2. METODY MODELOWE ANALIZY POLA AKUSTYCZNEGO
2. METODY MODELOWE ANALIZY POLA AKUSTYCZNEGO
2. METODY MODELOWE ANALIZY POLA AKUSTYCZNEGO
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>2.</strong> <strong>METODY</strong> <strong>MODELOWE</strong> ... „Akustyka w budownictwie. …”<br />
<strong>2.</strong> <strong>METODY</strong> <strong>MODELOWE</strong> <strong>ANALIZY</strong> <strong>POLA</strong><br />
<strong>AKUSTYCZNEGO</strong><br />
Problem analizy pola akustycznego nie jest wyczerpany<br />
i pozostaje nadal otwarty. Złożoność zjawisk towarzyszących propagacji<br />
fali akustycznej powodują, że próby tworzenia modeli wspomagających<br />
projektowanie sal koncertowych, pomieszczeń radiowych,<br />
przegród i osłon akustycznych itp., czy też różnorodne doświadczenia<br />
naukowe, natrafiają na ogromne trudności. Rozwiązaniem tych niedogodności<br />
zdają się być metody numeryczne analizy pola akustycznego,<br />
które wraz z ciągłym postępem technicznym stają się coraz silniejszym<br />
narzędziem badawczym.<br />
W związku z powyższym, oraz mając na uwadze wcześniejsze<br />
słowa, chciałbym jeszcze raz podkreślić, iż problemowi modelowania<br />
numerycznego zagadnień propagacji fali akustycznej, poświęcam<br />
w całości dalszą część pracy, rozpoczynając jednak od krótkiej<br />
charakterystyki historycznych i obecnie stosowanych metod i modeli<br />
do badania pola akustycznego (Rys. <strong>2.</strong>1).<br />
Rys. <strong>2.</strong>1. Klasyfikacja modeli do analizy pola akustycznego 1<br />
1 klasyfikacja wg prof. Andrzeja Gołasia [9]<br />
7
<strong>2.</strong> <strong>METODY</strong> <strong>MODELOWE</strong> ... „Akustyka w budownictwie. …”<br />
<strong>2.</strong>1. MODELE FIZYCZNE<br />
(EKSPERYMENTALNE, ANALOGOWE)<br />
Do grupy tej zaliczamy wszystkie modele materialne.<br />
Zgodnie z Rys. <strong>2.</strong>1 wyróżniamy tu: modele pseudoakusyczne (analogowe),<br />
bazujące na analogii rozchodzenia się fal w innych ośrodkach<br />
oraz modele akustyczne, wykorzystujące fale dźwiękowe.<br />
<strong>2.</strong>1.1. MODELE PSEUDOAKUSTYCZNE<br />
<strong>2.</strong>1.1.1. MODEL WODNY<br />
Modelowanie zjawisk akustycznych przy pomocy fal wodnych<br />
należy już do przeszłości, aczkolwiek są one nadal wysoce cenione<br />
podczas nauczania szkolnego, ze względu na łatwość prezentacji<br />
podstawowych zjawisk falowych. Metoda ta polega na umieszczaniu<br />
w płytkim naczyniu wypełnionym wodą przekroju badanego pomieszczenia.<br />
Na powierzchni wody, w miejscach gdzie w modelowanym<br />
obiekcie znajdują się źródła dźwięku, generowane są przy pomocy<br />
wibrujących prętów fale wodne. Fale te, rozchodząc się na powierzchni<br />
wody, ulegają odbiciu od ścian przekroju, umożliwiając<br />
,przez analogię, obserwowanie biegu fal akustycznych w danym przekroju<br />
pomieszczenia. W doświadczeniach tych obserwujemy wyłącznie<br />
zmiany jakościowe (ugięcie, interferencja), gdyż ilościowe parametry<br />
rozchodzenia się fal akustycznych (poziom mocy, natężenie, pochłanianie)<br />
są praktycznie „nieuchwytne”. Inną wadą tej metody jest<br />
również ograniczenie obserwacji zjawisk do analizy w dwóch wymiarach.<br />
<strong>2.</strong>1.1.<strong>2.</strong> MODEL ŚWIETLNY<br />
Modelowanie to oparte jest na analogii pomiędzy falami<br />
dźwiękowymi i świetlnymi. Rozróżnia się dwie metody: metodę promieni<br />
świetlnych i metodę rozproszenia światła. Wspólnym dla obu<br />
metod jest zjawisko odbicia światła.<br />
Metoda promieni świetlnych, polega na badaniu biegu<br />
promieni świetlnych w modelowanym pomieszczeniu i wnioskowaniu<br />
na tej podstawie o rozchodzeniu się dźwięku. Źródłem promieni,<br />
a więc modelowanym źródłem dźwięku, może być zwykła żarówka.<br />
Powierzchnie pochłaniające modeluje się lustrami, przydymionymi<br />
odpowiednio do wymaganego współczynnika pochłaniania. Odbiornikiem<br />
jest fotokomórka umieszczona w miejscu, dla którego chcemy<br />
8
<strong>2.</strong> <strong>METODY</strong> <strong>MODELOWE</strong> ... „Akustyka w budownictwie. …”<br />
uzyskać informację o poziomie natężenia dźwięku. Przez zmianę natężenia<br />
światła, ułożenia i stopnia zadymienia luster można w dowolny<br />
sposób modelować warunki akustyczne.<br />
W metodzie rozproszenia światła źródło światła umieszcza<br />
się za ekranem o wąskich szczelinach, uzyskując w ten sposób dużą<br />
liczbę wiązek promieni. Jeżeli wnętrze modelu zostanie wypełnione<br />
dymem, to promienie zostaną uwidocznione. Metoda ta nie uwzględnia<br />
pojedynczych odbić, ale daje informację o rozkładzie natężenia<br />
dźwięku w pomieszczeniu.<br />
<strong>2.</strong>1.<strong>2.</strong> MODEL AKUSTYCZNY<br />
<strong>2.</strong>1.<strong>2.</strong>1. MODEL ULTRADŹWIĘKOWY<br />
Idea modelowania ultradźwiękowego sprowadza się do<br />
możliwości prowadzenia w modelu pomiarów akustycznych, analogicznych<br />
do tych jakie prowadzi się w obiekcie rzeczywistym. Modelowanie,<br />
oprócz budowy modelu obiektu w danej skali, wymaga modelowania<br />
w tej samej skali przetworników elektroakustycznych, pasma<br />
częstotliwości i własności pochłaniających materiałów znajdujących<br />
się w obiekcie, w tym również powietrza. Jak wskazują źródła<br />
literaturowe ostatni wymóg rzadko jest uwzględniany, ponieważ modelowanie<br />
w skali warunków pochłaniających dla fali akustycznej wymaga<br />
zmiany czynnika wypełniającego przestrzeń obiektu np. na tlen<br />
lub inny gaz.<br />
Wagę problemu skali uwidoczni następujący przykład.<br />
Najczęściej spotyka się modele w skali od 1:10 do 1:100. Przykładowo<br />
dla tej ostatniej wielkości dla pasma od 1 Hz do 10 Hz odpowiada<br />
zakres 100 Hz do 1 kHz , stąd też najczęściej stosujemy modele<br />
o mniejszej skali np. 1:20 ograniczając w ten sposób badane pasmo<br />
do 5 kHz . Oczywiście osobnym problemem są w metodzie ultradźwiękowej<br />
takie elementy modelu jak źródło dźwięku, odbiornik oraz materiały<br />
pochłaniające, a ten ostatni składnik ze względu na nieliniową<br />
charakterystykę częstotliwościową wysuwa się na plan pierwszy.<br />
Mimo niedogodności związanych z problemem skali najlepszym<br />
podsumowaniem będą słowa Andrzeja Gołasia zawarte<br />
w książce jego autorstwa „Metody komputerowe w akustyce wnętrz<br />
i środowiska”:<br />
„Modelowanie ultradźwiękowe było i jest szeroko stosowane...”.<br />
9
<strong>2.</strong> <strong>METODY</strong> <strong>MODELOWE</strong> ... „Akustyka w budownictwie. …”<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong> MODELE ABSTRAKCYJNE<br />
(TEORETYCZNE)<br />
Do tej grupy należą wszystkie modele, które są pewną<br />
abstrakcją matematyczną, opisującą rzeczywistość. Takie podejście,<br />
jak każde modelowanie, musi zawierać uproszczenia, ponieważ tylko<br />
w ten sposób stworzone przez nas formuły matematyczne stają się<br />
praktyczne w użyciu, chociaż i tak ich rozwiązanie (w ogólnym przypadku)<br />
możliwe jest wyłącznie przy zastosowaniu zaawansowanych<br />
technik metod numerycznych.<br />
Modelowanie „abstrakcyjne”, mimo że częstokroć bardzo<br />
czasochłonne, stawia przed projektantami nowe możliwości. Burzliwy<br />
rozwój komputerów oraz ciągłe ulepszanie oprogramowania inżynierskiego<br />
pozwalają na rozwiązywanie zadań o praktycznie dowolnym<br />
stopniu trudności. Metody te zezwalają, oczywiście przy założeniu<br />
użycia komputera, by analizowany obiekt przybierał dowolne kształty<br />
(nawet „nieskończone” w metodzie elementów skończonych), dowolnie<br />
złożone są również warunki brzegowe i początkowe.<br />
Problematykę modelowania numerycznego przedstawię<br />
szczegółowo w następnych rozdziałach.<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong>1. MODELE GEOMETRYCZNE<br />
Główne założenie modeli geometrycznych bazuje na prostoliniowej<br />
propagacji tzw. promienia dźwiękowego i jego odbiciu<br />
zgodnie z prawami odbicia od płaskiej powierzchni o nieskończonych<br />
wymiarach. Należy jednak zwrócić uwagę, że teoria ta zawodzi<br />
w przypadku fal o niskich częstotliwościach (gdy długość fali porównywalna<br />
jest z wymiarami powierzchni odbijającej) i dla fal o częstotliwościach<br />
wysokich (gdy długość fali jest rzędu wymiaru struktur<br />
zewnętrznych powierzchni odbijającej).<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong>1.1. METODA PROMIENIOWA<br />
W metodzie tej ciągłą falę akustyczną rozważa się jako<br />
dyskretny zbiór tzw. promieni dźwiękowych, rozprzestrzeniających się<br />
z prędkością propagacji dźwięku i niosących jednakową część energii<br />
emitowanej przez źródło. Energia ta jest tracona w kolejnych odbiciach,<br />
proporcjonalnie do współczynnika pochłaniania dźwięku danej<br />
powierzchni brzegowej. Spadek energii spowodowany odległością od<br />
źródła jest uwzględniony przez zmniejszenie się wraz ze wzrostem<br />
odległości liczby promieni docierających do odbiornika, modelowanego<br />
jako strefę. Odpowiedź wnętrza uzyskuje się poprzez uśrednienie<br />
10
<strong>2.</strong> <strong>METODY</strong> <strong>MODELOWE</strong> ... „Akustyka w budownictwie. …”<br />
z energią po-<br />
w obszarze obserwacji wszystkich danych związanych<br />
szczególnych promieni dźwiękowych.<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong>1.<strong>2.</strong> METODA ŹRÓDEŁ POZORNYCH<br />
W metodzie tej źródła dźwięku i układ ograniczający wnętrze<br />
zastępuje się siatką pozornych źródeł dźwięku. Źródła pozorne<br />
tworzone są w ten sposób, iż każdej fali akustycznej dochodzącej do<br />
punktu obserwacji ze źródła rzeczywistego, (po odbiciach), odpowiada<br />
oddzielne źródło pozorne.<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong><strong>2.</strong> MODEL STATYSTYCZNY<br />
Model ten powstał według statystycznej teorii pola akustycznego,<br />
której twórcą jest W.C. Sabine (1900). Nazwa metody bierze<br />
się stąd, iż operuje ona pojęciami statystycznymi takimi jak:<br />
średnia długość drogi swobodnej fali akustycznej, średni czas itp. Zakłada<br />
się w niej, że gęstość energii dźwiękowej w każdym punkcie<br />
pomieszczenia jest równa i że prawdopodobieństwo padania fali<br />
dźwiękowej jest jednakowe we wszystkich kierunkach. Jedną z najsłynniejszych<br />
zależności matematycznych tej metody jest wzór na<br />
czas pogłosu T pomieszczenia<br />
T<br />
0,16V<br />
= [] s ,<br />
S<br />
α śr<br />
gdzie:<br />
3<br />
V - objętość pomieszczenia [ m ],<br />
2<br />
S - pole powierzchni pomieszczenia [ m ],<br />
α<br />
śr<br />
- średni pogłosowy współczynnik pochłaniania dźwięku [ − ].<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong>3 MODELE FALOWE<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong>3.1. METODA FALOWA<br />
Metoda ta bazuje na analitycznym rozwiązaniu równania<br />
falowego, a więc równania różniczkowego cząstkowego. Skomplikowane<br />
warunki brzegowe i początkowe, wyznaczają granicę stosowal-<br />
11
<strong>2.</strong> <strong>METODY</strong> <strong>MODELOWE</strong> ... „Akustyka w budownictwie. …”<br />
ności tej metody do geometrii o najprostszych kształtach, jednolitych<br />
warunków na brzegu oraz wymuszenia harmonicznego. Dla tak postawionego<br />
problemu możliwe jest uzyskanie podstawowych wyników<br />
takich jak częstości i postaci drgań własnych, mody drgań wymuszonych<br />
itp.<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong>3.<strong>2.</strong> METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH – MES<br />
W metodzie tej analizowana przestrzeń poddawana jest<br />
dyskretyzacji – podziałowi na elementy skończone, które tworzą<br />
tzw. siatkę elementów. Rozwiązanie problemu uzyskujemy dla wybranych<br />
punktów, zwanych węzłami siatki, które następnie poprzez<br />
funkcje kształtu (interpolujące) „rozpinamy” na cały badany obszar.<br />
Znaczenie MESu, (wciąż niesłabnące), w analizie różnorodnych<br />
zjawisk fizycznych jest nieocenione. Dzięki tej metodzie potrafimy<br />
niemal bezbłędnie - w szczegółach(!) - oceniać, interpretować<br />
zjawiska o najwyższym stopniu trudności (tzn. dowolna geometria,<br />
dowolne warunki brzegowe i początkowe).<br />
12