Genom att kombinera principer från beräkningsvätskedynamik och akustik, Forskare vid TU Berlin har utvecklat en analytisk modell som kan förenkla processen att designa Helmholtz-resonatorer, en typ av bullerdämpande struktur som används i flygplan, fartyg, och ventilationssystem. Modellen kan förutsäga en potentiell Helmholtz-kavitets ljudspektrum när turbulent luft strömmar över den, och skulle potentiellt kunna användas för att ställa in Helmholtz-resonatorer för att avbryta eller undvika någon frekvens av intresse.

Brusreducerande hörlurar har blivit ett populärt tillbehör för frekventa flygare. Genom att analysera bakgrundsfrekvenserna som produceras av ett flygplan under flygning och generera en "anti-brus" ljudvåg som är helt ur fas, sådana hörlurar eliminerar störande bakgrundsljud. Även om hörlurarna inte kan göra något åt ​​de trånga sittplatserna, de kan göra det nästan lika roligt att titta på en film eller lyssna på musik under flygning som hemma.

För att minimera det störande ljudet som orsakas av höga maskiner som bilar, fartyg, och flygplan, akustiska ingenjörer använder många strategier. En teknik, kallas en Helmholtz-hålighet, bygger på ett liknande koncept som det som används i brusreducerande hörlurar. Här, ingenjörer bygger en resonanslåda som öppnas till en slits på ena sidan. När luft passerar över slitsen, lådan vibrerar som en kyrkorgelpipa, producerar en ton. Genom att justera storleken och formen på kaviteten och dess slits, akustiska ingenjörer kan ställa in den för att producera en specifik ton som – precis som hörlurarna – avbryter en dominant, irriterande ljud som produceras av maskiner.

Historiskt sett, Processen att ställa in en Helmholtz-resonator var ett brutalt åtagande som involverade kostsamt och tidskrävande försök och misstag. Ingenjörer hade inget annat val än att fysiskt bygga och testa många olika geometrier experimentellt för att hitta en optimal form för en specifik tillämpning, speciellt i en miljö med turbulent flöde.

I dag, dock, högpresterande datorer erbjuder möjligheten att genomföra sådana tester virtuellt, gör designprocessen snabbare och enklare.

I en artikel som just publicerats i tidskriften Acta Mechanica , Lewin Stein och Jörn Sesterhenn från TU Berlin beskriver en ny analytisk modell för ljudprediktion som skulle kunna göra designen av Helmholtz-hålrum billigare och effektivare. Utvecklingen av modellen underlättades av en datauppsättning producerad med hjälp av direkt numerisk simulering vid High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS). Den analytiska modellen kan förutsäga, på ett sätt som är mer allmänt tillämpligt än tidigare, en potentiell Helmholtz-kavitets ljudspektrum när turbulent luft strömmar över den. Författarna föreslår att ett sådant verktyg potentiellt skulle kunna användas för att ställa in Helmholtz-håligheter för att ta bort eller för att undvika någon frekvens av intresse.

Simulering närmar sig naturens alla skalor

När rörlig luft passerar över slitsen i en Helmholtz-kavitet, dess flöde störs och turbulensen förstärks. Virvlar uppstår vanligtvis, lossnar från slitsens uppströmskant. Tillsammans bildar de ett ark av virvlar som täcker slitsen och kan interagera med de akustiska vibrationer som genereras inuti kaviteten. Resultatet är en frekvensberoende dämpning eller excitation av den akustiska vågen när luft passerar genom denna virvelplatta.

Tidigare var det svårt att studera sådana interaktioner och deras effekter numeriskt utan att göra grova approximationer. För första gången, Steins simulering integrerar realistiskt turbulenta och akustiska fenomen i en Helmholtz-kavitet som exciteras av ett turbulent flöde som passerar över dess slits. Med en oöverträffad upplösning, det gör det möjligt att spåra den flödes-akustiska interaktionen och dess implikationer för kavitetens resonans.

Denna prestation är möjlig med en metod som kallas direkt numerisk simulering (DNS), som beskriver en gas eller vätska på en grundläggande nivå. "Jag använder den mest komplexa formen av vätskeekvationer - kallade Navier-Stokes ekvationer - för att komma så nära det faktiska fenomenet i naturen som möjligt samtidigt som jag använder så lite approximation som nödvändigt, " säger Stein. "Vår DNS gjorde det möjligt för oss att få nya insikter som inte fanns där tidigare."

Steins direkta numeriska simulering delar upp systemet i ett nät på cirka 1 miljard rutnätspunkter och simulerar mer än 100 tusen tidssteg, för att helt lösa systemdynamiken under bara 30 millisekunders fysisk tid. Varje körning av den numeriska modellen på HLRS:s Hazel Hen superdator krävde ungefär fyra 24-timmarsdagar, använder ett 40-tal, 000 datorkärnor.

Medan ett fysiskt experiment är rumsligt begränsat och bara kan spåra ett fåtal fysiskt relevanta parametrar, varje enskild DNS-körning tillhandahåller en datauppsättning på 20 terabyte som dokumenterar alla flödesvariabler vid alla tidssteg och utrymmen inom nätet, leverera en rik resurs som kan utforskas i detalj. Stein säger att att köra simuleringen under den här tidsperioden gav en bra kompromiss mellan att kunna sätta upp en pålitlig databas och att få resultat på praktiskt taget tid.

Går mot en generell ljudprediktionsmodell

När detaljerna i den akustiska modellen väl utvecklats, nästa utmaning var att bekräfta att den kunde förutsäga akustiska egenskaper hos andra Helmholtz kavitetsgeometrier och luftflödesförhållanden. Genom att jämföra de extrapolerade modellresultaten med experimentella data från Joachim Golliard vid Centre de Transfert de Technologie du Mans i Frankrike, Stein fann att modellen gjorde det med stor noggrannhet.

Modellen som rapporteras i tidningen är optimerad för låga luftflöden och för låga frekvenser, som de som finns i ventilationssystem. Den är också utformad för att vara modulär så att en hålighet som innehåller komplexa material som skum istället för en hård vägg också kan undersökas. Stein förutser att få mer beräkningstid och tillgång till snabbare superdatorer skulle göra det möjligt för honom att numeriskt förutsäga ett bredare spektrum av potentiella resonatorformer och flödesförhållanden.

Efter att nyligen ha avslutat sin Ph.D. och arbetar nu som postdoc vid Institute of Fluid Dynamics and Technical Acoustics i gruppen av 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, " han förklarar, "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."