rucz p eter [email protected] t emavezet}o: augusztinovicz ful op...

Orgonasıpok atviteli fuggvenyenek szimulacioja

Rucz [email protected]

Temavezeto: Augusztinovicz Fulop

Doktorandusz Workshop2010. junius 28.

Bevezetes Rezonator modell Numerikus modszerek Eredmenyek PhD Folyamat

Motivacio

I Az orgonasıpok meretezese mindmaiga XIX. szazadban lefektetettokolszabalyok alapjan tortenik

I A numerikus modellezes lehetosegei:I A meretezesi es hangolasi ipari

eljarasok felgyorsıtasaI A sıphang tulajdonsagainak

meghatarozasa modellezessel

I Munkam celkituzesei:I A hangkeltes megismerese, megerteseI Az akusztikai folyamatok modellezese

sajat fejlesztesu eszkozokkel (is)I Validalas, osszehasonlıtas mas

modszerekkel es meresekkelI A modell tovabbfejlesztese

Rucz P. Orgonasıpok atviteli fuggvenyenek szimulacioja


Projekt hatter

INNOSOUND - Innovative Methods and Tools for the SoundDesign of Organ Pipes

I 2008. szeptember – 2010. novemberI Celkituzesek:

I Ajaksıpok hangminosegenek javıtasa hangolasi modszerekfejlesztesevel

I A hangolasi folyamat ipari koltsegeinek csokkentesetudomanyos alapokra epıtett hangolasi eljarassal

I A sıpepıtes koltsegeinek csokkentese innovatıv eszkozokkel:sıptervezo szoftver fejlesztese tudomanyos eredmenyek alapjan

I Partnerek:I Tudomanyos: Fraunhofer Institut Stuttgart, BME HIT –

Akusztikai LaboratoriumI Ipari: 10 europai orgonaepıto ceg



A hangkeltesi mechanizmus

I A hangkeltesi mechanizmus rendkıvulbonyolult fizikai folyamat

I A sıpot aramlo levego szolaltatja megI Az ajkaknal oszcillalo legnyelv

gerjeszti a rezonator legoszlopatI Nemlinearis, csatolt akusztikai,

mechanikai es aramlastani jelensegek

I A hangkeltes modelljeiI Fletcher: a gerjesztes es a rezonator

szetvalasztasaI Coltman, Nolle: gerjesztes modellI Schumacher: idotartomanybeli leırasI Ujabb modellek: aramlastani

szamıtasokkal – CFD (pl: Adachi,Kuhnelt)

Rezonator

Sıplab

Felso ajak

Hangolo csuszka

Szajnyılas

Magres

Furat



A rezonator modellezese

I Az ismert modellek alapja a jelensegek szetvalasztasaI Nemlinearis gerjesztes modellI Linearis akusztikai rezonator modellI Ezek kozott nemlinearis csatolas

I A modellek mindegyikeben a rezonator elem a legegyszerubb,a sıptest viselkedeset analitikus osszefuggesekkel kozelıtik

I Ezek az osszefuggesek nem feltetlenul pontatlanok, de csakszabalyos geometria eseten alkalmazhatoak

I Meglehetosen korlatozott tovabbfejlesztesi lehetosegek

I Otlet: a rezonator modellezese numerikus technikakkalI A geometriai szabalytalansagok leırasara alkalmasI Tobb lehetoseg tovabbfejlesztesre, ujabb jelensegek

figyelembevetelereI Kerdes: tudunk-e eleg pontos, jo felbontasu modellt alkotni?



Numerikus akusztikai rezonatormodell

I Kozelıtesek es elhanyagolasok:I Csak linearis akusztikai folyamatokI A falakat tokeletesen merevnek tekintjukI Analızis a frekvenciatartomanybanI Tranziens jelensegek ıgy nem modellezhetoekI A sıp atviteli fuggvenyet hatarozzuk meg

I Az atviteli fuggveny szerepeI Allandosult allapotban periodikus

a gerjesztesI Ennek felharmonikusait kepes

felerosıteni / csillapıtaniI Ezzel jellegzetesse teszi a sıp

hangjat

ForrasMik. 1

Orgonasıp

Analizatorhoz

Mik. 2



A sıp atviteli fuggvenyenek jellegzetessegei

500 1000 1500 2000 2500−30

−20

−10

0

10

20

Frekvencia [Hz]

Am

plitú

dó [d

B]

I Alapfrekvencia: a sıp zenei hangja

I Tovabbi modusok: jellegzetesseg a nyulas jelensege

I Josagi tenyezok: a frekvencia novekedesevel csokkennek

I Vagasi frekvencia: keresztiranyu modusok megjelenese



A megoldas modszerei

I Indirekt peremelem modszer (IBEM)I Lesugarzasi problema megoldasa a sıp belsejeben es annak

kornyezetebenI A peremeken zerus nyomasugras peremfeltetelek

I Csatolt vegeselem / peremelem modszer (Csatolt FEM/BEM)I A rezonatorureg vegeselemekbol felepıtveI Peremfelteteleket a direkt peremelem modszerbol szamıtjukI Ezzel un. globalis peremfelteteleket kapunkI A falakon zerus normalis reszecskesebesseg, a nyılasoknal pedig

impedancia csatolasI Gyorsıtasi lehetosegek: Schur komplemens alak, interpolacio

I Vegeselem modszer vegtelen elemekkel (FEM/IEM)I A vegeselem tartomanyt kibovıtjuk a rezonator egy konvex

burkavalI A kibovıtett tartomany hatarara vegtelen elemeket illesztunkI Ezzel un. lokalis peremfelteteleket kapunk



A modszerek osszehasonlıtasa

Indirekt BEM Csatolt FEM/BEM FEM/IEMModell halo Felulet Terfogat TerfogatPeremfeltetelek Globalis Globalis LokalisRendszermatrix

Teljes Reszleges Fuggetlenfrekvencia-fuggosegeRendszermatrix

TelıtettRitka, telıtett

Ritkaelemszama csatolomatrixszalExtra

Nincsenek Nincsenek VannakszabadsagfokokMegvalosıtas SYSNOISE Matlab Matlabmodja ipari sajat sajat



Impedancia-vizsgalat

I A sıp nyılasainal fellepo sugarzasi impedanciak alakıtjak ki azatviteli fuggveny jellegzetessegeit (pl. nyulas)

I A sugarzasi impedanciak frekvenciafuggoek es ertekuk a nyılasfeluleten helyfuggo

I Numerikus modell osszehasonlıtasa analitikus szamıtasokkal

0 500 1000 1500 2000 25000

0.5

1

1.5

f [Hz]

|ZR| [

ρ 0c]

0 500 1000 1500 2000 250020

40

60

80

100

f [Hz]

arg(

ZR)

[deg

]



A hosszkorrekcio

O

H

B

C

MA

z

0 0.25 0.5 0.75 1

−1

−0.5

0

0.5

1

A OM CHB

Normalized distance from the languid [1 = Lpipe

]

Nor

mal

ized

pre

ssur

e am

plitu

de



A modszer alkalmazasa

I Csovesfuvolak meretezeseI Hogyan kell megvalasztani a sıp mereteit ahhoz,

hogy egy felharmonikus hangosabb legyen asıphangban?

I Az atviteli fuggvenyt ugy kell meghataroznunk,hogy kiemelese legyen az adott frekvencian

I Ehhez a sıp mereteit kell megfeleloenbeallıtanunk

I Nehezseg: egy meret valtoztatasaval az osszesmodus frekvenciaja valtozik

I Szimulacio es validalas

1. Szamıtasok futtatasa kulonbozo geometriaibeallıtasokkal

2. Az idealis parameterek becslese3. Atviteli fuggveny es sıphang merese4. Eredmenyek osszehasonlıtasa



A szamıtott eredmenyek osszevetese

Modszer SıpSzabadsag- Nemzerus

fokok elemek

IBEMN265 1 796 3 225 616N065 1 832 3 356 224P135 1 868 3 489 424

FEM/BEMN265 5 552 132 956N065 5 792 138 668P135 5 912 141 524

FEM/IEMN265 26 496 623 404N065 27 200 639 628P135 27 552 647 740

N265 Meres Analitikus Indirekt BEM Csatolt FEM/BEM FEM/IEMModus F [Hz] Arany F [Hz] Arany F [Hz] Arany F [Hz] Arany F [Hz] Arany1. 144.1 1.000 142 1.000 143 1.000 144 1.000 143 1.0002. 383.6 2.662 389 2.739 389 2.720 392 2.722 389 2.7203. 640.7 4.446 623 4.387 621 4.343 627 4.354 622 4.3504. 722.2 5.012 719 5.063 712 4.979 722 5.014 715 5.0005. 967.2 6.712 950 6.690 942 6.587 946 6.569 943 6.5946. 1236.0 8.577 1218 8.578 1206 8.434 1213 8.424 1210 8.4627. 1350.0 9.369 1373 9.669 1350 9.441 1376 9.556 1359 9.504



100 150 200 250 300 350 4002.45

2.5

2.55

2.6

2.65

2.7

2.75

2.8

Csövecske hossza [mm]

Rel

atív

frek

venc

iaA 2. módus relatív frekvenciája

P135N065N265

100 150 200 250 300 350 4003

3.5

4

4.5


Rel

atív

frek

venc

ia

A 3. módus relatív frekvenciája

P135N065N265

100 150 200 250 300 350 400

5

5.2

5.4

5.6

5.8

6

6.2

6.4


Rel

atív

frek

venc

ia

A 4. módus relatív frekvenciája

P135N065N265

100 150 200 250 300 350 4005.5

6

6.5

7

7.5

8


Rel

atív

frek

venc

ia

Az 5. módus relatív frekvenciája

P135N065N265



100 150 200 250 300 350 400−38

−36

−34

−32

−30

−28

−26

−24

−22


Rel

atív

am

plitú

dó [d

B]

A 3. felharmonikus relatív amplitúdója

P135N065N265

100 150 200 250 300 350 400−70

−60

−50

−40

−30


Rel

atív

am

plitú

dó [d

B]


P135

N065

N265

100 150 200 250 300 350 400−50

−45

−40

−35

−30

−25

−20


Rel

atív

am

plitú

dó [d

B]

Az 5. felharmonikus relatív amplitúdója

P135N065N265

100 150 200 250 300 350 400−55

−50

−45

−40

−35

−30

−25


Rel

atív

am

plitú

dó [d

B]


P135N065N265



A modszer tovabbfejlesztese

I Az eredmenyek kiertekelese alapjan elmondhato, hogy:I Az egyes modszerek szamıtasi igenye nagyjabol egyformaI A modell egyszerusegehez kepest elfogadhato a pontossagI Nehany esetben ezek az elteresek is tul nagyokI A numerikus modszerek bonyolultabb geometriakra is

alkalmazhatoak, ellentetben az analitikus kozelıtesselI A pontossag novelesehez a modell tovabbfejlesztesere van

szukseg

I A tovabblepes lehetosegeiI Sıptest rezgeseinek figyelembevetele (csak specialis esetben

van jelentosege)I Aramlastani modell a gerjesztesreI Falvesztesegek modellezese (viszkozitas, termalis vesztesegek)



PhD folyamat

I Kezdes: 2009/2010 I. felev

I Tantargyak: 3 kotelezo es 3 valasztott targy teljesıtveI Oktatasi tevekenyseg:

I I. felev: Hangtechnika gyakorlat, Merestechnika laborI II. felev: Laboratorium II., Hangmernoki ismeretek laborI Egyeb: Konzultaciok, helyettesıtesI Kovetkezo felev: Onallo labor temak kiırasa

I Nyelvvizsgak:I Angol C felso, Latin C kozep van meg eddigI Kovetkezo evben spanyol kozepfoku a tervI Lehetoseg meg a nemet

I Tanulmanyi celu utazasok:I 2009. augusztus: trening az FFT cegnel BelgiumbanI 2010. januar kozepetol 6 hetes tartozkodas Stuttgartban



Publikaciok I.

I Eddigi:

1. P. Rucz, F. Augusztinovicz, P. Fiala – Simulation of organpipes’ acoustical behavior by means of various numericaltechniques, ICSV 16 Conference, Krakow, 2009. (Angol nyelvukonferecia cikk)

2. P. Rucz – Determination of organ pipes’ acoustic parametersby means of numerical techniques, Accepted paper of theAcoustic Review. (Angol nyelvu, itthon megjeleno lektoraltfolyoiratcikk)

3. P. Rucz, F. Augusztinovicz – Orgonasıpok akusztikaiparametereinek meghatarozasa numerikus eszkozokkel, BMEVegzos Konferencia, 2009. (Magyar nyelvu konferenciaeloadas)



Publikaciok II.

I Folyamatban:

1. P. Rucz, F. Augusztinovicz, P. Fiala – Simulation of organ pipetransfer function by means of various numerical techniques,ISMA2010 Conference, Leuven, 2010. (Angol nyelvukonferencia cikk)

2. P. Rucz, F. Augusztinovicz, P. Fiala – Transfer functionsimulation of open labial organ pipes, Applied Acoustics(Angol nyelvu, lektoralt folyoiratcikk)

I Tervezett:

1. Folyoiratcikk a Fiala Peterrel fejlesztett Matlab toolbox-rol2. Folyoirat- vagy konferencia cikk a stuttgarti meresi es

szimulacios eredmenyekrol



Osszegzes

I Az eddig ismert orgonasıp modellekhez kepest uj, numerikusmodell a rezonator vizsgalatara

I Harom numerikus modszert hasonlıtottam ossze, ipari es sajatfejlesztesu szoftverekkel

I Egyik modszer sem kiemelkedoen jobb vagy rosszabb a tobbinelI A pontossag novelese mas jelensegek figyelembe vetelevel

lenne elerheto

I A tovabbfejlesztes lehetosegeiI Aramlastani effektusok beepıtese a modellbe (ez egy

nagysagrenddel bonyolultabb, mint a tisztan akusztikai modell,de nem lehetetlen)

I Hatarreteg (Boundary Layer) szimulacio

I A doktori folyamat siekres befejezesehez meg egy nyelvvizsga



Koszonom szepen a figyelmet!


rucz p eter [email protected] t emavezet}o: augusztinovicz ful op...

Documents