降噪耳機已成為常用傳單的流行配件。通過分析飛機在飛行中產(chǎn)生的背景頻率并產(chǎn)生完全不同相的“抗噪聲”聲波，這種耳機消除了令人不安的背景聲音。雖然耳機無法對狹窄的座位做任何事情，但他們可以在飛行中觀看電影或聽音樂，就像在家里一樣愉快。

為了最大限度地減少由汽車，輪船和飛機等大聲機器引起的干擾噪音，聲學工程師采用了許多策略。一種稱為亥姆霍茲腔的技術基于與降噪耳機中使用的類似概念。在這里，工程師們建立了一個共振箱，一側開口可以打開。當空氣經(jīng)過狹縫時，盒子像教堂管風琴一樣振動，產(chǎn)生一種音調(diào)。通過調(diào)整腔體及其狹縫的大小和形狀，聲學工程師可以對其進行調(diào)諧以產(chǎn)生特定的音調(diào) - 就像耳機一樣 - 消除由機器產(chǎn)生的主要刺激性聲音。

從歷史上看，調(diào)整亥姆霍茲共振器的過程是一項蠻力工作，涉及昂貴且耗時的試驗和錯誤。工程師別無選擇，只能通過實驗物理構建和測試許多不同的幾何形狀，以便為特定應用找到最佳形狀，特別是在湍流環(huán)境中。

然而，今天，高性能計算提供了虛擬進行此類測試的潛力，使設計過程更快速，更輕松。

在Acta Mechanica期刊上發(fā)表的一篇論文中，TU Berlin的Lewin Stein和JörnSesterhenn描述了一種新的聲音預測分析模型，可以使亥姆霍茲腔的設計更便宜，更有效。在斯圖加特高性能計算中心(HLRS)使用直接數(shù)值模擬生成的數(shù)據(jù)集促進了模型的開發(fā)。分析模型可以以比以前更普遍適用的方式預測潛在的亥姆霍茲腔的聲譜，因為湍流空氣在其上流動。作者提出，這種工具可能用于調(diào)整亥姆霍茲腔，以抵消或避免任何感興趣的頻率。

模擬接近所有自然尺度

當移動的空氣經(jīng)過亥姆霍茲空腔的狹縫時，其流動被破壞并且湍流增強。通常會產(chǎn)生渦流，從狹縫的上游邊緣分離。它們一起形成一片渦流，其覆蓋狹縫并且可以與腔內(nèi)產(chǎn)生的聲振動相互作用。結果是當空氣通過該渦流片時，聲波的頻率依賴性阻尼或激勵。

在過去，很難在沒有粗略近似的情況下以數(shù)字方式研究這種相互作用及其影響。斯坦的模擬第一次真實地整合了亥姆霍茲腔的湍流和聲學現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是由通過其狹縫的湍流激發(fā)的。以前所未有的分辨率，它可以跟蹤流聲相互作用及其對腔體共振的影響。

使用稱為直接數(shù)值模擬(DNS)的方法可以實現(xiàn)這一成就，該方法描述了基本水平的氣體或液體。“我正在使用最復雜的流體方程形式 - 稱為Navier-Stokes方程 - 盡可能接近自然界中的實際現(xiàn)象，同時盡可能少地使用近似，”斯坦說。“我們的DNS使我們能夠獲得以前沒有的新見解。”

Stein的直接數(shù)值模擬將系統(tǒng)劃分為大約10億個網(wǎng)格點的網(wǎng)格，并模擬超過10萬個時間步長，以便在30毫秒的物理時間內(nèi)完全解決系統(tǒng)動態(tài)。在HLRS的Hazel Hen超級計算機上，每次運行數(shù)值模型大約需要4個24小時工作日，使用大約40,000個計算核心。

物理實驗在空間上受到限制并且只能跟蹤一些物理相關參數(shù)，而每個單獨的DNS運行提供一個20 TB的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集記錄網(wǎng)格中所有時間步長和空間的所有流量變量，提供可以探索的豐富資源詳細地。斯坦說，在這段時間內(nèi)運行模擬提供了一個很好的折衷方案，可以建立一個可靠的數(shù)據(jù)庫，并在實際的時間內(nèi)獲得結果。

轉向一般聲音預測模型

一旦開發(fā)出聲學模型的細節(jié)，下一個挑戰(zhàn)就是確認它可以預測其他亥姆霍茲腔幾何形狀和氣流條件的聲學特性。通過將推斷的模型結果與Joachim Golliard在法國德國技術研究中心提供的實驗數(shù)據(jù)進行比較，Stein發(fā)現(xiàn)該模型非常準確。

本文報道的模型針對低速氣流和低頻率進行了優(yōu)化，例如通風系統(tǒng)中的低頻氣流。它也被設計成模塊化的，因此也可以研究包括泡沫而不是硬壁的復雜材料的空腔。斯坦因預計，獲得更多計算時間并獲得更快的超級計算機將使他能夠在數(shù)字上預測更廣泛的潛在諧振器形狀和流動條件。

Stein最近完成了博士學位，現(xiàn)在在Sesterhenn教授(柏林工業(yè)大學)的流體動力學和技術聲學研究所擔任博士后，他預見到一些與工業(yè)合作伙伴合作的有吸引力的機會，并可能將他的模型應用于實際 - 生活情況。“雖然我學過理論物理，但他解釋說，”它可以解決超出純粹學術研究的問題，可以應用于工業(yè)，人們可以從你所取得的成就中獲益。這篇最新論文是一個機會證明我們工作的實用性和適用性。經(jīng)過多年的博士研究，這是一個偉大的時刻。“