اَبَر محاسبه‌، خالق مدل پیش بینی صوتی کنترل نویز است

اول مارس 2019، مرکز گاوس برای ابر رایانه
 اَبَر محاسبه‌گری باعث پیش بینی مدل صوتی برای کنترل نویز می‌شود
 

 
توضیح تصویر: در بالای صفحه، همسطح‌های گردابی (مثبت و منفی 3000 هرتز، رنگ شده با آبی و قرمز) از جریان صفحه - تختِ آشفته قابل مشاهده است. در زیرِ جریان صفحه - تخت، جعبه مستطیلی رزوناتور نصب شده است.
 
محققان TU برلین با ترکیب اصولی از دینامیک سیالات محاسباتی و آکوستیک، یک مدل تحلیلی را ایجاد کرده‌اند که می‌تواند فرایند طراحی رزوناتورهای هلمهولتز، یک نوع ساختار حذف نویز استفاده شده در هواپیماها، کشتی‌ها و سیستم‌های تهویه را ساده کند. این مدل می‌تواند یک طیف صوتی حفره بالقوه هلمهولتز را پیش بینی کند، به طوری که هوای متلاطم بر آن جریان می‌یابد و می‌تواند به طور بالقوه برای تنظیم تشدید کننده‌های هلمهولتز برای حذف و یا اجتناب از هر فرکانس مورد علاقه مورد استفاده قرار گیرد. برای به حداقل رساندن سر و صدای مزاحم ناشی از ماشین آلات با صداهای بلند مانند صدای اتومبیل‌ها، کشتی‌ها و هواپیماها، مهندسین صدا از بسیاری از استراتژی‌ها استفاده می‌کنند.
 
هدفون‌های حذف کننده نویز تبدیل به لوازم جانبی محبوب برای آگهی‌های مکرر شده‌اند. با تجزیه و تحلیل فرکانس‌های پس زمینه تولید شده توسط یک هواپیما در پرواز و تولید یک موج صوتی "ضد نویز" که کاملا خارج از فاز باشد، چنین هدفون‌هایی  صداهای زمینه مزاحم را حذف می‌کنند. اگر چه هدفونها نمی‌توانند کاری در مورد تنگی جای نشستن انجام دهند، ولی می‌توانند تماشای یک فیلم یا گوش دادن به موسیقی را در پرواز برای شما تقریبا به لذت بخشی انجام آنها در خانه کنند.
 
برای به حداقل رساندن سر و صدای مزاحم ناشی از ماشین آلات با صداهای بلند مانند صدای اتومبیل‌ها، کشتی‌ها و هواپیماها، مهندسین صدا از بسیاری از استراتژی‌ها استفاده می‌کنند. یکی از تکنولوژی‌هایی که حفره هلمهولتز نامیده می‌شود، مبتنی بر مفهوم مشابهی است که در هدفون‌های حذف صدا استفاده می‌شود. در این جا، مهندسان یک جعبه رزونانس ایجاد می‌کنند که از یک طرف به یک شکاف باز می‌شود. همان طور که هوا از روی شکاف رد می‌شود، جعبه مانند یک لوله ارگ کلیسا ارتعاش می‌کند و یک تُن صدا را تولید می‌کند. با تنظیم اندازه و شکل حفره و شکاف آن، مهندسان صوتی می‌توانند آن را طوری تنظیم کنند که صدای خاصی تولید کند تا مانند هدفون‌ها صدای غالب و مزاحم تولید شده توسط ماشین آلات را خنثی کند.
 
از لحاظ تاریخی، فرآیند تنظیم یک رزوناتور هلمهولتز یک کار زور آور خشن بود که مستلزم درگیر شدن در سعی و خطاهای پرهزینه و وقت گیر بود. مهندسان مجبور به این کار بودند و انتخاب دیگری نداشتند و از این رو به لحاظ تجربی هندسه‌های مختلفی را به صورت فیزیکی ساخته و آزمایش می‌کردند تا یک شکل مطلوب برای یک برنامه خاص، به ویژه در محیط جریان جریان آشفته پیدا کنند.
 
لکن امروزه، محاسبات با کارایی بالا این پتانسیل را ارائه می‌دهد که این تست‌ها به صورت مجازی انجام شود، و به این ترتیب فرآیند طراحی سریع‌تر و ساده‌تر شود.
 
در مقاله‌ای که در مجله Acta Mechanica منتشر شد، لوین استین و جرن استرنن از TU Berlin یک مدل تحلیلی جدید برای پیش بینی صدا ارائه دادند که می تواند طراحی حفره‌های هلمهولتز را ارزان‌تر و کارآمد‌تر کند. توسعه مدل با استفاده از داده‌های تولید شده با استفاده از شبیه سازی عددی مستقیم در مرکز محاسبات با کارایی بالا در اشتوتگارت (HLRS) تسهیل شد. مدل تحلیلی می‌تواند پیش بینی کند، به طریقی که عموما کاربردی‌تر از قبل است، که همان طور که هوای آشفته بر روی حفره جریان می‌یابد یک طیف بالقوه صوتی حفره هلمهولتز چگونه است. نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که این ابزار به طور بالقوه می‌تواند برای تنظیم حفره‌های هلمهولتز برای حذف یا جلوگیری از هر فرکانسی مورد استفاده قرار گیرد.
 

هنگامی که هوا از روی شکاف یک حفره هلمولتز عبور می‌کند، جریان آن مختل می‌شود و آشفتگی افزایش می‌یابد. جدا از لبه بالادست شکاف، به طور معمول، گرداب‌هایی به وجود می‌آید. آنها با هم یک ورقه گرداب تشکیل می‌دهند که شکاف را پوشش می دهد و می‌تواند با ارتعاش‌های صوتی ایجاد شده درون حفره ارتباط برقرار کند. نتیجه یک میرایی یا تحریک وابسته به فرکانس موج آکوستیکی است در حالی که هوا از میان این ورقه‌ی گرداب عبور می‌کند. برای اولین بار، شبیه سازی استین به طور حقیقی پدیده‌های آشفته و آکوستیک یک حفره هلمولتز را که موجب جریان آشفته و عبور از شکاف حفره می‌شود، یک کاسه می‌کند، و با تفکیک پذیری‌ بی سابقه‌ای، امکان دنبال کردن فعل و انفعال جریان – آکوستیک و پیامدهای آن برای رزونانس حفره را می‌دهد.

 
در گذشته، مطالعه عددی چنین فعل و انفعالاتی و اثرات آن بدون استفاده از تقریب‌های خام، دشوار بود. برای اولین بار، شبیه سازی استین به طور حقیقی پدیده‌های آشفته و آکوستیک یک حفره هلمولتز را که موجب جریان آشفته و عبور از شکاف حفره می‌شود، یک کاسه می‌کند، و با تفکیک پذیری‌ بی سابقه‌ای، امکان دنبال کردن فعل و انفعال جریان – آکوستیک و پیامدهای آن برای رزونانس حفره را می‌دهد.
 
این دستاورد با استفاده از یک روش شبیه سازی عددی مستقیم (DNS) امکان پذیر است، که یک گاز یا مایع را در یک سطح اساسی توصیف می‌کند. استیون می‌گوید: "من از فرم پیچیده‌تر معادلات مایع استفاده می‌کنم که معادلات ناویر - استوکس نامیده می‌شود – و تا حد ممکن به پدیده واقعی در طبیعت نزدیک می‌شود، در حالی که در صورت نیاز به عنوان تقریبی کمی استفاده می‌شود." "DNS ما، ما را قادر به کسب بینش‌های جدیدی که قبلا وجود نداشت، می‌نماید."
 
شبیه سازی عددی مستقیم استین، سیستم را به یک شبکه تقریبا 1 میلیارد نقطه‌ای تقسیم می‌کند و بیش از 100 هزار مرحله را شبیه سازی می‌کند تا کاملا دینامیکِ سیستم را برای فقط 30 میلی ثانیه زمان فیزیکی حل کند. برای هر اجرا از مدل عددی بر روی سوپر کامپیوتر Hazel HLRS حدود 4 روز 24 ساعته با استفاده از 40000 هسته محاسباتی مورد نیاز بود. اجرای شبیه سازی در این دوره زمانی، سازگاری خوبی بین توانایی ایجاد یک پایگاه داده قابل اعتماد و دستیابی به نتایج بلادرنگ عملی ایجاد کرده است.

 
در حالی که یک آزمایش فیزیکی محدود به صورت فضایی است و می‌تواند تنها چند پارامتر جسمی مرتبط را رد یابی کند، هر DNS فردی یک مجموعه داده 20 ترابایتی را فراهم می‌کند که همه متغیرهای جریان را در تمام مراحل و فضاهای درون شبکه نشان می‌دهد، و یک منبع غنی را فراهم می‌کند که می‌تواند در جزئیات مورد بررسی قرار گیرد. استین می‌گوید که اجرای شبیه سازی در این دوره زمانی، سازگاری خوبی بین توانایی ایجاد یک پایگاه داده قابل اعتماد و دستیابی به نتایج بلادرنگ عملی ایجاد کرد.
 
اطلاعات بیشتر: لوین استین و همکاران، یک مدل آکوستیک از رزوناتور هلمهولتز تحت لایه مرزی آشفته، Acta Mechanica (2019). DOI: 10.1007 / s00707-018-2354-5
ارائه شده توسط: مرکز گاوس برای سوپر کامپیوتر
 
برگرفته از سایت فیز اُرگ

مترجم: علی رضایی میر قائد