Áp dụng phương pháp ma trận đường dây truyền dẫn cho truyền sóng âm trong không gian mở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN QUẢNG SƠN ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP MA TRẬN ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN DẪN CHO TRUYỀN SÓNG ÂM TRONG KHÔNG GIAN MỞ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 605270 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG HCM Cán hƣớng dẫn khoa học : Tiến sĩ Vũ Phan Tú Cán chấm nhận xét : Tiến sĩ Hà Hoàng Kha Cán chấm nhận xét : Tiến sĩ Võ Trung Dũng Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 15 tháng 07 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Phó Giáo sƣ Tiến sĩ Lê Tiến Thƣờng Phó Giáo sƣ Tiến sĩ Đặng Thành Tín Tiến sĩ Hà Hồng Kha Tiến sĩ Võ Trung Dũng Tiến sĩ Vũ Phan Tú Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN QUẢNG SƠN MSHV: 12143167 Ngày, tháng, năm sinh: 02/05/1989 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số : 605270 I TÊN ĐỀ TÀI: ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP MA TRẬN ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN DẪN CHO TRUYỀN SĨNG ÂM TRONG KHƠNG GIAN MỞ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu lý thuyết sóng âm phƣơng pháp ma trận đƣờng dây truyền dẫn (TLM) nhƣ cách thức áp dụng phƣơng pháp TLM vào tính tốn sóng âm, - Thiết lập phƣơng trình cho điều kiện biên mơ tả điều kiện môi trƣờng nhƣ biên hấp thụ mô tả bầu khí biên trở kháng phức mơ tả cho mặt đất -Áp dụng vào khảo sát không gian mở mà cụ thể khu vực đô thị với vật cản tòa nhà cao tầng tƣờng chắn có kết hợp với điều kiện biên đƣợc thiết lập III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo QĐ giao đề tài) 20/01/2014 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo QĐ giao đề tài) 20/06/2014 V CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): Tiến sĩ Vũ Phan Tú Tp.HCM, ngày 19 tháng 06 năm 2014 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƢỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) i LỜI CẢM ƠN Luận văn thực Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Để hồn thành luận văn nhận nhiều động viên, giúp đỡ nhiều cá nhân tập thể Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Vũ Phan Tú tận tâm hướng dẫn thực đề tài Xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới thầy giáo, người đem lại cho kiến thức bổ trợ, vơ có ích năm học vừa qua Cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học, Bộ môn Viễn thông Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện q trình học tập Cuối xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, người ln bên tơi, động viên khuyến khích tơi q trình thực đề tài nghiên cứu Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2014 Trần Quảng Sơn ii ABSTRACT Ourdoor sound propagation with absorbing environment and many obstacles such as propagation in urban area is studied with many papers However, numerical methods which are applied to calculate sound propagation have some limitations in simulation and calculation due to effects of the obstacles in environment or phenomena happening in propagation progress such as diffraction, reflection, standing waves , etc This thesis concentrates how to applying Transmission Line Matrix method to simulate sound propagation in open-space like urban area The thesis sets equations modelling the environment These equations include absorbt layers called perfectly matched layer (PML) which describe sound absorbtion when propagating in sky or atmosphere Moreover, the thesis also sets equations which approximate classic ground impedance models such as Miki model and Zwikker and Kosten model TLM method uses these equations to simulate sound propagation in realistic environment like urban area The results received shows effects of atmosphere, ground impedance and obstacles to sound propagation and distribution of sound which is demonstrated by sound pressure level (SPL) Key word: TLM method, sound propagation, absorbing layer, PML layer, ground impedance, Miki model, Zwikker model iii TÓM TẮT Quá trình lan truyền sóng âm mơi trƣờng có khoảng khơng lớn (truyền sóng vào bầu khí quyển) có vật cản nhƣ mơi trƣờng thị đƣợc quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên, phƣơng pháp số đƣợc áp dụng âm học có giới hạn việc mơ tính tốn sóng tác động vật cản hay ảnh hƣởng tƣợng xảy q trình truyền sóng (tán xạ, giao thoa hay nhiễu ) Luận văn tập trung vào việc áp dụng phƣơng pháp ma trận đƣờng dây truyền dẫn (Transmission Line Matrix method- TLM) vào mô môi trƣờng không gian mở nhƣ khu vực đô thị Luận văn thiết lập phƣơng trình mơ hình hóa cho mơi trƣờng Các phƣơng trình bao gồm thiết lập lớp hấp thụ hay gọi lớp PML (perfectly matched layer) nhằm diễn tả hấp thụ sóng truyền bầu khí Ngồi ra, luận văn cịn đƣa phƣơng trình xấp xỉ cho mơ hình biên mặt đất đƣợc nghiên cứu trƣớc (mơ hình Miki hay mơ hình Zwikker Kosten) Phƣơng pháp TLM sử dụng phƣơng trình để tiến hành mơ q trình truyền sóng âm mơi trƣờng thực tế mà luận văn mơ hình thị Từ tiến hành khảo sát q trình truyền với tác động hấp thụ sóng bầu khí quyển, tác động trở kháng mặt đất vật cản (tòa nhà) phân bố cƣờng độ âm miền mô thông qua thông số mức áp suất âm (sound pressure level- SPL) Từ khóa: Phƣơng pháp TLM, truyền sóng âm, lớp hấp thụ, lớp PML, trở kháng mặt đất, mơ hình Miki, mơ hình Zwikker iv LỜI CAM ĐOAN Tên Trần Quảng Sơn học viên Cao học khóa 2012, chun ngành Kỹ Thuật Điện Tử Tơi xin cam đoan luận văn thạc sĩ "Áp dụng phƣơng pháp ma trận đƣờng dây truyền dẫn cho truyền sóng âm khơng gian mở" cơng trình nghiên cứu riêng tôi, kết mô thu đƣợc từ q trình làm việc thân khơng chép Học viên Trần Quảng Sơn v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i ABSTRACT ii TÓM TẮT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC v TỪ VIẾT TẮT vii DANH SÁCH HÌNH VÀ BẢNG BIỂU viii CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Giới thiệu phƣơng pháp số hƣớng nghiên cứu 1.3 Mục tiêu luận văn 1.4 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.6 Cấu trúc luận văn CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG 2.1 Lý thuyết sóng âm 2.1.1 Tầm quan trọng chất tự nhiên sóng âm 2.1.2 Q trình tạo truyền phát sóng âm 2.1.3 Các định luật bảo tồn phƣơng trình sóng âm 12 2.1.4 Các tính chất sóng âm 14 2.1.4.1 Nguyên lý Huygen 14 2.1.4.2 Hiệu ứng Doppler 15 2.1.4.3 Sự phản xạ 16 2.1.4.4 Sự khúc xạ 18 2.1.4.5 Sự nhiễu xạ (Diffraction) 20 2.1.5 Tác động sóng âm đến ngƣời 21 2.2 Phƣơng pháp ma trận đƣờng dây truyền dẫn (TLM) 22 vi 2.2.1 Mô hình chiều (One Dimension- 1D) 23 2.2.2 Mơ hình hai chiều ( Two Dimension- 2D) 26 2.3 2.2.2.1 Khái niệm 26 2.2.2.2 Xây dựng mơ hình với nút nối tiếp 30 2.2.2.3 Mơ hình nút song song 34 Áp dụng phƣơng pháp TLM cho sóng âm 37 CHƢƠNG 3: CÁC MẶT BIÊN TRUYỀN SÓNG 42 3.1 Biên hấp thụ đặc trƣng cho lớp khơng khí truyền xa .42 3.2 Khảo sát biên hấp thụ 45 3.3 Biên trở kháng phức (mặt đất) 51 3.3.1 Dạng trở kháng tƣơng đƣơng 52 3.3.2 Mô hình Miki 55 3.3.3 Mơ hình Zwikker-Kosten( ZW) 56 3.4 Phƣơng pháp tối ƣu cho mơ hình xấp xỉ 57 3.4.1 Bài toán tối ƣu Cotte 57 3.4.2 Bài toán tối ƣu áp dụng: 58 3.5 3.4.2.1 Xấp xỉ cho mơ hình Miki 58 3.4.2.2 Xấp xỉ cho mô hình ZW 63 Khảo sát biên trở kháng phức 65 CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG TRONG KHẢO SÁT KHU VỰC ĐÔ THỊ 70 4.1 Khảo sát mơ hình biên mặt đất khác 70 4.2 Khảo sát với biên tòa nhà biên phức 76 4.3 Khảo sát với mô hình có tƣờng chắn 80 4.3.1 Tƣờng chắn phản xạ hoàn toàn với hình dạng khác 81 4.3.2 Tƣờng chắn có biên phức 85 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 89 5.1 Kết luận 89 5.2 Hƣớng phát triển 90 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 vii TỪ VIẾT TẮT TLM Transmission Line Matrix BEM Boundary Element Method FDTD Finite-Difference Time-Domain FEM Finite Element Method 1D One Dimension 2D Two Dimension PML Perfectly Matched Layer ZW Zwikker- Kosten SQP Sequential Quadratic Programming SPL Sound Pressure Level