CN114003855A - 基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及声学仿真技术领域，公开了一种基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法及存储介质。该方法以经典的声线跟踪法为基础，针对实际问题，构建基础的声场仿真模型，在声场仿真模型中，当声线在传播过程中发生绕射时，将该声线迭代分裂为多根子声线，并计算每根子声线的能量，继续对子声线展开跟踪，当子声线再次发生绕射时，继续按照之前的方式进行迭代分离、跟踪和能量计算，所以本发明可对多重绕射现象进行准确模拟，为复杂障碍物存在条件下的声场仿真算法提供了基础。

Description

基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法及存储介质

技术领域

本发明涉及声学仿真技术领域，尤其涉及一种基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法及存储介质。

背景技术

声场仿真预测是声学领域中的一项重要研究内容，在噪声控制、声品质设计以及声环境监测等应用中均可发挥重要的作用。经典的声场仿真预测方法主要可以分为波动声学方法、统计声学方法以及几何声学方法三类。波动声学方法包括有限元法(FiniteElement Method,FEM)、边界元法(Boundary Element Method,BEM)等，通过求解波动方程而获得声场分布结果，由于波动声学方法需要对空间进行网格离散化处理，受网格尺寸与波长关系影响，当处理较高频段的声场仿真问题时，会造成计算规模的急剧上升，影响计算精度并严重降低计算效率。统计声学方法通常特指统计能量分析法(Statistic EnergyAnalysis,SEA),此方法在高声模态密度条件下分析功率流实现对声场的预测，仅适用于高频仿真问题，而在低频段无法适用,因此应用受限较多。几何声学方法是另一类重要的声学仿真方法，是指通过模拟声波物理传播过程或物理规律而实现对声场仿真的方法，主要包含声线跟踪法(Ray Tracing Method，RT)，虚声源法(Image Source Method，ISM)等。其中声线跟踪法将声波模拟为声线，并对其在空间中的传播进行跟踪，由于具有物理描述直观、建模简易等特点，自其在上世纪60年代被提出后就获得广泛关注。

经过多年发展，声线跟踪已获得理论上的较大完善。但是在低频段，声线跟踪法还存在较大误差，主要原因在于传统的以直线传播的声线跟踪方式无法模拟声波绕射现象，而在低频段，声波在障碍物边缘易于发生绕射现象，因此造成仿真精度不高。

现有技术中，对于声波在障碍物边缘绕射的模拟主要采用几何绕射理论(Geometrical theory of diffraction(GTD)。几何绕射理论是Keller于1951年提出的针对无线电波绕射衰减的计算方法，后因原理类似，被用于声波的绕射计算中。其原理如图1所示，对于一个声源及一个目标位置接收点，通过综合入射距离、入射角度、绕射距离、绕射角度等参量，根据绕射理论计算公式计算得到目标位置处的声压。

现有几何绕射理论是一种理论计算公式法，在声源以及目标接收点位置已知的情况下，通过绕射理论公式直接计算得到目标位置处的声压。此理论实际应用效果较差，在于其无法模拟复杂障碍物的形式。在其理论中，要求声源具有明确的与障碍物的相对位置，而在实际复杂障碍物存在条件下，当声波经过第一个障碍物后，其经过边缘绕射的声波便呈发散状态传播，即障碍物后的空间将布满声波，形成一个声场填充区域。如图2所示，此时，当声波再次经过障碍物时，传统的几何绕射理论便会因为没有明确的声源位置，而导致无法计算目标位置的声压。因此，经典几何绕射理论仅适用于一级绕射，而无法计算多级绕射。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法及存储介质，以经典声线跟踪法为基础，当声线在传播过程中发生绕射时，则会迭代为多根子声线，继续对子声线展开跟踪，当再次发生绕射时，仍可进行准确仿真

本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法，该方法包括：

步骤1：针对实际情况，采用声线跟踪法构建具有多个传播层级的声场仿真模型；

步骤2：在声场仿真模型中，针对每一个传播层级，跟踪该传播层级中每个声线的传播路径，当某个声线传播至障碍物边缘发生绕射时，将该声线迭代分离成多个子声线，跟踪每个子声线的传播路径，并计算每个子声线的能量，实现该传播层级的绕射模拟；其中，所述声线包括由声源发出的初级声线和发生绕射后产生的次级声线，所述子声线只包括次级声线。

步骤3：在完成每一个传播层级的绕射模拟后，根据传播层级的传播先后顺序，对每一个传播层级的绕射模拟进行排序整合，实现整个声场仿真模型的绕射模拟。

在本方法中，对每一个传播层级里面的声线和子声线进行传播路径跟踪和能量计算，实现了对声线在经过多层传播后的跟踪，解决传统方法无法模拟多次绕射的缺陷。

进一步地，所述步骤2中，声线迭代分离成多个子声线的过程包括：计算子声线的分裂范围，然后根据分裂范围确定子声线的数量。

进一步地，所述计算子声线的分裂范围过程包括：

以声线经过的障碍物边缘为中心点，计算声线与障碍物之间的角度θ₁，计算障碍物边缘处的夹角角度θ₂，通过下式(1)计算子声线的分裂范围φ：

φ＝π-θ₁-θ₂ (1)。

所述根据分裂范围确定子声线的数量的过程包括：在获得子声线的分裂范围φ后，根据下式(2)计算子声线的数量m：

式(2)中，Δφ表示多个子声线之间的间隔角度。

进一步地，所述步骤2中，计算每个子声线的能量具体为：

根据计算出的子声线数量m，由下式(3)计算每个子声线的能量：

式(3)中，E为声线入射到障碍物的边缘前所携带的能量，D为经典几何绕射理论中的衍射衰减系数；衍射衰减系数D计算公式如下式(4)：

式(4)中k为波数，n＝2-θ²/π，θ₂为障碍物边缘处的夹角角度,F(x)是菲涅尔积分的一种变形，定义为：

式(4)中，a⁺的定义为

a^-的定义为

式(4)中，γ⁺的定义为γ⁺＝π+θ₁，γ^-的定义为γ⁺＝π-θ₁；

式(4)中，N⁺和N^-的定义如下：

进一步地，所述声场仿真模型中至少包括两个障碍物。

第二方面，本发明提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行上述第一方面记载的方法。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

(1)可实现多重绕射的模拟，解决了传统方法只能模拟一次绕射的问题；

(2)以声线跟踪理论为基础的算法相较于传统的低频有限元仿真算法，在计算速度上可获得大幅提高。

附图说明

图1是几何绕射理论示意图。

图2是声波多级绕射示意图。

图3是本发明实施例提供的具有2个传播层级的声场仿真模型示意图。

图4是本发明实施例提供的声线迭代分离示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

本实施例提供一种基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法，该方法以经典声线跟踪法为基础，当声线在传播过程中发生绕射时，则会迭代为多根子声线，继续对子声线展开跟踪，当再次发生绕射时，仍可进行准确仿真，仿真结果表明本发明方法可对声波传播中的多级绕射现象进行准确模拟，具体过程如下：

步骤1：针对实际情况，采用声线跟踪法构建具有多个传播层级的声场仿真模型。

具体的，如图3所示，假设空间中存在如图3所示的声场仿真场景，此场景中存在两个声屏障以及一个声源，当声源发出的声线S1经过声屏障1的顶点时，会发生绕射现象，此后一部分绕射声线(例如声线S2)经过声屏障2的顶点时，又会发生次级绕射现象，此后有可能会因为障碍物的情况发生更多的多级绕射现象。传统的几何绕射理论可以对声屏障1上发生的衍射进行准确模拟，但是无法模拟此后发生的次级绕射现象。

在本实施例中，针对上述声场仿真场景，以经典的声线跟踪法构建基础的声场仿真模型，声线跟踪法具有成熟且明确的理论，即通过将声源发出的声波用声线来代替，声线在传播过程中按照立体几何理论确定其与各个界面的反射情况；由于该声场中存在两个声屏障，所以构建出来的声场仿真模型具有两个传播层级，声线S1遇到声屏障1发生绕射为第一传播层级，声线S2遇到声屏障2发生绕射为第二传播层级。

步骤2：针对每一个传播层级，跟踪该传播层级中每个声线的传播路径，当某个声线传播至障碍物边缘发生绕射时，将该声线迭代分离成多个子声线，跟踪每个子声线的传播路径，并计算每个子声线的能量，实现对该传播层级的绕射模拟；其中，所述声线包括由声源发出的初级声线和发生绕射后产生的次级声线，所述子声线只包括次级声线。

具体的，当某个声线传播到障碍物边缘时，按照低频声波衍射理论，声波会在障碍物边缘发生绕射现象，此时声波不再是直线传播。如图4所示，当声线入射到障碍物的顶点时，在一定的角度范围内发生迭代分裂，即一个声线迭代分裂为多个子声线。

其中，本实施例中的声线可以是由声源发出的初级声线，如图3所示的声线S1，声线也可以是发生绕射后产生的次级声线，如图3所示的声线S2和声线S3，而本实施例中的子声线只包括次级声线，如图3所示的声线S2和声线S3。

在本实施例中，声线发生迭代分离后，分离成多个子声线，具体的迭代分离过程如下：

参照图4，当声线经过障碍物边缘时，产生一个继续前进的方向，此方向与原始声线传播方向相同，然后产生的新的子声线的分裂迭代范围φ为声线前进方向与障障碍物界面的夹角，具体的计算过程如下：

φ＝π-θ₁-θ₂ (1)；

式(1)中，θ₁为声线与障碍物之间的角度，θ₂为障碍物边缘处的夹角角度θ₂。

在得知子声线的分离迭代范围后，就可计算子声线的数量，具体计算过程如下：

式(2)中，Δφ表示多个子声线之间的间隔角度，Δφ可根据实际情况选取，当其设置值较大时，所产生的子声线数量就会较少，当其设置值较小时，所产生的子声线数量就会较多。

在确定了子声线的数量后，还需计算每个子声线的能量，具体的计算如下：

式(3)中，E为声线入射到障碍物的边缘前所携带的能量，D为经典几何绕射理论中的衍射衰减系数；衍射衰减系数D计算公式如下式(4)：

式(4)中k为波数，n＝2-θ²/π，θ₂为障碍物边缘处的夹角角度,F(x)是菲涅尔积分的一种变形，定义为：

式(4)中，a⁺的定义为

a^-的定义为

式(4)中，γ⁺的定义为γ⁺＝π+θ₁，γ^-的定义为γ⁺＝π-θ₁；

式(4)中，N⁺和N^-的定义如下：

由于次级声线也会发生绕射，并迭代分离出多个子声线，如图3中的声线S2，所以在根据式(3)确定了该传播层级中每一个子声线的能量后，还需继续对该传播层级的所有子声线进行跟踪，当某个子声线再次发生绕射时，进入下一传播层级时，按照上述过程计算下一传播层级中的新产生的子声线的能量并进行跟踪。

具体的，可参照图3，在第一传播层级中，声线S1遇到声屏障1发生绕射，经过迭代分离后产生多个一级子声线(包括S2)，对第一传播层级中的所有子声线进行路径跟踪和能量计算，实现对第一传播层级的绕射模拟；一级子声线继续传播，进入到第二传播层级，当一级子声线S2遇到声屏障2发生绕射时，继续进行迭代分离产生多个二级子声线(包括S3)，对第二传播层级中的所有子声线进行路径跟踪和能量计算，实现对第二传播层级的绕射模拟，若后续的二级子声线还发生绕射，则进行按照上述方式进行处理。本实施例中提及的一级子声线、二级子声线只是为了方便区分，并不是对其进行限定。

步骤3：在完成每一个传播层级的绕射模拟后，根据传播层级的传播先后顺序，对每一个传播层级的绕射模拟进行排序整合，实现整个声场仿真模型的绕射模拟。

参照图3，根据步骤2完成了第一传播层级和第二传播层级的绕射模拟后，按照第一传播层级和第二传播层级中声线的传播先后顺序，将每个传播层级的绕射模拟进行整合，就可实现对图3所示的具有2个传播层级的声场仿真模型的绕射模拟。

本实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行本实施例1中记载的方法。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (7)

1.基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法，其特征在于，包括：

步骤1：针对实际情况，采用声线跟踪法构建具有多个传播层级的声场仿真模型；

步骤2：在声场仿真模型中，针对每一个传播层级，跟踪该传播层级中每个声线的传播路径，当某个声线传播至障碍物边缘发生绕射时，将该声线迭代分离成多个子声线，跟踪每个子声线的传播路径，并计算每个子声线的能量，实现该传播层级的绕射模拟；其中，所述声线包括由声源发出的初级声线和发生绕射后产生的次级声线，所述子声线只包括次级声线；

步骤3：在完成每一个传播层级的绕射模拟后，根据传播层级的传播先后顺序，对每一个传播层级的绕射模拟进行排序整合，实现整个声场仿真模型的绕射模拟。

2.根据权利要求1所述的基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法，其特征在于，所述步骤2中，声线迭代分离成多个子声线的过程包括：计算子声线的分裂范围，然后根据分裂范围确定子声线的数量。

3.根据权利要求2所述的基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法，其特征在于，所述计算子声线的分裂范围过程包括：

以声线经过的障碍物边缘为中心点，计算声线与障碍物之间的角度θ₁，计算障碍物边缘处的夹角角度θ₂，通过下式(1)计算子声线的分裂范围φ：

φ＝π-θ₁-θ₂ (1)。

4.根据权利要求3所述的基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法，其特征在于，所述根据分裂范围确定子声线的数量的过程包括：在获得子声线的分裂范围φ后，根据下式(2)计算子声线的数量m：

式(2)中，Δφ表示多个子声线之间的间隔角度。

5.根据权利要求4所述的基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法，其特征在于，所述步骤2中，计算每个子声线的能量具体为：

根据计算出的子声线数量m，由下式(3)计算每个子声线的能量：

式(3)中，E为声线入射到障碍物的边缘前所携带的能量，D为经典几何绕射理论中的衍射衰减系数；衍射衰减系数D计算公式如下式(4)：

式(4)中k为波数，n＝2-θ₂/π，θ₂为障碍物边缘处的夹角角度,()是菲涅尔积分的一种变形，定义为：

式(4)中，a⁺的定义为

a^-的定义为

式(4)中，γ⁺的定义为γ⁺＝π+θ₁，γ^-的定义为γ⁺＝π-θ₁；

式(4)中，N⁺和N^-的定义如下：

6.根据权利要求1所述的基于声线跟踪理论的声波障碍物绕射模拟方法，其特征在于，所述声场仿真模型中至少包括两个障碍物。

7.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行权利要求1至6任一所述的方法。

Images