声学计算中声波传播问题研究及其在声道中的应用

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目前，计算声学已经应用到很多领域，包括语言声学、气动声学以及建筑声学等，其中，针对静态边界的声学仿真技术已经发展的非常成熟。然而在人体发音过程中，声道形状十分复杂并且实时变化，对于所出现的复杂边界、移动边界问题，当前尚没有较好的处理方法。因此，为了更加真实、准确地模拟说话人发音过程中声波在声道中的传播现象，研究这两类问题显得尤为重要。
　　常用的声场模拟方法有：有限元法、边界元法和时域有限差分法等。这些传统的方法需要对计算域按照网格划分并进行计算，在声学计算领域中已经取得了极大的成功。其中，时域有限差分法由于其准确、高效的特点得到广泛应用，但这种方法在网格生成和网格重构的过程中容易造成比较大的误差，且使计算过程非常耗时，因此很难解决包含复杂边界或移动边界的声学问题。本文尝试在时域有限差分法的基础之上引入沉浸边界法进行建模，并将其应用于声学仿真中。
　　沉浸边界法是流体力学中的一种重要方法，其中用到两种网格系统：规则的笛卡尔网格以及离散的拉格朗日网格，这两种网格通过在动量方程中添加附加力，以模拟边界对周围流体的影响。在所提出的模型中，复杂边界或移动边界用沉浸边界法处理，随后控制方程用时域有限差分法进行离散，交替求出每一时间步的压力和速度值。
　　为了验证该模型在求解包含复杂边界问题时的正确性及有效性，本文进行了圆柱散流问题的数值实验，并通过与精确解对比，验证了方法的正确性。之后将该模型用于声学仿真，对发元音/a/以及元音/o/时的声波传播进行模拟，得到了较好的实验结果。并重点指出该模型在边界变化时求解的优点，为解决移动边界问题提供了可能。

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作者
关雯丹;
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作者单位

天津大学;

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授予单位天津大学;
学科计算机科学与技术
授予学位硕士
导师姓名魏建国;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类计算机仿真;声的传播;
关键词
声学计算; 声波传播; 时域有限差分法; 沉浸边界法; 声场模拟;

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