m ja integroidaan saatu lauseke reunan Γ A yli. Näin saadaan p B φ m ds F m φ 2 m ds A m ds =0 (6) Γ A Γ A Γ A φ 2 m kaikilla etenevillä aaltomuodoilla φ m. Tässä on huomioitu, että aaltomuodot ovat keskenään ortogonaalisia eli Γ A φ n φ m ds =0kun n m. Vastaavasti jatkuvuusehto reunalla Γ B on p B ψ m ds B m ds =0 (7) Γ B kaikilla etenevillä aaltomuodoilla ψ m. Γ B ψ 2 m Menetelmässä akustinen paine ja kantafunktioesityksien kertoimet ratkaistaan yksi taajuus ω kerrallaan. Jos halutaan tarkastella useampaa eri taajuutta, muodostettava yhtälöryhmä on ratkaistava jokaiselle taajuudelle erikseen. 3

3 DISKRETISOINTI ELEMENTTIMENETELMÄLLÄ Yhtälöiden (5), (6) ja (7) numeerista ratkaisemista varten epäsäännölliseen alueeseen B muodostetaan elementtiverkko (esim. heksaedri-verkko) ja määritellään verkon vapausasteita vastaavat kantafunktiot N j, j =1,..., N dof. Kantafunktiot virittävät avaruuden H 1 (B) diskreetin aliavaruuden V. Elementtimenetelmässä ratkaisua p B haetaan avaruudesta V, joten se voidaan esittää muodossa N dof p B = p j N j, (8) j=1 missä vektori p sisältää elementtien vapausasteita vastaavat akustisen paineen arvot. Olkoon F, A ja B etenevien aaltomuotojen kertoimet F n, A n ja B n sisältäviä vektoreita. Yhtälöä (5) vastaava diskreetti yhtälö voidaan nyt kirjoittaa matriisimuotoon ( K k 2 B M ) p + QA + RB = QF, (9) missä K ja M ovat elementtimenetelmän jäykkyys- ja massamatriisit. Paineen jatkuvuusehdot (6) ja (7) ovat matriisimuodoissaan Sp M 1 A = M 1 F, Tp M 2 B = 0. (10) Lineaarisen yhtälöryhmän (9) ja (10) ratkaisuna saadaan putkeen A takaisinheijastuva painevaihtelu (vektori A), putkeen C etenevä painevaihtelu (vektori B) sekä akustinen paine p B (vektori p). Kertoimien F n ja B n avulla saadaan laskettua systeemin aiheuttama akustinen vaimennus tietyllä taajuudella. 4 LASKENTAESIMERKKI Luvuissa 2 ja 3 esitetty formulointi ja diskretisointi on toteutettu Numerola Oy:n Numerrin-mallinnuskielellä, joka on matemaattisten mallien ja simulaattoreiden kehitystyöhön suunniteltu olio-ohjelmointikieli. Kielen syntaksi sisältää matemaattisia käsitteitä ja operaattoreita, joten ohjelmat muistuttavat yhtälöiden matemaattisia formulointeja. Kielen kehitystyössä tavoitteena on ollut nopeuttaa simulaattoreiden toteutusta ja vähentää niiden virhealttiutta. Menetelmää testattiin kuvan 2 mukaisessa tapauksessa, jossa akustinen paineaalto etenenee pyöreässä putkessa, joka levenee, kääntyy 90 astetta ja kapenee alkuperäistä kapeammaksi. Tarkat mitat ja paineaallon etenemissuunta ilmenevät kuvasta. Äänennopeus putkessa on c B = 340 m/s eli väliaine on ilmaa. Elementtimenetelmää varten esimerkin geometriaan muodostettiin heksaedri-verkko ANSYS CFX-ohjelmistoilla. Muodostetun verkon tiheys on riittävä taajuusalueen 0-1000 Hz tarkasteluun. Tällä taajuusalueella sekä putkessa A että putkessa C eteneviä aaltomuotoja on ainoastaan yksi (tasoaalto), jota vastaava kerroin F 0 =1. Kertoimet A 0 ja B 0 saadaan yhtälöryhmästä (9) ja (10). Systeemin aiheuttama vaimennus desibeleinä on tämän jälkeen laskettu kaavalla TL = 10 log 10 B 0 2. (11) 4

D 3 L R D 2 R D 1 L Kuva 2: Laskentaesimerkin putkiston epäsäännöllisen osan poikkileikkaus ja 3D kuva. Mitat ovat L = 30 cm, D 1 = 15 cm, D 2 = 30 cm, D 3 = 10 cm ja R = 25 cm. Kuvassa 3 on esitettynä lasketut TL-arvot taajuusalueella 0-1000 Hz. Tuloksista nähdään, että alle 300 Hz:n taajuuksilla putken mutka aiheuttaa vaimennusta kahdella laajalla kaistalla, mutta korkeammilla taajuuksilla vaimennusta tapahtuu yksittäisillä selkeästi erottuvilla taajuuksilla (720 ja 895 Hz). Alueeseen B aiheutuva akustinen paine taajuudella 720 Hz on visualisoitu kuvassa 4 (ratkaisun reaali- ja imaginaariosa). Sen perusteella alueeseen syntyy tällä taajuudella voimakas seisova aalto, eikä painevaihtelu etene juuri lainkaan putkeen C. VIITTEET [1] KIRBY R, Modeling sound propagation in acoustic waveguides using a hybrid numerical method, The Journal of the Acoustical Society of America, 124(2008) 4, 1930 1940. [2] ASTLEY R J, FE mode-matching schemes for the exterior Helmholtz problem and their relationship to the FE-DtN approach, Communications on numerical methods in engineering, 12(1996) 4, 257 267. [3] GABARD G & ASTLEY R J, A computational mode-matching approach for sound propagation in three-dimensional ducts with flow, Journal of Sound and Vibration, 315(2008) 4-5, 1103 1124. 5

25 20 15 TL [db] 10 5 0-5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Taajuus [Hz] Kuva 3: Esimerkkitapauksessa saavutetut vaimennusarvot. Kuva 4: Akustisen paineen p B reaali- ja imaginaariosa taajuudella 720 Hz. 6