Parempaa äänenvaimennusta simuloinnilla ja optimoinnilla



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

PUTKIJÄRJESTELMÄSSÄ ETENEVÄN PAINEVAIHTELUN MALLINNUS HYBRIDIMENETELMÄLLÄ 1 JOHDANTO 2 HYBRIDIMENETELMÄN MATEMAATTINEN ESITYS

(1) Novia University of Applied Sciences, Vaasa,

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

[Suomen laskennallisten tieteiden seura] Laskennallisten tieteiden päivä Itä-Suomen yliopistossa Kuopiossa

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

Kuva 1. Mallinnettavan kuormaajan ohjaamo.

Matemaattinen malli puheentutkimuksessa

HÄVIÖLLISEN PYÖREÄN AALTOJOHDON SIMULOINTI

ÄÄNEKKÄÄMMÄN KANTELEEN MALLINTAMINEN ELEMENTTIME- NETELMÄLLÄ

Tomi Huttunen Kuava Oy Kuopio

MIV Ilmanvaihdon modernit parannus- ja kunnostusratkaisut

TIES592 Monitavoiteoptimointi ja teollisten prosessien hallinta. Yliassistentti Jussi Hakanen syksy 2010

Kokemuksia ja näkemyksiä teollisuusmatematiikan koulutuksen kehittämisestä

Osakesalkun optimointi. Anni Halkola Turun yliopisto 2016

TIES592 Monitavoiteoptimointi ja teollisten prosessien hallinta. Yliassistentti Jussi Hakanen syksy 2010

TIES592 Monitavoiteoptimointi ja teollisten prosessien hallinta. Yliassistentti Jussi Hakanen syksy 2010

PAKOPUTKEN PÄÄN MUODON VAIKUTUS ÄÄNENSÄTEILYYN

TIES592 Monitavoiteoptimointi ja teollisten prosessien hallinta. Yliassistentti Jussi Hakanen syksy 2010

Harjoitus 4: Matlab - Optimization Toolbox

Aki Taanila LINEAARINEN OPTIMOINTI

Tulipalon vaikutus rakenteisiin CFD-FEM mallinnuksella

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

Miksi kompromissi on parempi kuin optimi? Uusia monitavoiteoptimoinnin menetelmiä päätöksentekoon

Vaipparakenteen merkitys jäähallin energiankulutuksessa

RYHMÄKERROIN ÄÄNILÄHDERYHMÄN SUUNTAAVUUDEN

Kuvia puheentutkimusprojektilta vuosina

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

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

TIES483 Epälineaarinen optimointi

4.2 Akustista fonetiikkaa

RUUVIKOMPRESSORIN TUOTTOPUTKI ILMIÖITÄ JA TYÖKALUJA

Luento 6: Monitavoitteinen optimointi

Latamäen Tuulivoimahanke, Luhanka

KERROSRAKENTEISTEN ABSORBENTTIEN ABSORPTIOSUHTEEN LASKENTAMENETELMÄ

Suunnitteluopas. Äänenvaimennus leijuvat akustiikkakentät vai täysin peittävä alakatto

Kukin kurssi voi sisältyä vain yhteen alemman tai ylemmän perustutkinnon moduuliin.

FE-SEA HYBRIDIMENETELMÄ. Jukka Tanttari. VTT PL 1300, Tampere 1 JOHDANTO

KONEAKUSTINEN MANIFESTI. Jukka Tanttari 1), Ari Karjalainen 2) 1) Ylisitarintie 18 B9, Lempäälä 2) Muroleenkatu 14 B 25, Tampere

S a v a

6. Luennon sisältö. Lineaarisen optimoinnin duaaliteoriaa

Monitavoiteoptimointi

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

ABSORPTIOMATERIAALIN VAIKUTUS PITKIEN KÄYTÄVIEN A-ÄÄNITASOON Akustiseen peilikuvateoriaan perustuva äänikentän eksplisiittinen laskentamenetelmä

OPINTOJAKSOJA KOSKEVAT MUUTOKSET/MATEMATIIKAN JA FYSIIKAN LAITOS/ LUKUVUOSI

SIMO-seminaari Helsinki

OPTIMOINNIN JA PÄÄTÖKSENTEON MAISTERI- KOULUTUS (OPTI)

Kimppu-suodatus-menetelmä

Optimization of Duties in Railway Traffic (valmiin työn esittely)

TTY Porin laitoksen optimointipalvelut yrityksille

S a v a

SORDO. Äänenvaimennin pyöreään kanavaan SORDO-B SORDO-A

Katkonnanohjaus evoluutiolaskennan keinoin

TIEA382 Lineaarinen ja diskreetti optimointi

12. luento: Simplexin implementointi Mallinnusjärjestelmät. Simplexin implementointiin liittyviä asioita

Määritetään vääntökuormitetun sauvan kiertymä kimmoisella kuormitusalueella Tutkitaan staattisesti määräämättömiä vääntösauvoja

Aircraft Maintenance Scheduling with Multi- Objective Simulation- Optimization

Tieteen ja tutkimusalan opintoihin hyväksyttävät opintojaksot ovat (taulukossa A= aineopinnot, S=syventävät opinnot, J = jatko-opinnot):

CLA. Äänenvaimennin pyöreään kanavaan LYHYESTI

CLA. Äänenvaimennin pyöreään kanavaan

Joonas Haapala Ohjaaja: DI Heikki Puustinen Valvoja: Prof. Kai Virtanen

Piiri K 1 K 2 K 3 K 4 R R

EMC Suojan epäjatkuvuudet

TIES483 Epälineaarinen optimointi. Syksy 2012

TIES592 Monitavoiteoptimointi ja teollisten prosessien hallinta. Yliassistentti Jussi Hakanen syksy 2010

Digitaalinen signaalinkäsittely Desibeliasteikko, suotimen suunnittelu

Raportti. Kiinteistö Oy Kalevan Airut 8479 asemakaavatyön meluselvitys. Projektinumero: Donna ID

lindab we simplify construction Akustiset ratkaisut Äänenvaimentimet

Opetusperiodi:I, suunnattu hakukohteille:

OPINTOJAKSOJA KOSKEVAT MUUTOKSET/MATEMATIIKAn JA FYSIIKAN LAITOS LUKUVUOSI

- Akustiikka, äänenvaimennus, jälkikaiunta-aika. - Akustik, Ijudabsorption, efterklangtid. - Acoustics, soundabsorption, reverberation time.

ÄÄNTÄ VAHVISTAVAT OLOSUHDETEKIJÄT. Erkki Björk. Kuopion yliopisto PL 1627, Kuopion 1 JOHDANTO

THM-MALLIN NUMERIIKKA. Antti Niemistö, Janne Martikainen Numerola oy

Kukin kurssi voi sisältyä vain yhteen alemman tai ylemmän perustutkinnon moduuliin.

KAPSELIKUORMAMENETELMÄ MOOTTORIN AKUSTISTEN LÄH- DEOMINAISUUKSIEN MÄÄRITTÄMISEEN

SORDO. Äänenvaimennin pyöreään kanavaan LYHYESTI

OPERAATIOANALYYSI ORMS.1020

Luento 1: Optimointimallin muodostaminen; optimointitehtävien luokittelu

CLA. Äänenvaimennin pyöreään kanavaan LYHYESTI

KOTELON ÄÄNENERISTYKSEN VIBROAKUSTINEN MALLINNUS ELEMENTTIMENETELMÄLLÄ

CLA CLA-A CLA-B. Yleistä Nelikulmainen äänenvaimennin pyöreällä liitännällä. Ainutlaatuiset kuituvahvistus- ja äänenvaimennusominaisuudet.

Mitä tulisi huomioida ääntä vaimentavia kalusteita valittaessa?

Äänenvaimennintyypit ja -ominaisuudet Reikäpelti ja harsokangas estävät kuitujen irtoamisen lasi- ja kivivillavaimentimista. Vaimennusmateriaalivaihto

Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

Kohti uuden sukupolven digitaalipianoja

DIESELMOOTTORIN MELUN HALLITSEMINEN KONEAKUSTIIKAN OSAA- MISTA HYÖDYNTÄEN

Talousmatematiikan perusteet: Luento 13. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot ja vektorit Ääriarvon laadun tarkastelu

SOVELLETUN MATEMATIIKAN MAISTERIKOULUTUS

Monitavoitteiseen optimointiin soveltuvan evoluutioalgoritmin tarkastelu

TIES483 Epälineaarinen optimointi

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

73125 MATEMAATTINEN OPTIMOINTITEORIA 2

Luodin massajakauman optimointi

KORVAKÄYTÄVÄN AKUSTIIKAN MITTAUS JA MALLINNUS 1 JOHDANTO 2 SIMULAATTORIT JA KEINOPÄÄT

Moderni biolääketieteellinen optiikka X - Optinen mittaaminen sekä valmistusmenetelmät X X X

Opetusperiodi:I, suunnattu hakukohteille: Teknillinen fysiikka ja matematiikka

Osakesalkun optimointi

Pyöreä äänenvaimennin pyöreisiin kanaviin BDER

1 Olkoon suodattimen vaatimusmäärittely seuraava:

AKTIIVISEN MELUNVAIMENNUKSEN TOIMINNAN ARVIOINTI

Transkriptio:

Parempaa äänenvaimennusta simuloinnilla ja optimoinnilla Erkki Heikkola Numerola Oy, Jyväskylä Laskennallisten tieteiden päivä 29.9.2010, Itä-Suomen yliopisto, Kuopio

Putkistojen äänenvaimentimien suunnittelu Käyttökohteita: pakokaasumelu, ilmastointimelu,... Vaatimuksia ja rajoitteita: riittävä vaimennus, pieni painehäviö, rajoitettu tila,... Tietokonemallinnusta käytetty jo 1970-luvulta lähtien Suurin osa ohjelmistoista perustuu 1D tasoaaltomalleihin (esim. transfer matrix method), Myös FEM-laskentaa käytetään, mutta se on teknisesti ja laskennallisesti huomattavasti raskaampaa, FEM on parempi menetelmä kun geometriat ovat monimutkaisia tai taajuudet korkeita.

Putkistojen äänenvaimentimien perustyypit Ontelo- tai resonanssivaimennin perustuu ääniaallon heijastumiseen sopivasta geometrisesta muodosta, Absorptiovaimennin perustuu ääniaallon absorptioon sopivan materiaalin avulla (esim. mineraalivilla).

Tarkasteltava mallinnustehtävä Akustinen paineaalto mallinnetaan Helmholtzin yhtälöllä, Tarkasteltava geometria koostuu säännöllisten putkiosien väliin sijoittuvasta epäsäännöllisestä osasta, Epäsäännöllinen osa voi olla geometrialtaan monimutkainen ja sisältää erilaisia materiaaleja.

Hybridimenetelmän (Kirby, 2008) periaatteita Putkiston säännöllisissä osissa ratkaisu esitetään aaltomuotoisten kantafunktioiden avulla, Epäsäännöllisessä osassa akustinen aaltoyhtälö ratkaistaan elementtimenetelmällä, Ratkaisut kytketään toisiinsa rajapinnoilla, Elementtimenetelmän avulla voidaan luotettavasti mallintaa monimutkaisten muotojen ja materiaalimuutosten vaikutusta, Hybridimenetelmän ratkaisu antaa numeerisen arvon epäsäännöllisen osan aiheuttamalle vaimennukselle (transmission loss).

Muodon optimointitehtävä Epäsäännöllisen osan muoto parametrisoidaan sopivasti, Muotoparametreja säätämällä minimoidaan läpimenevän aallon amplitudia, Tavoitteena hyvä vaimennus usealla eri taajuuskaistalla samanaikaisesti (monitavoitteinen tehtävä).

Mallin toteutus Numerrin-kielellä Hybridimenetelmä on toteutettu Numerola Oy:n Numerrin-mallinnuskielellä, Matemaattisten mallien ja simulaattoreiden kehitystyöhön suunniteltu olio-ohjelmointikieli, Kielen syntaksi sisältää matemaattisia käsitteitä ja operaattoreita, joten ohjelmat muistuttavat yhtälöiden matemaattisia formulointeja, Numerrin-kielen kehitystyön tavoitteena on ollut nopeuttaa simulaattoreiden toteutusta, edistää mallien muokattavuutta ja vähentää virhealttiutta.

Numerrin-toteutuksen havainnollistus V = Space(Omega,"Lagrange",1) p in Complex V ac in ComplexSpace(n1) bc in ComplexSpace(n2) A = Derivative(res,p) Integral(Omega,"Gauss",3) phi = BasisFunction(V) gradphi = BasisGradient(V) gradp = grad(p(.)) res[0] <- 1.0/rho * gradp dot gradphi - k^2/rho * p(.) * phi EndIntegral

Muodon optimointi geneettisellä algoritmilla Monitavoitteinen optimointitehtävä ratkaistaan geneettisellä algoritmilla NSGA-II (Deb et al., 2002), Optimointi on toteutettu omana ohjelmanaan, joka kutsuu erillistä verkkogeneraattoria sekä Numerrinratkaisijaa Muotoparametrien arvoja vastaava FEM-verkko muodostetaan Netgen-generaattorilla ja tallennetaan CGNS-formaattiin, Numerrin-malli lukee verkkotiedoston ja ratkaisee vastaavan äänenvaimennuksen, josta saadaan edelleen tavoitefunktion arvo optimoijalle.

Väitöskirjatyö laskennallisesta akustiikasta Tuomas Airaksinen, Tietotekniikan laitos, JyU Numerical methods for acoustics and noise control Väitöstilaisuus 9.10.2010 Väitöstyöhön liittyy artikkeli Multiobjective muffler shape optimization with hybrid acoustics modelling, jossa hybridimenetelmällä ja monitavoitteisella optimointimenetelmällä (NSGA-2) on tehty akustisten vaimentimien mallipohjaista muodon optimointia.

Optimointiesimerkki Tarkastellaan kuvan mukaista sylinterimäistä vaimenninelementtiä, Putkien säteet ovat r=30 mm ja sylinterin pituus L=500 mm, Optimoinnin säätösuureet ovat putkien paikat x 1 ja x 2 sekä sylinterin säde x 3 Optimoinnin tavoitteena on saavuttaa hyvä vaimennus taajuusväleillä 800-900 Hz ja 1700-1800 Hz.

Optimoinnin tuloksia Optimoinnin tavoitteet muotoiltiin tavoitefunktioiksi f1 ja f2, joiden arvo kuvaa keskimääräistä vaimennusta halutulla taajuusvälillä, Kuvassa on esitetty neljä NSGA-II algoritmin tuottamaa Pareto-rintamaa, jotka vastaavat erilaisia satunnaislukugeneraattorin siemenlukuja.

Äänenvaimennus taajuuden funktiona Paretooptimaalisessa tapauksessa f1=-38.3 db ja f2=-33.4 db.

Akustinen painekenttä optimoidussa vaimenningeometriassa taajuudella 1800 Hz

Loppupäätelmiä Verkkogeneraattori (Netgen), akustinen ratkaisija (Numerrin) ja optimointialgoritmi (NSGA-II) on yhdistetty äänenvaimentimien automaattista muodon optimointia varten, Käytetty hybridimenetelmä on perinteisiä 1D malleja tarkempi akustisten ilmiöiden mallinnuksessa, joten optimoinnin tulokset ovat luotettavampia, Optimointiin voidaan tuoda mukaan myös muita suunnittelukriteereitä, esim. virtaukseen liittyviä tavoitteita tai rajoitteita.