JP2022112625A - Sound field analysis apparatus, sound analysis method, and program - Google Patents
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Abstract
Description
特許法第30条第2項適用申請有り 発行者名:一般社団法人日本建築学会、刊行物名:2020年度日本建築学会大会(関東)学術講演梗概集、発行年月日:2020年7月20日Application for application of
本発明は、音場解析装置、音場解析方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a sound field analysis device, sound field analysis method and program.
数値シミュレーションにより音場を解析する手法が知られている。例えば、非特許文献1~3は、一階常微分方程式(ODE:Ordinary Differential Equation)に基づく時間領域有限要素法(TDFEM:Time-Domain Finite Element Method)を用いて音場を解析する手法を開示している。具体的に説明すると、非特許文献1は、以下の(手順1)~(手順4)に従って音場を解析する手法を開示している。
A method of analyzing a sound field by numerical simulation is known. For example,
(手順1)
剛壁境界又は振動境界により囲われた音場を対象とした場合の半離散化方程式に、対角質量行列と音圧の時間一階微分ベクトルとを導入することで得られる連立一階常微分方程式を対象とする。連立一階常微分方程式は、具体的には、解析対象の空間における音圧の分布を示すベクトルp(以下、“音圧ベクトルp”と呼ぶ。)と、音圧ベクトルpの時間一階微分と等価なベクトルv(以下、“微分ベクトルv”と呼ぶ。)と、を未知数として、下記(1)式及び(2)式のように表される。
(Step 1)
Simultaneous first-order ordinary derivative obtained by introducing diagonal mass matrix and time-first derivative vector of sound pressure into semi-discretized equation for sound field surrounded by rigid wall boundary or vibrating boundary Targets equations. Specifically, the simultaneous first-order ordinary differential equations are a vector p (hereinafter referred to as "sound pressure vector p") indicating the distribution of sound pressure in the space to be analyzed, and the time first-order differential of the sound pressure vector p A vector v equivalent to (hereinafter referred to as a "differential vector v") is expressed as the following equations (1) and (2) as unknowns.
ここで、(1)式及び(2)式における“M”、“K”、及び“D”は、それぞれ質量行列、剛性行列、及び対角質量行列を表す。質量行列M、剛性行列K、及び対角質量行列Dは、それぞれ、要素質量行列Me、要素剛性行列Ke、及び要素対角質量行列Deを重ね合わせて構成される全体行列である。また、(1)式及び(2)式において、“f”は解析対象の空間に加えられる外力の分布を示す外力ベクトルを表し、“c0”は音速を表し、“・”は時間に関する一階微分を表す。 Here, "M", "K", and "D" in formulas (1) and (2) represent the mass matrix, stiffness matrix, and diagonal mass matrix, respectively. The mass matrix M, stiffness matrix K, and diagonal mass matrix D are global matrices formed by overlapping the element mass matrix M e , the element stiffness matrix K e , and the element diagonal mass matrix D e , respectively. Further, in the equations (1) and (2), “f” represents an external force vector indicating the distribution of the external force applied to the space to be analyzed, “c 0 ” represents the speed of sound, and “·” represents time-related represents the derivative.
(手順2)
空気領域の有限要素として正方形又は立方体形状の線形一次要素を設定する。そして、設定された空気領域の有限要素に対して、非特許文献2に開示された離散化誤差の低減法である修正積分則を適用して、(1)式及び(2)式における質量行列Mと剛性行列Kとを計算する。
(Step 2)
A square or cubic linear linear element is set as the finite element of the air region. Then, the modified integral rule, which is a discretization error reduction method disclosed in Non-Patent Document 2, is applied to the set finite elements of the air region, and the mass matrix in equations (1) and (2) Compute M and the stiffness matrix K.
(手順3)
(1)式及び(2)式で表される連立一階常微分方程式を時間方向に離散化することで時間進行スキームを構築し、音波の時間進行を計算する。
(Step 3)
A time progression scheme is constructed by discretizing the simultaneous first-order ordinary differential equations represented by equations (1) and (2) in the time direction, and the time progression of sound waves is calculated.
(手順4)
(手順3)で音波の時間進行を計算する際に、数値的安定性を保つため、(1)式の音圧ベクトルpの時間一階微分を1次精度の前進差分近似で離散化し、更に(2)式の微分ベクトルvの時間一階微分を1次精度の後退差分近似で離散化する。この結果として、下記(3)式及び(4)式が得られる。
(Step 4)
In order to maintain numerical stability when calculating the time progression of sound waves in (procedure 3), the time first derivative of the sound pressure vector p in equation (1) is discretized by forward difference approximation with first-order accuracy, and (2) Discretize the first-order time differential of the differential vector v of the equation (2) by backward difference approximation with first-order precision. As a result, the following formulas (3) and (4) are obtained.
ここで、(3)式及び(4)式における“n”は時間ステップ数を表す自然数であり、“Δt”は時間刻み幅を表す。非特許文献1に開示された手法では、(3)式及び(4)式により表される時間更新式に従って、音波の時間進行を計算する。
Here, "n" in equations (3) and (4) is a natural number representing the number of time steps, and "Δt" represents the time step size. In the method disclosed in
このような一階常微分方程式に基づく時間領域有限要素法は、計算効率に関する長所として次の2点を有する。
(I)時間進行スキームが陽的であるため、連立一次方程式の求解が不要である。そのため、時間ステップあたりの計算負荷が少ない。
(II)修正積分則の適用により、使用する要素が一次要素であるにもかかわらず、時間及び空間で4次の精度を達成することができる。
The time-domain finite element method based on such a first-order ordinary differential equation has the following two advantages regarding computational efficiency.
(I) Since the time marching scheme is explicit, no simultaneous linear equation solution is required. Therefore, the computational load per time step is small.
(II) By application of the modified integral rule, fourth order accuracy in time and space can be achieved despite the fact that the elements used are first order elements.
また、非特許文献3は、任意形状の要素を扱うための時空間4次精度法である修正Adams法を開示している。非特許文献2に開示された修正積分則による高精度化の達成のためには、使用できる要素の形状が正方形又は立方体に限定されるのに対して、非特許文献3に開示された修正Adams法では、正方形又は立方体以外の形状の要素を用いた場合に、時間及び空間の離散化誤差を4次精度で低減することができる。これにより、複雑な形状を含む室内空間や音響材料を解析対象とする場合であっても、形状による特性を正しく反映することができる。
Non-Patent
時間領域有限要素法を含む計算力学的手法を用いて音波伝搬をシミュレーションする上で、計算効率の向上は重要である。従来の陽的な時間領域有限要素法による音響解析手法は、修正積分則の適用により空気領域の計算に関して優れた計算効率をもっている。特に、非特許文献3に開示された修正Adams法は、任意形状の要素を扱うことができる。
Improving computational efficiency is important in simulating acoustic wave propagation using computational mechanics methods including the time-domain finite element method. Conventional explicit time-domain finite element method acoustic analysis methods have excellent computational efficiency for air domain calculations by applying modified integral rules. In particular, the modified Adams method disclosed in Non-Patent
しかしながら、従来の手法は、離散化誤差の一種である振幅誤差を含む。振幅誤差が発生すると、特に高周波数の音波伝搬を長時間にわたって予測する場合に、音場解析の精度の悪化をもたらす。そのため、振幅誤差の発生を抑制して、解析精度を向上させることが可能な手法が望まれている。 However, the conventional approach involves amplitude error, which is a type of discretization error. The occurrence of amplitude errors leads to deterioration of the accuracy of sound field analysis, especially when predicting high-frequency sound wave propagation over a long period of time. Therefore, a method capable of suppressing the occurrence of amplitude errors and improving analysis accuracy is desired.
本発明は、以上の課題を解決するためのものであり、時間領域有限要素法を用いた音場解析において、解析精度を向上させることが可能な音場解析装置、音場解析方法及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve the above problems, and provides a sound field analysis device, a sound field analysis method, and a program capable of improving analysis accuracy in sound field analysis using the time domain finite element method. intended to provide
上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係る音場解析装置は、
解析対象の空間における音圧の分布を示す音圧ベクトルと、前記音圧ベクトルの時間一階微分と等価な微分ベクトルと、に関する一階常微分方程式に基づく時間領域有限要素法を用いて音場を解析する音場解析装置であって、
前記一階常微分方程式において、時間及び空間の離散化誤差に関して目標精度を達成し、且つ、前記離散化誤差に振幅誤差が含まれないように最適化された線形多段法を適用することにより得られる前記音圧ベクトルの時間更新式と、前記一階常微分方程式において、前記微分ベクトルの時間一階微分を差分近似で離散化することにより得られる前記微分ベクトルの時間更新式と、に従って、複数の時間ステップでの前記音圧ベクトルの値を計算する数値計算部、を備える。
In order to achieve the above object, the sound field analysis device according to the first aspect of the present invention includes:
A sound field is generated using a time domain finite element method based on a first order ordinary differential equation relating to a sound pressure vector indicating the distribution of sound pressure in the space to be analyzed and a differential vector equivalent to the time first order differential of the sound pressure vector. A sound field analysis device for analyzing
Obtained by applying a linear multi-stage method optimized so that the discretization error in time and space does not include an amplitude error and the target accuracy is achieved in the first-order ordinary differential equation and a time update formula for the differential vector obtained by discretizing the time first order differential of the differential vector in the first order ordinary differential equation using difference approximation, according to a plurality of a numerical calculator for calculating the value of the sound pressure vector at time steps of .
前記音圧ベクトルの時間更新式は、第n時間ステップでの前記音圧ベクトルの値を、第(n-M)時間ステップから第(n-1)時間ステップでの前記音圧ベクトルの値と、第(n-N)時間ステップから第(n-1)時間ステップでの前記微分ベクトルの値とを、前記離散化誤差に虚部が含まれない値に最適化された重み係数を乗じた上で加算することにより計算する式であっても良い。 The time update formula for the sound pressure vector is such that the value of the sound pressure vector at the n-th time step is the value of the sound pressure vector at the (n−M) time step to the (n−1) time step. , and the value of the differential vector from the (n−N)th time step to the (n−1)th time step are multiplied by a weighting factor optimized to the value in which the imaginary part is not included in the discretization error It may be a formula calculated by adding above.
前記目標精度がK次の精度である場合、前記M及びNは、K-1以上の値に設定されても良い。 When the target accuracy is K-th order accuracy, the M and N may be set to a value equal to or greater than K−1.
前記音圧ベクトルに関する前記重み係数の総和と、前記微分ベクトルに関する前記重み係数の総和とは、どちらも1に等しくても良い。 Both the sum of the weighting factors for the sound pressure vector and the sum of the weighting factors for the differential vector may be equal to one.
前記微分ベクトルの時間更新式は、第n時間ステップでの前記微分ベクトルの値を、第(n-1)時間ステップでの前記微分ベクトルの値と、第n時間ステップでの前記音圧ベクトルの値と、により定める式であっても良い。 The differential vector time update formula is such that the value of the differential vector at the n-th time step is combined with the value of the differential vector at the (n-1)th time step and the value of the sound pressure vector at the n-th time step. It may be an expression determined by a value.
前記一階常微分方程式は、前記空間を離散化する要素の形状に依存しない数値積分点を用いて計算された質量行列及び剛性行列を含んでも良い。 The first-order ordinary differential equation may include a mass matrix and a stiffness matrix calculated using numerical integration points independent of the shape of the space-discretizing elements.
上記目的を達成するために、本発明の第2の観点に係る音場解析方法は、
解析対象の空間における音圧の分布を示す音圧ベクトルと、前記音圧ベクトルの時間一階微分と等価な微分ベクトルと、に関する一階常微分方程式に基づく時間領域有限要素法を用いて音場を解析する音場解析方法であって、
前記一階常微分方程式において、時間及び空間の離散化誤差に関して目標精度を達成し、且つ、前記離散化誤差に振幅誤差が含まれないように最適化された線形多段法を適用することにより得られる前記音圧ベクトルの時間更新式と、前記一階常微分方程式において、前記微分ベクトルの時間一階微分を差分近似で離散化することにより得られる前記微分ベクトルの時間更新式と、に従って、複数の時間ステップでの前記音圧ベクトルの値を計算する。
In order to achieve the above object, a sound field analysis method according to a second aspect of the present invention comprises:
A sound field is generated using a time domain finite element method based on a first order ordinary differential equation relating to a sound pressure vector indicating the distribution of sound pressure in the space to be analyzed and a differential vector equivalent to the time first order differential of the sound pressure vector. A sound field analysis method for analyzing
Obtained by applying a linear multi-stage method optimized so that the discretization error in time and space does not include an amplitude error and the target accuracy is achieved in the first-order ordinary differential equation and a time update formula for the differential vector obtained by discretizing the time first order differential of the differential vector in the first order ordinary differential equation using difference approximation, according to a plurality of Calculate the value of the sound pressure vector at time steps of .
上記目的を達成するために、本発明の第3の観点に係るプログラムは、
コンピュータを、
解析対象の空間における音圧の分布を示す音圧ベクトルと、前記音圧ベクトルの時間一階微分と等価な微分ベクトルと、に関する一階常微分方程式に基づく時間領域有限要素法を用いて音場を解析する音場解析装置として機能させるプログラムであって、
前記コンピュータを、
前記一階常微分方程式において、時間及び空間の離散化誤差に関して目標精度を達成し、且つ、前記離散化誤差に振幅誤差が含まれないように最適化された線形多段法を適用することにより得られる前記音圧ベクトルの時間更新式と、前記一階常微分方程式において、前記微分ベクトルの時間一階微分を差分近似で離散化することにより得られる前記微分ベクトルの時間更新式と、に従って、複数の時間ステップでの前記音圧ベクトルの値を計算する数値計算部、として機能させる。
In order to achieve the above object, a program according to the third aspect of the present invention,
the computer,
A sound field is generated using a time domain finite element method based on a first order ordinary differential equation relating to a sound pressure vector indicating the distribution of sound pressure in the space to be analyzed and a differential vector equivalent to the time first order differential of the sound pressure vector. A program that functions as a sound field analysis device that analyzes
said computer,
Obtained by applying a linear multi-stage method optimized so that the discretization error in time and space does not include an amplitude error and the target accuracy is achieved in the first-order ordinary differential equation and a time update formula for the differential vector obtained by discretizing the time first order differential of the differential vector in the first order ordinary differential equation using difference approximation, according to a plurality of A numerical calculation unit that calculates the value of the sound pressure vector at time steps of .
本発明によれば、時間領域有限要素法を用いた音場解析において、解析精度を向上させる。 According to the present invention, the accuracy of analysis is improved in sound field analysis using the time domain finite element method.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図中同一又は相当する部分には同一符号を付す。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference numerals are given to the same or corresponding parts in the drawings.
(実施形態)
本実施形態に係る音場解析装置10は、時間領域有限要素法を用いた波動音響数値シミュレーションにより音場を解析し、これにより音響分野における材料や測定法の開発、設計支援等に活用することが可能な装置である。ここで、音場とは、音波が存在する空間を意味する。
(embodiment)
The sound
図1に、音場解析装置10の構成を示す。図1に示すように、音場解析装置10は、制御部11と、記憶部12と、操作部13と、表示部14と、通信部15と、を備える。
FIG. 1 shows the configuration of the sound
制御部11は、音場解析装置10の各部と制御バスを介して接続されており、音場解析装置10全体の動作を統括制御する。具体的に説明すると、制御部11は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)を備える。CPUは、例えばマイクロプロセッサ等であって、様々な処理及び演算を実行する中央演算処理部である。制御部11において、CPUが、ROMに記憶されている制御プログラムを読み出して、RAMをワークメモリとして用いながら、各種の処理を実行する。
The
記憶部12は、フラッシュメモリ、ハードディスク等の不揮発性メモリである。記憶部12は、オペレーションシステム、アプリケーションプログラム等の、制御部11が各種処理を行うために使用するプログラム及びデータを記憶する。また、記憶部12は、制御部11が各種処理を行うことにより生成又は取得するデータを記憶する。
The
操作部13は、キーボード、マウス、ボタン、タッチパッド、タッチパネル等の入力デバイスを備えており、ユーザから操作を受け付ける。ユーザは、操作部13を操作することによって、様々な指示を音場解析装置10に入力することができる。操作部13は、ユーザから入力された操作指示を受け付けると、受け付けた操作指示を制御部11に送信する。
The
表示部14は、液晶ディスプレイ、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ等の表示デバイスを備える。表示部14は、図示しない表示駆動回路によって駆動され、制御部11による制御のもとで様々な画像を表示する。例えば、表示部14は、数値シミュレーションにより音場を解析した結果を表す画像を表示する。
The
通信部15は、音場解析装置10が外部の機器と通信するための通信インタフェースを備える。通信部15は、例えばインターネット等の広域ネットワーク、LAN(Local Area Network)、USB(Universal Serial Bus)等の有線又は無線による通信を介して、外部の機器と通信する。
The
制御部11は、図1に示すように、機能的に、設定受付部110と、数値計算部120と、出力部130と、を備える。制御部11において、CPUがROMに記憶されたプログラムをRAMに読み出して実行することにより、これら各部として機能する。
The
設定受付部110は、音場解析装置10において音場を解析するための設定を受け付ける。ここで、設定は、数値計算部120が数値シミュレーションにより音圧の分布を計算するための条件やパラメータ等であって、具体的には解析対象の空間、境界条件、メッシュ等に関する情報である。設定受付部110は、ユーザが所望の設定を入力するための設定画面を表示部14に表示する。ユーザは、表示部14に表示された設定画面を見ながら、操作部13を操作して、設定を入力する。設定受付部110は、ユーザにより入力された設定を受け付ける。
The
第1に、設定受付部110は、音場解析の目的物である解析対象の空間の設定を受け付ける。具体的に説明すると、設定受付部110は、操作部13を介してユーザから入力された操作に従って、解析対象の空間の次元及び形状の設定を受け付ける。
First, the
例えば、長方形状の2次元平面内における音場を解析する場合、設定受付部110は、解析対象の空間として、長方形状の2次元の空間の設定を受け付ける。或いは、3次元の室内空間内における音場を解析する場合には、設定受付部110は、解析対象の空間として、その室内空間に対応する形状の3次元の空間の設定を受け付ける。
For example, when analyzing a sound field in a rectangular two-dimensional plane, the
第2に、設定受付部110は、境界条件の設定を受け付ける。境界条件は、解析対象の空間を囲む境界に関する条件である。設定受付部110は、操作部13を介してユーザから入力された操作に従って、境界条件として、剛壁境界と振動境界とのうちのいずれかの設定を受け付ける。
Second, the
剛壁境界とは、音響的に剛である境界であって、境界上における粒子の速度が0である境界である。剛壁境界に入射した音波は、吸収されずに完全に反射される。これに対して、振動境界とは、境界上における粒子が振動可能な境界である。 A rigid wall boundary is a boundary that is acoustically rigid and the velocity of particles on the boundary is zero. A sound wave incident on a rigid wall boundary is completely reflected without being absorbed. In contrast, an oscillating boundary is a boundary on which particles can oscillate.
第3に、設定受付部110は、メッシュの設定を受け付ける。ここで、メッシュとは、解析対象の空間を数値的に解析するために、解析対象の空間を四角形等の単純な形状をした複数の有限要素に分割(離散化)したものである。なお、有限要素は、単に“要素”とも呼ぶ。設定受付部110は、操作部13を介してユーザから入力された操作に従って、メッシュを構成する複数の要素の形状及びサイズの設定を受け付ける。
Third, the
図2に、2次元の解析対象の空間20を四角形状の要素で分割した例を示す。解析対象の空間20が2次元である場合、解析対象の空間20は、例えば図2に示すように、1辺の長さhの正方形状の要素によって、横方向にX個、縦方向にY個に分割される。すなわち、解析対象の空間20は、合計(X×Y)個の要素で離散化される。或いは、解析対象の空間が3次元である場合には、図示は省略するが、解析対象の空間は、立方体、直方体等の3次元形状の要素によって、横方向、縦方向及び高さ方向に分割される。
FIG. 2 shows an example in which a two-dimensional
音場解析装置10は、このように離散化された要素の単位で音圧の値を計算することにより、解析対象の空間における音圧の分布を解析する。要素のサイズを小さく設定するほど、空間の離散化に伴う誤差が小さくなるため解析精度が向上するが、計算量が増大する。
The sound
なお、後述するように、本実施形態において、数値計算部120は、要素の形状に依存しない数値積分点を用いて音圧ベクトルpの値を計算する。そのため、要素の形状は、正方形に限らず、任意形状の四辺形であっても良いし、任意形状の六面体であっても良い。
As will be described later, in this embodiment, the
第4に、設定受付部110は、時間刻み幅Δt、総ステップ数Ns、及び外力ベクトルfの設定を受け付ける。時間刻み幅Δtは、解析対象の空間における音波の時間進行を計算するための時間ステップの単位である。時間刻み幅Δtを小さく設定するほど、時間の離散化に伴う誤差が小さくなるため解析精度が向上するが、計算量が増大する。総ステップ数Nsは、解析対象の空間における音波の時間進行を初期状態から何ステップ先まで計算するかを示す値である。数値計算部120は、Δt×Nsの時間区間に亘って、音圧を計算する。外力ベクトルfは、計算開始から計算終了までの時間区間において、解析対象の空間に加えられる外力の分布を示すベクトルである。
Fourth, the
このように、設定受付部110は、時間領域有限要素法により音場を解析するための設定を、操作部13を介してユーザから受け付ける。設定受付部110は、制御部11が操作部13等と協働することにより実現される。
In this manner, the
図1に戻って、数値計算部120は、設定受付部110により受け付けられた設定のもとで、数値計算を実行する。具体的に説明すると、数値計算部120は、解析対象の空間における音圧の分布を示す音圧ベクトルpと、音圧ベクトルpの時間一階微分と等価な微分ベクトルvと、に関する一階常微分方程式から得られる音圧ベクトルpの時間更新式と微分ベクトルvの時間更新式とに従って、複数の時間ステップでの音圧ベクトルpの値を計算する。一階常微分方程式は、(1)式及び(2)式に示したように、質量行列M及び剛性行列Kを含む式である。
Returning to FIG. 1,
ここで、数値計算部120による計算手法について説明する。本実施形態において、数値計算部120は、微分ベクトルvの時間更新式として、背景技術で説明した(4)式を用いる。(4)式は、背景技術で説明したように、(2)式において微分ベクトルvの時間一階微分を1次精度の差分近似で離散化することにより得られる微分ベクトルvの時間更新式である。
Here, a calculation method by the
一方で、数値計算部120は、音圧ベクトルpの時間更新式として、背景技術で説明した(3)式とは異なる時間更新式を用いる。具体的には、数値計算部120は、時間及び空間の離散化誤差に関して目標精度を達成し、且つ、離散化誤差に振幅誤差が含まれないように最適化された線形多段法を適用することにより得られる音圧ベクトルpの時間更新式を用いる。
On the other hand, the
以下、本実施形態における音圧ベクトルpの時間更新式の導出について説明する。数値計算部120は、質量行列M及び剛性行列Kの要素の計算に対して、非特許文献2に開示されている修正積分則を適用する。更に、数値計算部120は、音圧ベクトルpの時間発展を計算するために、線形多段法を適用する。具体的に説明すると、数値計算部120は、音圧ベクトルpの時間更新式として、以下の(5)式により表される陽形式の線形多段時間積分形式の式を用いる。
Derivation of the time update formula for the sound pressure vector p in this embodiment will be described below. The
(5)式において、M,Nは、時間発展の計算に用いる過去の音圧ベクトルp及び微分ベクトルvの時間ステップ数を表す自然数である。(5)式に示すように、音圧ベクトルpの時間更新式は、第n時間ステップでの音圧ベクトルpnの値を、第(n-M)時間ステップから第(n-1)時間ステップでの音圧ベクトルpn-1,pn-2,…,pn-Mの値と、第(n-N)時間ステップから第(n-1)時間ステップの微分ベクトルvn-1,vn-2,…,vn-Nの値と、により定める式である。 In the equation (5), M and N are natural numbers representing the number of time steps of the past sound pressure vector p and differential vector v used to calculate the time evolution. As shown in equation (5), the time update formula for the sound pressure vector p is to change the value of the sound pressure vector p n at the nth time step from the (n−M)th time step to the (n−1)th time step. The values of the sound pressure vectors p n - 1 , p n-2 , . , v n−2 , . . . , v n−N .
また、(5)式において、係数ai,bjは、各時間ステップでの音圧ベクトルp及び微分ベクトルvの値に対する重み係数である。計算の安定性を担保するため、係数ai,bjは、以下の(6)式を満たす必要がある。すなわち、音圧ベクトルpに関する重み係数の総和a1+a2+…+aM、及び微分ベクトルvに関する重み係数の総和b1+b2+…+bNは、どちらも1に等しい。 Also, in equation (5), the coefficients a i and b j are weighting coefficients for the values of the sound pressure vector p and the differential vector v at each time step. In order to ensure stability of calculation, the coefficients a i and b j must satisfy the following equation (6). That is, both the sum a 1 + a 2 + .
(4)、(5)式におけるM及びNの値、すなわち第n時間ステップでの音圧ベクトルpn及び微分ベクトルvnを計算するための過去の時間ステップ数は、達成すべき離散化誤差の精度に応じて設定される。具体的に説明すると、時間及び空間の離散化誤差の目標精度としてK次の精度(Kは自然数)を達成する場合、M及びNの値はK-1以上であることが必要となる。 The values of M and N in equations (4) and (5), i.e. the number of past time steps for calculating the sound pressure vector p n and differential vector v n at the nth time step, are the discretization error to be achieved is set according to the accuracy of Specifically, in order to achieve the K-th order accuracy (K is a natural number) as the target accuracy of the discretization error in time and space, the values of M and N must be K−1 or more.
一例として、離散化誤差に関して4次精度を達成する場合、M≧3且つN≧3が必要である。以下では、M=N=3である場合を例にとって説明する。M=N=3である場合、(4)式を用いて(5)式から各時間ステップの微分ベクトルvを消去すると、以下の(7)式が導かれる。このとき、(4)式における外力ベクトルfnの項は除いている。 As an example, if we want to achieve fourth order accuracy for the discretization error, we need M≧3 and N≧3. A case where M=N=3 will be described below as an example. When M=N=3, the following equation (7) is derived by eliminating the differential vector v of each time step from equation (5) using equation (4). At this time, the term of the external force vector fn in the equation (4) is removed.
離散化誤差が振幅誤差を含まないための条件として、重み係数ai,bjは、離散化誤差に虚部が含まれない値に最適化される必要がある。具体的には、時刻nでの音圧ベクトルを中心に音圧ベクトルの係数が対称となる場合に、離散化誤差に虚部が含まれない。すなわち、M=N=3の場合、離散化誤差が振幅誤差を含まないための条件として、(7)式の前半部におけるpn+2の係数1とpn-2の係数a3とが等しく、pn+1の係数(a1+1)とpn-1の係数(a3-a2)が等しく、且つ、(7)式の後半部におけるpn+1の係数b1とpn-1の係数b3が等しい必要がある。そのため、以下の(8)式を満たす必要がある。
As a condition for the discretization error to contain no amplitude error, the weighting coefficients a i and b j must be optimized to values that do not contain imaginary parts in the discretization error. Specifically, when the coefficients of the sound pressure vector are symmetrical about the sound pressure vector at time n, the imaginary part is not included in the discretization error. That is, when M=N=3, the condition for the discretization error not to include the amplitude error is that the
(6)、(8)式より、以下の(9)式が定まる。 The following equation (9) is determined from equations (6) and (8).
(9)式より、(7)式は以下の(10)式のように表される。 From the expression (9), the expression (7) is expressed as the following expression (10).
ここで、要素サイズhの立方体要素で離散化された自由空間中の平面波伝搬を仮定し、(10)式の分散特性を評価する。3次元音場における時間領域の平面波は、以下の(11)式で表される。なお、分散特性の評価の詳細は、例えば“Takeshi Okuzono, Takumi Yoshida, Kimihiro Sakagami, Toru Otsuru, An explicit time-domain finite element method for room acoustics simulations: Comparison of the performance with implicit methods, Applied Acoustics, 104, 76?84(2016)”に開示されている。 Here, assuming plane wave propagation in free space discretized by cubic elements of element size h, the dispersion characteristics of equation (10) are evaluated. A plane wave in the time domain in a three-dimensional sound field is represented by the following equation (11). For details of evaluation of dispersion characteristics, see, for example, “Takeshi Okuzono, Takumi Yoshida, Kimihiro Sakagami, Toru Otsuru, An explicit time-domain finite element method for room acoustics simulations: Comparison of the performance with implicit methods, Applied Acoustics, 104, 76-84 (2016)”.
(11)式において、kは波数を表し、ωは角周波数を表す。また、θ及びφは、球座標系における仰角及び方位角を表す。また、iは虚数単位である。(11)式より、(10)式は以下の(12)式のように表される。 (11), k represents the wavenumber and ω represents the angular frequency. θ and φ represent elevation and azimuth angles in a spherical coordinate system. Also, i is an imaginary unit. From the expression (11), the expression (10) is expressed as the following expression (12).
(12)式より、以下の(13)式で表される分散関係式が得られる。なお、(13)式におけるMc,Kcは、以下の(14)、(15)、(16)式のように表される。 From the equation (12), a dispersion relational expression expressed by the following equation (13) is obtained. Note that M c and K c in the formula (13) are expressed as the following formulas (14), (15), and (16).
(13)式において、ch,khはそれぞれ数値的な音速と波数を表す。また、(14)式と(15)式において、αm,αkはそれぞれ質量行列Mと剛性行列Kの要素行列の数値積分に用いる積分点である。空間4次精度を達成するためには、以下の(17)式に示す数値積分点を使用する。(17)式に示す数値積分点は、非特許文献3に開示された、解析対象の空間を離散化する要素の形状に依存しない数値積分点である。
In equation (13), ch and k h represent the numerical sound velocity and wave number, respectively. In equations (14) and (15), α m and α k are integration points used for numerical integration of the element matrices of the mass matrix M and stiffness matrix K, respectively. To achieve spatial fourth-order accuracy, the numerical integration points shown in equation (17) below are used. The numerical integration point shown in Equation (17) is a numerical integration point that does not depend on the shape of the elements that discretize the space to be analyzed, as disclosed in
(17)式の積分点を使用し、(13)式をkhについてテイラー展開すると、分散誤差(離散化誤差)を表す式として、以下の(18)式が得られる。 By Taylor-expanding the equation (13) with respect to k h using the integration points of the equation (17), the following equation (18) is obtained as an equation representing the dispersion error (discretization error).
従って、目標精度として時間4次精度を達成するためには、(18)式において、波数kに関する3次以下の項が0になれば良い。そのため、b1が以下の(19)式で示される値となれば良い。 Therefore, in order to achieve the fourth-order temporal accuracy as the target accuracy, it is sufficient that the third-order or lower terms related to the wave number k become zero in the equation (18). Therefore, it suffices if b1 becomes a value indicated by the following equation (19).
(19)式を用いた陽的な時間領域有限要素法の5次の項までの分散誤差(離散化誤差)は、以下の(20)式のように表される。なお、(20)式において、Aの値は、以下の(21)式のように表される。 The variance error (discretization error) up to the fifth-order term of the explicit time domain finite element method using the equation (19) is expressed as the following equation (20). In addition, in the equation (20), the value of A is expressed as in the following equation (21).
(20)式は、(19)式のパラメータを用いた陽的な時間領域有限要素法が時間及び空間で4次精度を達成することを示している。また、(20)式は虚部を持たないため、振幅誤差は発生しない。なお、(13)式は(8)式の条件により虚部を含まない実関数となるため、本実施形態の手法は6次以上の分散誤差においても虚部は現れない。なお、振幅誤差を含む修正Adams法の3次元解析における分散誤差(離散化誤差)は、以下の(22)式のように計算される。 Equation (20) shows that the explicit time-domain finite element method using the parameters of equation (19) achieves fourth order accuracy in time and space. Also, since the equation (20) does not have an imaginary part, no amplitude error occurs. Note that the equation (13) becomes a real function that does not include the imaginary part due to the condition of the equation (8), so the method of the present embodiment does not show the imaginary part even in the dispersion error of the sixth order or higher. Note that the dispersion error (discretization error) in the three-dimensional analysis of the modified Adams method including the amplitude error is calculated by the following equation (22).
(22)式における分散誤差は、5次の項で虚数の項である虚部が現れている。そのため、振幅誤差が発生することが分かる。また、(20)、(22)式より、本実施形態の手法と修正Adams法とは、共に時間及び空間で4次精度を達成する。本実施形態の手法は、数値分散に関して修正Adams法と同等の性能をもつことが分かる。 In the variance error in the equation (22), an imaginary part, which is an imaginary term, appears in the quintic term. Therefore, it can be seen that an amplitude error occurs. Also, from equations (20) and (22), both the method of the present embodiment and the modified Adams method achieve fourth-order accuracy in time and space. It can be seen that the method of the present embodiment has performance equivalent to the modified Adams method with respect to numerical variance.
数値計算部120は、このようにして導出された音圧ベクトルpの時間更新式である(5)式の重み係数ai,bjに(9)、(19)式の値が代入された式と、微分ベクトルvの時間更新式である(4)式と、に従って、複数の時間ステップでの音圧ベクトルpの値を計算する。
The
図3に、数値計算部120のより詳細な構成を示す。図3に示すように、数値計算部120は、行列設定部121と、音圧ベクトル計算部123と、微分ベクトル計算部125と、繰り返し部127と、の機能を有する。
FIG. 3 shows a more detailed configuration of the
行列設定部121は、(5)式と(4)式とに含まれる質量行列M、剛性行列K、及び対角質量行列Dを設定する。質量行列M、剛性行列K、及び対角質量行列Dは、解析対象の空間を離散化する要素の数に対応するサイズの行列であって、各行列に含まれる要素の値は、解析対象の空間の次元及び形状と、離散化する要素の形状と、に依存して定められる。そのため、行列設定部121は、設定受付部110によりユーザから受け付けられた設定に応じて、質量行列M、剛性行列K、及び対角質量行列Dを設定する。これにより、行列設定部121は、音圧ベクトルp及び微分ベクトルvの時間更新式を確立する。
The
より詳細には、行列設定部121は、非特許文献2に開示された修正積分則を適用する。すなわち、行列設定部121は、(17)式に示した解析対象の空間を離散化する要素の形状に依存しない数値積分点αm及びαkを用いて、質量行列M及び剛性行列Kを計算する。具体的に説明すると、行列設定部121は、数値積分点αm及びαkを用いて、Gauss-Legendre求積法により要素質量行列Me及び要素剛性行列Keを計算し、質量行列M及び剛性行列Kを設定する。
More specifically, the
ここで、数値積分点αm及びαkから要素質量行列Me及び要素剛性行列Keを計算し、更に質量行列M及び剛性行列Kを得る手法は、非特許文献1,2等に開示されている周知の手法を用いることができる。また、行列設定部121は、非特許文献1,2等に開示されている周知の手法を用いて、対角行列である要素対角質量行列Deを計算し、対角質量行列Dを設定する。
Here, the method of calculating the element mass matrix M e and the element stiffness matrix K e from the numerical integration points α m and α k and further obtaining the mass matrix M and the stiffness matrix K are disclosed in
音圧ベクトル計算部123は、音圧ベクトルpの時間更新式である(5)式の重み係数ai,bjに(9)、(19)式の値が代入された式に従って、第n時間ステップでの音圧ベクトルpnを計算する。ここで、第n時間ステップでの音圧ベクトルpnは、解析対象の空間に設定された複数の要素のそれぞれにおける、計算開始時点からn番目の時間ステップでの音圧の値を要素として有するベクトルである。 The sound pressure vector calculation unit 123 calculates the n -th Compute the sound pressure vector p n at the time step. Here, the sound pressure vector p n at the n-th time step has as elements the value of the sound pressure at the n-th time step from the start of calculation in each of the plurality of elements set in the space to be analyzed. is a vector.
上述したように、(5)式は、第n時間ステップでの音圧ベクトルpnの値を、第(n-M)時間ステップから第(n-1)時間ステップでの音圧ベクトルpn-M~pn-1の値と、第(n-N)時間ステップから第(n-1)時間ステップの微分ベクトルvn-N~vn-1の値とを、離散化誤差に虚部が含まれない値に最適化された重み係数ai,bjを乗じた上で加算することにより計算する式である。従って、音圧ベクトル計算部123は、第n時間ステップでの音圧ベクトルpnの値を、第(n-M)時間ステップから第(n-1)時間ステップでの音圧ベクトルpn-1,pn-2,…,pn-Mの値と、第(n-N)時間ステップから第(n-1)時間ステップの微分ベクトルvn-1,vn-2,…,vn-Nの値と、から計算する。具体的に、N=M=3の場合は、音圧ベクトル計算部123は、第n時間ステップでの音圧ベクトルpnの値を、音圧ベクトルpn-1,pn-2,pn-3の値と微分ベクトルvn-1,vn-2,vn-3の値とから計算する。
As described above, equation (5) expresses the value of the sound pressure vector p n at the n-th time step as the sound pressure vector p n −M ~ p n-1 and the values of differential vectors v n-N ~ v n-1 from the (nN)th time step to the (n-1)th time step are imaginary to the discretization error. It is an expression for calculating by multiplying optimized weighting coefficients a i and b j to values that do not include parts and then adding them. Therefore, the sound
微分ベクトル計算部125は、微分ベクトルvの時間更新式である(4)式に従って、第n時間ステップでの微分ベクトルvnを計算する。ここで、第n時間ステップでの微分ベクトルvnは、解析対象の空間に設定された複数の要素のそれぞれにおける、計算開始時間ステップからn番目の時間ステップでの音圧の時間一階微分に相当する値を要素として有するベクトルである。
The
上述したように、(4)式は、第n時間ステップでの微分ベクトルvnの値を、第(n-1)時間ステップでの微分ベクトルvn-1の値と、第n時間ステップでの音圧ベクトルpnの値と、により定める式である。従って、微分ベクトル計算部125は、第n時間ステップでの微分ベクトルvnの値を、第(n-1)時間ステップでの微分ベクトルvn-1の値と、第n時間ステップでの音圧ベクトルpnの値と、から計算する。
As described above, the equation (4) is obtained by dividing the value of the differential vector vn at the nth time step into the value of the differential vector vn−1 at the (n−1)th time step and the value of the differential vector vn −1 at the nth time step and the value of the sound pressure vector pn . Therefore, the
繰り返し部127は、nの値を1ずつ増加させながら、音圧ベクトル計算部123により第n時間ステップでの音圧ベクトルpnの値を計算する処理と、微分ベクトル計算部125により第n時間ステップでの微分ベクトルvnの値を計算する処理と、を繰り返す。具体的に説明すると、繰り返し部127は、nの値を1から総ステップ数Nsに達するまで変化させながら、n=kのときの音圧ベクトルpk及び微分ベクトルvkの値を、n=k-1~k-Mのときに計算された音圧ベクトルpk-1~pk-Mの値と、n=k-1~k-Nのときに計算された微分ベクトルvk-1~vk-Nの値と、を用いて計算する。これにより、繰り返し部127は、第1時間ステップから第Ns時間ステップまでの複数の時間ステップにおける音圧ベクトルp1~pNs及び微分ベクトルv1~vNsの値を計算する。
The
なお、n=1のときの音圧ベクトルpn-1~pn-Mと微分ベクトルvn-1~vn-N、n=2のときの音圧ベクトルpn-2~pn-Mと微分ベクトルvn-2~vn-N、…等は、定義されていない。そのため、これらのベクトルの値は、初期条件として0等の適当な値に予め設定しておく。その上で、繰り返し部127は、(5)式及び(4)式に従って音圧ベクトルpn及び微分ベクトルvnを計算する。
Sound pressure vectors p n-1 to p n-M and differential vectors v n-1 to v n-N when n=1, and sound pressure vectors p n-2 to p n- when n=2 M and derivative vectors v n−2 to v n−N , . . . etc. are not defined. Therefore, the values of these vectors are preset to appropriate values such as 0 as initial conditions. Then, the
このようにして、数値計算部120は、解析対象の空間における音圧の分布を示す音圧ベクトルpとその時間一階微分と等価な微分ベクトルvとを1ステップずつ計算することにより、音波の時間進行を解析する。数値計算部120は、制御部11が記憶部12等と協働することにより実現される。
In this way, the
図1に戻って、出力部130は、数値計算部120により計算された複数の時間ステップでの音圧ベクトルpに基づく出力情報を出力する。複数の時間ステップでの音圧ベクトルpに基づく出力情報とは、数値計算部120による数値計算により得られた第1時間ステップから第Ns時間ステップまでの音圧ベクトルp1~pNsに基づいて表現することが可能な情報である。出力部130は、出力情報として、音圧の時間変化と、音圧の空間分布と、のうちの少なくとも一方を表す情報を出力する。
Returning to FIG. 1 , the
例えば、図4に示すように、出力部130は、出力情報として、解析対象の空間内の特定の位置における音圧の時間変化を示す情報を表示部14に表示出力する。出力部130は、数値計算部120により計算された第1時間ステップから第Ns時間ステップまでの音圧ベクトルp1~pNsに含まれる音圧の値のうちの、ユーザにより指定された位置の音圧の値を時系列順に並べる。これにより、出力部130は、特定の位置における音圧の時間変化を表す画像を生成し、図4に示すように表示部14に表示出力する。
For example, as shown in FIG. 4, the
別の例として、図5に示すように、出力部130は、出力情報として、特定の時間ステップでの解析対象の空間における音圧の空間分布を示す情報を表示部14に表示出力する。出力部130は、数値計算部120により計算された第1時間ステップから第Ns時間ステップまでの音圧ベクトルp1~pNsに含まれる音圧の値のうちの、ユーザにより指定された時間ステップにおける音圧ベクトルの値を、空間分布を表すように並べる。これにより、出力部130は、特定の時間ステップでの音圧の空間分布を表す画像を生成し、図5に示すように表示部14に表示出力する。なお、図5では、例として1次元方向(縦方向、横方向等)の分布を表す画像を表示しているが、出力部130は、音圧の2次元又は3次元の分布を表す画像を表示しても良い。
As another example, as shown in FIG. 5, the
或いは、出力部130は、音圧の時間変化と空間分布とをどちらも出力しても良い。例えば、出力部130は、解析対象の空間内を音波がどのように伝わるかを可視化するために、音圧の空間分布の複数の時間ステップにおける時間変化を表す動画像を生成し、表示部14に表示出力しても良い。ユーザは、このように表示部14に表示された音圧の時間変化や空間分布を確認することで、解析対象の空間内で音波がどのように伝搬又は分布するかの情報を得ることができる。
Alternatively, the
更には、時間変化や空間分布以外にも、出力部130は、出力情報として、解析対象の空間の音響特性を表す音響パラメータ(例えば残響時間)を出力しても良い。出力部130に出力情報としてどのような情報を出力させるかは、ユーザが操作部13を介して適宜設定することができる。出力部130は、制御部11が表示部14等と協働することにより実現される。
Furthermore, the
以上のように構成される音場解析装置10によって実行される音場解析処理の流れについて、図6に示すフローチャートを参照して説明する。図6に示す音場解析処理は、音場解析装置10が音場解析処理を実行可能な状態において、ユーザからの指示入力に従って適宜開始される。
The flow of sound field analysis processing executed by the sound
音場解析処理を開始すると、制御部11は、設定受付部110として機能し、音場解析における条件及びパラメータの設定を受け付ける(ステップS11)。具体的に説明すると、制御部11は、解析対象の空間の次元及び形状、境界条件、要素の形状及びサイズ、時間刻み幅Δt、総ステップ数Ns、外力ベクトルf等の設定を、操作部13を介してユーザから受け付ける。
When the sound field analysis process is started, the
設定を受け付けると、制御部11は、行列設定部121として機能し、質量行列M、剛性行列K、及び対角質量行列Dを設定する(ステップS12)。制御部11は、非特許文献3と同様に、数値積分点αm及びαkとして、要素の形状に依存しない値である“αm=±√(4/3)”及び“αk=±√(2/3)”を用いる。そして、制御部11は、数値積分点αm及びαkからそれぞれ要素質量行列Me及び要素剛性行列Keを計算し、質量行列M及び剛性行列Kを設定する。
Upon receiving the settings, the
質量行列M、剛性行列K、及び対角質量行列Dを設定すると、制御部11は、nの値を1に初期化する(ステップS13)。そして、制御部11は、nの値を増加させながら、音圧ベクトルp及び微分ベクトルvを1ステップ毎に計算する処理に移行する。
After setting the mass matrix M, the stiffness matrix K, and the diagonal mass matrix D, the
第1に、制御部11は、音圧ベクトル計算部123として機能し、音圧ベクトルpnを計算する(ステップS14)。具体的に説明すると、制御部11は、第(n-M)時間ステップから第(n-1)時間ステップでの音圧ベクトルpn-1,pn-2,…,pn-Mの値と、第(n-N)時間ステップから第(n-1)時間ステップの微分ベクトルvn-1,vn-2,…,vn-Nの値とを、重み係数ai,bjが最適化された(5)式に代入することにより、第n時間ステップでの音圧ベクトルpnを計算する。
First, the
音圧ベクトルpnを計算すると、制御部11は、第2に、微分ベクトル計算部125として機能し、微分ベクトルvnを計算する(ステップS15)。具体的に説明すると、制御部11は、第(n-1)時間ステップでの微分ベクトルvn-1と、第n時間ステップでの外力ベクトルfnと、ステップS14で計算された第n時間ステップでの音圧ベクトルpnと、を(4)式に代入することにより、第n時間ステップでの微分ベクトルvnを計算する。
After calculating the sound pressure vector pn , the
微分ベクトルvnを計算すると、制御部11は、nの値が総ステップ数Nsよりも小さいか否かを判定する(ステップS16)。nの値が総ステップ数Nsよりも小さい場合(ステップS16;YES)、制御部11は、nの値をインクリメントする(ステップS17)。そして、制御部11は、繰り返し部127として機能し、処理をステップS14に戻してステップS14~S16の処理を再び実行する。
After calculating the differential vector vn, the
具体的に説明すると、制御部11は、インクリメント前のnの値で既に計算された音圧ベクトルpnと微分ベクトルvnを用いて、インクリメント後のnの値における音圧ベクトルpnと微分ベクトルvnを計算する。そして、制御部11は、nの値が総ステップ数Nsに達したか否かを判定し、nの値が総ステップ数Nsに達していない場合、nの値をインクリメントして再びステップS14~S16の処理を実行する。このようにして、制御部11は、nの値が総ステップ数Nsに達するまで、nの値を1ずつ増加させながら音圧ベクトルpnと微分ベクトルvnを計算することで、解析対象の空間における音波の時間進行を計算する。
Specifically, the
最終的に、nの値が総ステップ数Nsに達すると(ステップS16;NO)、制御部11は、出力部130として機能し、計算結果を出力する(ステップS18)。例えば、制御部11は、ステップS14~S16の処理を繰り返すことで計算された音圧ベクトルp1~pNsにより表現される音波の時間波形や音圧分布を示す画像を生成する。そして、制御部11は、図4及び図5に示したように、音圧の時間変化や空間分布を示す画像を表示部14に表示する。
Finally, when the value of n reaches the total number of steps Ns (step S16; NO), the
以上説明したように、本実施形態に係る音場解析装置10は、離散化誤差に関して目標精度を達成し、且つ、離散化誤差に振幅誤差が含まれないように最適化された線形多段法を適用することにより得られる音圧ベクトルpの時間更新式と、微分ベクトルvの時間一階微分を差分近似で離散化することにより得られる微分ベクトルvの時間更新式と、に従って、複数の時間ステップでの音圧ベクトルpの値を計算する。これにより、本実施形態に係る音場解析装置10は、振幅誤差の発生を抑制することができ、解析精度を向上させることができる。
As described above, the sound
特に、時間領域有限要素法では、時間及び空間の離散化に起因する誤差である離散化誤差が生じる。そのため、離散化誤差を抑えて計算結果を妥当なものにするためには、解析対象となる音波の波長に比べて十分に細かいメッシュが必要となる。しかしながら、可聴域の音波を解析対象とする場合、非常に細かい計算メッシュが必要となり、演算負荷が大きくなる。従って、音響分野で計算力学的手法を活用するためには、比較的粗い離散化でも誤差を抑えることができ、且つ、妥当な計算が実施できる計算アルゴリズムを開発することで、計算効率を向上させることが重要となる。 In particular, the time domain finite element method produces a discretization error, which is an error due to the discretization of time and space. Therefore, in order to suppress the discretization error and make the calculation results reasonable, a sufficiently finer mesh than the wavelength of the sound wave to be analyzed is required. However, when analyzing sound waves in the audible range, a very fine computational mesh is required, increasing the computational load. Therefore, in order to utilize computational mechanics methods in the field of acoustics, it is necessary to improve computational efficiency by developing a computational algorithm that can suppress errors even with relatively coarse discretization and perform appropriate computations. is important.
非特許文献3に開示された修正Adams法は、任意形状の要素を扱うことができ、且つ、時間及び空間の離散化誤差を4次精度で低減することができるが、振幅誤差を含んでいる。しかしながら、修正Adams法は、振幅誤差を含んでいる。そのため、例えば建築音響の代表なパラメータである残響時間を予測する場合のように、高周波数の音波伝搬を長時間にわたって予測する場合に、予測精度の悪化等をもたらす。これに対して、本実施形態の手法は、修正Adams法と同等に、時間及び空間で4次精度を達成する。その上で、本実施形態の手法は、修正Adams法における問題点である振幅誤差を含まない。そのため、本実施形態に係る音場解析装置10は、より汎用性の高い手法で高精度に音場を解析することができる。
The modified Adams method disclosed in
(数値実験)
次に、上記実施形態に係る音場解析装置10によって音圧をどの程度精度良く推定できるかを数値実験により評価した。これにより、上記実施形態に係る音場解析装置10による精度改善の効果を検証した。
(Numerical experiment)
Next, numerical experiments were conducted to evaluate how accurately the sound pressure can be estimated by the sound
図7に、数値実験において解析対象の空間として使用したモデルを示す。数値実験では、図7に示すように、長さ100m、幅0.02mの細長い管内を平面波が伝搬する幾何学的な減衰のない音場を解析対象とした。管のx=0mにおける面は、上限周波数4.5kHzのガウシアンパルスを与えることで振動面とした。更に、管のx=0mにおける面は、空気の特性インピーダンスを与えることで吸収境界とした。 FIG. 7 shows the model used as the space to be analyzed in the numerical experiments. In the numerical experiment, as shown in FIG. 7, a geometrically unattenuated sound field in which a plane wave propagates in a long and narrow pipe with a length of 100 m and a width of 0.02 m was analyzed. The plane of the tube at x=0 m was vibrated by applying a Gaussian pulse with an upper limit frequency of 4.5 kHz. In addition, the plane at x=0 m of the tube was taken as an absorbing boundary by giving it the characteristic impedance of air.
このような管状のモデルにおけるx=1~60mの範囲の0.2s間の時間応答を、実施形態の手法と修正Adams法とによりそれぞれ計算した。ここで、要素長は0.01mとした。また、時間刻み幅は、実施形態の手法及び修正Adams法でそれぞれ1/71000s,1/94000sとした。解析結果を離散フーリエ変換により周波数応答に変換して、音圧レベルを計算した。 The time response for 0.2 s in the range of x=1 to 60 m in such a tubular model was calculated by the method of the embodiment and the modified Adams method, respectively. Here, the element length was set to 0.01 m. Also, the time step size was set to 1/71000 s and 1/94000 s for the method of the embodiment and the modified Adams method, respectively. The sound pressure level was calculated by transforming the analysis result into a frequency response by discrete Fourier transform.
本数値実験において、音源であるx=0mの面からxm離れた点の数値的な振幅誤差en(x)を、下記(23)式のように定義する。(23)式において、Ln(x)は、管内における音源からxm離れた地点における音圧レベルの数値解である。具体的には、振幅誤差en(x)を、管内における音源から1m地点における音圧レベルLn(1)と音源からxm地点における音圧レベルLn(x)との差として定義する。 In this numerical experiment, the numerical amplitude error e n (x) at a point xm away from the plane of x=0m, which is the sound source, is defined as in the following equation (23). (23), L n (x) is the numerical solution for the sound pressure level at a point xm away from the sound source in the pipe. Specifically, the amplitude error e n (x) is defined as the difference between the sound pressure level L n (1) at a point 1 m from the sound source in the pipe and the sound pressure level L n (x) at a point x m from the sound source.
図8に、実施形態の手法と修正Adams法とのそれぞれを用いて計算した4.5kHzの音波に含まれる振幅誤差en(x)を比較して示す。図8において実線で示すように、修正Adams法では、0.2s間程度の音波伝搬にもかかわらず4dB以上の振幅誤差が発生している。この振幅誤差を0.5dB以下にするためには,時間刻み幅を1/142000s以下とする必要がある。 FIG. 8 shows a comparison of the amplitude error e n (x) included in the 4.5 kHz sound wave calculated using the method of the embodiment and the modified Adams method. As indicated by the solid line in FIG. 8, in the modified Adams method, an amplitude error of 4 dB or more occurs despite sound wave propagation for about 0.2 s. In order to reduce this amplitude error to 0.5 dB or less, it is necessary to reduce the time step width to 1/142000 s or less.
一方で、実施形態の手法では、図8において破線で示すように、振幅誤差が発生していない。従って、実施形態の手法で計算された4.5kHz音波が振幅誤差を含まないことが、細長い管中の平面波伝搬の数値シミュレーションにより検証された。 On the other hand, according to the method of the embodiment, no amplitude error occurs, as indicated by the dashed line in FIG. Therefore, it was verified by numerical simulations of plane wave propagation in an elongated tube that the 4.5 kHz sound waves calculated by the method of the embodiment do not contain amplitude errors.
このような数値実験の結果から、同一精度の解析の場合、実施形態の手法は修正Adams法と比べて2倍程度の時間ステップ数を用いて2倍速い計算時間で計算できることが分かった。このアドバンテージは、解析周波数が高くなるほど、解析時間長が長くなるほど大きくなる。 From the results of such numerical experiments, it was found that, in the case of analysis with the same accuracy, the method of the embodiment can perform calculations in twice as fast calculation time using approximately twice as many time steps as the modified Adams method. This advantage increases as the analysis frequency increases and as the analysis time length increases.
(変形例)
以上に本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は一例であり、本発明の適用範囲はこれに限られない。すなわち、本発明の実施形態は種々の応用が可能であり、あらゆる実施の形態が本発明の範囲に含まれる。
(Modification)
Although the embodiment of the present invention has been described above, the above embodiment is an example, and the scope of application of the present invention is not limited to this. That is, the embodiments of the present invention can be applied in various ways, and all embodiments are included in the scope of the present invention.
例えば、上記実施形態では、(4)、(5)式におけるM及びNの値が3である場合、すなわち時間及び空間の離散化誤差に関して4次精度を達成する場合を例にとって説明した。しかしながら、M及びNの値は、達成すべき精度に応じて任意の値に設定することができる。 For example, in the above embodiment, the case where the values of M and N in equations (4) and (5) are 3, that is, the case where fourth-order accuracy is achieved with respect to time and space discretization errors has been described as an example. However, the values of M and N can be set to any value depending on the accuracy to be achieved.
M及びNの値が任意である場合、音圧ベクトルpの時間更新式である(5)式における重み係数ai,bjは、M及びNの値に応じて、離散化誤差に関して目標精度を達成し、且つ、離散化誤差に振幅誤差が含まれない値に最適化される。離散化誤差に振幅誤差が含まれないためには、(5)式から微分ベクトルvn-1,vn-2,…,vn-Nを消去された式(M=N=3の場合における(7)式)において、時間ステップnを原点として、音圧ベクトルの係数が対称となる必要がある。具体的には、重み係数ai(i=1,2,…,M)は、条件“aM=1,a1=-aM-1,a2=-aM-2,…”を満たし、且つ、重み係数bj(j=1,2,…,N)は、条件“b1=bN,b2=bN-1,…”を満たす必要がある。また、目標精度がK次の精度である場合、離散化誤差の式(M=N=3の場合における(18)式)において、波数kに関するK-1次以下の項が0に等しくなるという条件を満たす必要がある。重み係数ai,bjは、これらの条件を満たし、更に安定性の条件である(6)式の条件を満たす値に最適化される。 When the values of M and N are arbitrary, the weighting coefficients a i and b j in equation (5), which is the time update equation for the sound pressure vector p, are adjusted according to the values of M and N to achieve the target accuracy and the discretization error is optimized to a value that does not include the amplitude error. In order not to include the amplitude error in the discretization error, the differential vectors v n−1 , v n −2 , . (7)), the coefficients of the sound pressure vector need to be symmetrical with the time step n as the origin. Specifically, the weight coefficients a i ( i = 1 , 2 , . and the weighting coefficients b j (j = 1 , 2 , . In addition, when the target accuracy is K-th order accuracy, in the discretization error formula (Equation (18) in the case of M = N = 3), the terms of the K-1th order or lower related to the wave number k are equal to 0 must meet the conditions. The weighting coefficients a i and b j are optimized to values that satisfy these conditions as well as the stability condition of equation (6).
また、設定受付部110が、離散化誤差の目標精度の設定をユーザから受け付けて、受け付けた目標精度に応じてM及びNの値を設定しても良い。例えば、受け付けた目標精度がK次の精度である場合、設定受付部110は、M及びNの値を、K-1以上の値に設定する。この場合、数値計算部120は、設定受付部110により設定されたM及びNの値に応じて、音圧ベクトルpの時間更新式を設定する。そして、数値計算部120は、設定した音圧ベクトルpの時間更新式と、(4)式に示した微分ベクトルvの時間更新式とに従って、音圧ベクトルpの時間発展を計算する。
Alternatively, the
また、M及びNを大きな値に設定しなくても、数値積分点αm,αkと重み係数ai,bjとを最適化することにより、分散誤差(離散化誤差)の低減が可能である。具体的に説明すると、例えばM=N=3である場合において、特定の周波数(波数)において分散誤差が最小となる数値積分点αm,αkを用いた上で、その特定の周波数において分散誤差が最小となるように、言い換えると分散誤差における各次数の値が打ち消し合うように、重み係数ai(i=1,2,…,M)及び重み係数bj(j=1,2,…,N)を最適化しても良い。これにより、M及びNが低次の値のままでも、特定の周波数における分散誤差を著しく低減することができる。 In addition, even if M and N are not set to large values, it is possible to reduce the variance error (discretization error) by optimizing the numerical integration points α m and α k and the weighting coefficients a i and b j . is. Specifically, when M=N=3, for example, numerical integration points α m and α k at which the dispersion error is minimized at a specific frequency (wavenumber) are used, and then dispersion The weighting coefficients a i (i=1, 2, . . . , M) and the weighting coefficients b j (j=1, 2, , N) may be optimized. This can significantly reduce the dispersion error at a particular frequency, even with low order values of M and N.
上記実施形態では、(4)式に示した微分ベクトルvの時間更新式は、微分ベクトルvの時間一階微分を1次精度の後退差分近似で離散化することにより得られた。しかしながら、微分ベクトルvの時間一階微分は、これ以外の手法で離散化されても良い。 In the above embodiment, the time update formula for the differential vector v shown in Equation (4) is obtained by discretizing the time first-order differential of the differential vector v by backward difference approximation with first-order accuracy. However, the time first-order differential of the differential vector v may be discretized by other methods.
上記実施形態では、設定受付部110は、境界条件として、剛壁境界と振動境界とのいずれかの設定を受け付けた。しかしながら、設定受付部110は、境界条件として、インピーダンス境界の設定を受け付けても良い。ここで、インピーダンス境界とは、音響インピーダンスを有する境界である。インピーダンス境界に入射した音波は、その境界の音響インピーダンス値znに応じた吸収率で吸収される。そのため、音波は、インピーダンス境界で反射することにより減衰する。
In the above embodiment, the
解析対象の空間を囲む境界のうちの少なくとも一部にインピーダンス境界が含まれる場合、インピーダンス境界で反射された音波の減衰を評価するため、(2)式に示した一階常微分方程式には、減衰行列Cを含む減衰項が必要になる。そのため、音圧ベクトル計算部123は、(4)式の代わりに、減衰項が含まれる形式に変形された式に従って、微分ベクトルvnを計算する。
When at least a part of the boundaries surrounding the space to be analyzed includes an impedance boundary, in order to evaluate the attenuation of the sound wave reflected by the impedance boundary, the first-order ordinary differential equation shown in equation (2) is: A damping term containing the damping matrix C is required. Therefore, the sound pressure
上記実施形態では、音場解析装置10は、表示部14を備えており、出力部130は、数値計算部120により計算された複数の時間ステップでの音圧ベクトルpに基づく出力情報を表示部14に表示出力した。しかしながら、出力部130は、通信部15による通信を介して、出力情報を音場解析装置10の外部の装置に出力しても良い。そして、外部の装置が、例えば図4又は図5に示したように、出力部130から出力された出力情報を表示するようにしても良い。このように出力情報が外部の装置に出力される場合には、音場解析装置10は、表示部14を備えていなくても良い。
In the above embodiment, the sound
上記実施形態では、音場解析装置10の制御部11において、CPUがROM又は記憶部12に記憶されたプログラムを実行することによって、設定受付部110、数値計算部120及び出力部130のそれぞれとして機能した。しかしながら、制御部11は、専用のハードウェアであってもよい。専用のハードウェアとは、例えば単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、これらの組み合わせ等である。制御部11が専用のハードウェアである場合、各部の機能それぞれを個別のハードウェアで実現してもよいし、各部の機能をまとめて単一のハードウェアで実現してもよい。また、各部の機能のうち、一部を専用のハードウェアによって実現し、他の一部をソフトウェア又はファームウェアによって実現してもよい。このように、制御部11は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又は、これらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。
In the above-described embodiment, in the
本発明に係る音場解析装置の動作を規定する動作プログラムを既存のパーソナルコンピュータ、情報端末装置等に適用することで、当該パーソナルコンピュータ又は情報端末装置等を、本発明に係る音場解析装置として機能させることも可能である。 By applying an operation program that defines the operation of the sound field analysis device according to the present invention to an existing personal computer, information terminal device, or the like, the personal computer, information terminal device, or the like can be used as the sound field analysis device according to the present invention. It is also possible to make it work.
また、このようなプログラムの配布方法は任意であり、例えば、CD-ROM(Compact Disk ROM)、DVD(Digital Versatile Disk)、MO(Magneto Optical Disk)、メモリカード等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布してもよいし、インターネット等の通信ネットワークを介して配布してもよい。 Any method of distributing such programs may be used. For example, computer-readable recording media such as CD-ROMs (Compact Disk ROMs), DVDs (Digital Versatile Disks), MOs (Magneto Optical Disks), and memory cards may be used. It may be stored and distributed, or may be distributed via a communication network such as the Internet.
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。 The present invention is capable of various embodiments and modifications without departing from the broader spirit and scope of the invention. Moreover, the above-described embodiments are for explaining the present invention, and do not limit the scope of the present invention. That is, the scope of the present invention is indicated by the claims rather than the embodiments. Various modifications made within the scope of the claims and within the meaning of the invention equivalent thereto are considered to be within the scope of the present invention.
10 音場解析装置
11 制御部
12 記憶部
13 操作部
14 表示部
15 通信部
20 空間
110 設定受付部
120 数値計算部
121 行列設定部
123 音圧ベクトル計算部
125 微分ベクトル計算部
127 繰り返し部
130 出力部
10 Sound
Claims (8)
前記一階常微分方程式において、時間及び空間の離散化誤差に関して目標精度を達成し、且つ、前記離散化誤差に振幅誤差が含まれないように最適化された線形多段法を適用することにより得られる前記音圧ベクトルの時間更新式と、前記一階常微分方程式において、前記微分ベクトルの時間一階微分を差分近似で離散化することにより得られる前記微分ベクトルの時間更新式と、に従って、複数の時間ステップでの前記音圧ベクトルの値を計算する数値計算部、を備える、
音場解析装置。 A sound field is generated using a time domain finite element method based on a first order ordinary differential equation relating to a sound pressure vector indicating the distribution of sound pressure in the space to be analyzed and a differential vector equivalent to the time first order differential of the sound pressure vector. A sound field analysis device for analyzing
Obtained by applying a linear multi-stage method optimized so that the discretization error in time and space does not include an amplitude error and the target accuracy is achieved in the first-order ordinary differential equation and a time update formula for the differential vector obtained by discretizing the time first order differential of the differential vector in the first order ordinary differential equation using difference approximation, according to a plurality of a numerical calculator that calculates the value of the sound pressure vector at time steps of
Sound field analyzer.
請求項1に記載の音場解析装置。 The time update formula for the sound pressure vector is such that the value of the sound pressure vector at the n-th time step is the value of the sound pressure vector at the (n−M) time step to the (n−1) time step. , and the value of the differential vector from the (n−N)th time step to the (n−1)th time step are multiplied by a weighting factor optimized to the value in which the imaginary part is not included in the discretization error is an expression that computes by adding over
The sound field analysis device according to claim 1.
請求項2に記載の音場解析装置。 If the target accuracy is K-th order accuracy, the M and N are set to a value equal to or greater than K−1;
The sound field analysis device according to claim 2.
請求項2又は3に記載の音場解析装置。 the sum of the weighting factors for the sound pressure vector and the sum of the weighting factors for the derivative vector are both equal to 1;
The sound field analysis device according to claim 2 or 3.
請求項1から4のいずれか1項に記載の音場解析装置。 The differential vector time update formula is such that the value of the differential vector at the n-th time step is combined with the value of the differential vector at the (n-1)th time step and the value of the sound pressure vector at the n-th time step. is an expression determined by a value and
The sound field analysis device according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から5のいずれか1項に記載の音場解析装置。 The first-order ordinary differential equation includes a mass matrix and a stiffness matrix calculated using numerical integration points that do not depend on the shape of the elements that discretize the space.
The sound field analysis device according to any one of claims 1 to 5.
前記一階常微分方程式において、時間及び空間の離散化誤差に関して目標精度を達成し、且つ、前記離散化誤差に振幅誤差が含まれないように最適化された線形多段法を適用することにより得られる前記音圧ベクトルの時間更新式と、前記一階常微分方程式において、前記微分ベクトルの時間一階微分を差分近似で離散化することにより得られる前記微分ベクトルの時間更新式と、に従って、複数の時間ステップでの前記音圧ベクトルの値を計算する、
音場解析方法。 A sound field is generated using a time domain finite element method based on a first order ordinary differential equation relating to a sound pressure vector indicating the distribution of sound pressure in the space to be analyzed and a differential vector equivalent to the time first order differential of the sound pressure vector. A sound field analysis method for analyzing
Obtained by applying a linear multi-stage method optimized so that the discretization error in time and space does not include an amplitude error and the target accuracy is achieved in the first-order ordinary differential equation and a time update formula for the differential vector obtained by discretizing the time first order differential of the differential vector in the first order ordinary differential equation using difference approximation, according to a plurality of calculating the value of the sound pressure vector at time steps of
Sound field analysis method.
解析対象の空間における音圧の分布を示す音圧ベクトルと、前記音圧ベクトルの時間一階微分と等価な微分ベクトルと、に関する一階常微分方程式に基づく時間領域有限要素法を用いて音場を解析する音場解析装置として機能させるプログラムであって、
前記コンピュータを、
前記一階常微分方程式において、時間及び空間の離散化誤差に関して目標精度を達成し、且つ、前記離散化誤差に振幅誤差が含まれないように最適化された線形多段法を適用することにより得られる前記音圧ベクトルの時間更新式と、前記一階常微分方程式において、前記微分ベクトルの時間一階微分を差分近似で離散化することにより得られる前記微分ベクトルの時間更新式と、に従って、複数の時間ステップでの前記音圧ベクトルの値を計算する数値計算部、として機能させる、
プログラム。 the computer,
A sound field is generated using a time domain finite element method based on a first order ordinary differential equation relating to a sound pressure vector indicating the distribution of sound pressure in the space to be analyzed and a differential vector equivalent to the time first order differential of the sound pressure vector. A program that functions as a sound field analysis device that analyzes
said computer,
Obtained by applying a linear multi-stage method optimized so that the discretization error in time and space does not include an amplitude error and the target accuracy is achieved in the first-order ordinary differential equation and a time update formula for the differential vector obtained by discretizing the time first order differential of the differential vector in the first order ordinary differential equation using difference approximation, according to a plurality of functioning as a numerical calculator that calculates the value of the sound pressure vector at time steps of
program.
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