Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử áp dụng phương pháp ma trận đường dây truyền dẫn cho truyền sóng âm trong không gian mở

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật điện tử áp dụng phương pháp ma trận đường dây truyền dẫn cho truyền sóng âm trong không, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Trần Quảng Sơn
• Người hướng dẫn: Vũ Phan Tú
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Áp dụng phương pháp ma trận đường dây truyền dẫn cho truyền sóng âm trong không gian mở
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Luận Văn Thạc Sĩ

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc áp dụng phương pháp ma trận đường dây truyền dẫn (TLM) để mô phỏng quá trình truyền sóng âm trong không gian mở, đặc biệt là trong môi trường đô thị. Nghiên cứu này nhằm giải quyết các hạn chế của các phương pháp số hiện tại trong việc tính toán và mô phỏng sóng âm, đặc biệt là khi có sự hiện diện của các vật cản và hiện tượng như phản xạ, khúc xạ, và nhiễu xạ. Luận văn này cũng đặt mục tiêu thiết lập các phương trình mô hình hóa cho các điều kiện biên, bao gồm lớp hấp thụ (PML) và trở kháng mặt đất, để áp dụng vào mô phỏng thực tế.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn thạc sĩ là khảo sát tác động của các yếu tố môi trường như biên hấp thụ, biên mặt đất, và các vật cản (như tòa nhà) đến quá trình truyền sóng âm trong không gian mở. Nghiên cứu cũng nhằm tìm hiểu và áp dụng phương pháp TLM để tính toán sự lan truyền sóng âm, đồng thời so sánh các phương trình biên hấp thụ và trở kháng mặt đất từ các nghiên cứu trước đó.

1.2. Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào việc tìm hiểu lý thuyết về sóng âm và phương pháp TLM, xây dựng các phương trình mô tả các yếu tố môi trường, và áp dụng vào mô phỏng thực tế. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc khảo sát các mô hình biên mặt đất khác nhau, tác động của các tòa nhà, và sự phân bố sóng âm trong môi trường đô thị.

II. Ma Trận Đường Dây Truyền Dẫn

Ma trận đường dây truyền dẫn (TLM) là một phương pháp số hiệu quả để mô phỏng quá trình truyền sóng, đặc biệt là trong môi trường phức tạp. Phương pháp này được áp dụng để tính toán sự lan truyền của sóng âm trong không gian mở, với khả năng mô hình hóa các hiện tượng như phản xạ, khúc xạ, và nhiễu xạ. TLM sử dụng các nút và cổng để mô phỏng quá trình truyền sóng, đồng thời thiết lập các phương trình mô tả các điều kiện biên như lớp hấp thụ (PML) và trở kháng mặt đất.

2.1. Mô hình TLM

Mô hình TLM được xây dựng dựa trên các nút và cổng, mô phỏng quá trình truyền sóng trong môi trường. Phương pháp này cho phép tính toán sự lan truyền sóng âm trong không gian mở với độ chính xác cao, đặc biệt khi có sự hiện diện của các vật cản và hiện tượng phức tạp như phản xạ và khúc xạ.

2.2. Ứng dụng TLM trong truyền sóng âm

Phương pháp TLM được áp dụng để mô phỏng quá trình truyền sóng âm trong không gian mở, đặc biệt là trong môi trường đô thị. Nghiên cứu sử dụng các phương trình mô tả lớp hấp thụ (PML) và trở kháng mặt đất để tính toán sự phân bố sóng âm, đồng thời khảo sát tác động của các yếu tố môi trường đến quá trình truyền sóng.

III. Truyền Sóng Âm Trong Không Gian Mở

Quá trình truyền sóng âm trong không gian mở chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường, bao gồm bầu khí quyển, mặt đất, và các vật cản như tòa nhà. Nghiên cứu này tập trung vào việc mô phỏng sự lan truyền sóng âm trong môi trường đô thị, sử dụng phương pháp TLM để tính toán sự phân bố sóng âm và tác động của các yếu tố môi trường. Các phương trình mô tả lớp hấp thụ (PML) và trở kháng mặt đất được thiết lập để áp dụng vào mô phỏng thực tế.

3.1. Tác động của bầu khí quyển

Bầu khí quyển có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình truyền sóng âm trong không gian mở. Nghiên cứu sử dụng lớp hấp thụ (PML) để mô tả sự hấp thụ sóng âm khi truyền trong bầu khí quyển, đồng thời khảo sát tác động của các yếu tố như nhiệt độ và độ ẩm đến quá trình truyền sóng.

3.2. Tác động của mặt đất

Mặt đất cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng âm trong không gian mở. Nghiên cứu sử dụng các mô hình trở kháng mặt đất như Miki và Zwikker-Kosten để mô tả tác động của mặt đất đến sự lan truyền sóng âm, đồng thời khảo sát sự phân bố sóng âm trong môi trường đô thị.

IV. Ứng Dụng Ma Trận Trong Truyền Sóng Âm

Ứng dụng ma trận trong việc mô phỏng quá trình truyền sóng âm là một hướng nghiên cứu quan trọng, đặc biệt khi áp dụng phương pháp TLM. Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết lập các phương trình mô tả các điều kiện biên, bao gồm lớp hấp thụ (PML) và trở kháng mặt đất, để áp dụng vào mô phỏng thực tế. Các kết quả mô phỏng cho thấy tác động của các yếu tố môi trường đến sự phân bố sóng âm trong không gian mở.

4.1. Phương pháp ma trận

Phương pháp ma trận được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền sóng âm trong không gian mở, đặc biệt là trong môi trường đô thị. Nghiên cứu sử dụng các phương trình mô tả lớp hấp thụ (PML) và trở kháng mặt đất để tính toán sự phân bố sóng âm, đồng thời khảo sát tác động của các yếu tố môi trường đến quá trình truyền sóng.

4.2. Kết quả mô phỏng

Các kết quả mô phỏng cho thấy tác động của các yếu tố môi trường như bầu khí quyển, mặt đất, và các vật cản đến quá trình truyền sóng âm trong không gian mở. Nghiên cứu cũng khảo sát sự phân bố sóng âm trong môi trường đô thị, đồng thời đánh giá hiệu quả của phương pháp TLM trong việc mô phỏng quá trình truyền sóng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Âm học là ngành khoa học đã đƣợc hình thành, xây dựng và phát triển khá lâu liên quan đến rất nhiều đề tài nghiên cứu từ âm thanh trong các dụng cụ âm nhạc, sóng âm ứng dụng trong máy siêu âm hay các bộ dò vật thể dƣới nƣớc đến các ứng dụng về truyền sóng âm trong phòng kín hoặc trong không gian mở. Trong đó các nghiên cứu về sự phân bố sóng âm trong không gian truyền đƣợc quan tâm và phát triển mạnh trong những năm gần đây ở nƣớc ngoài vì đây là cơ sở cho các ứng dụng kiểm soát tiếng ồn trong đô thị hay kiểm soát sự phân bố âm trong một phòng (phòng hòa nhạc, phòng thu âm) nhằm đạt đƣợc độ lớn sóng âm tốt nhất. Với việc xác định đƣợc phân bố sóng âm trong không gian truyền thì có thể thiết kế đô thị để hạn chế tác động của tiếng ồn của nhà máy, khu công nghiệp, sân bay. đến sinh hoạt của dân cƣ.

Tuy nhiên, lĩnh vực âm học ở nƣớc ta lại chƣa mấy phát triển và vẫn chỉ giới hạn trong một vài môn học ở các khoa hoặc bộ môn trong các trƣờng Đại học và Cao đẳng với rất ít các bài báo và công trình nghiên cứu về sóng âm đặc biệt trong truyền sóng âm trong không gian nhằm kiểm soát tiếng ồn đô thị. Vì vậy, luận văn này sẽ trình bày các nội dung về truyền sóng âm trong không gian mở với những khảo sát cơ bản ban đầu nhằm tạo tiền đề để phát triển và hoàn thiện các công cụ giúp đỡ cho việc kiểm soát tiếng ồn đô thị tại Việt Nam.2 Giới thiệu phƣơng pháp số và các hƣớng nghiên cứu. Sự gia tăng các tiếng ồn trong các khu vực dân cƣ và các tác động của tiếng ồn đến sức khỏe con ngƣời dẫn đến các quan tâm về cơ chế và quá trình lan truyền sóng âm trong môi trƣờng ngoài. Quá trình lan truyền sóng ở môi trƣờng ngoài phụ thuộc rất nhiều vào sự ảnh hƣởng của không khí và các điền kiện biên giới hạn trong mô hình tính toán.

Hai yếu tố này đều biến đổi theo cả không gian và thời gian nên đòi hỏi phải có sự phân tích, tính toán trong cả hai miền. Nhiều phƣơng 2 pháp số đã và đang đƣợc nghiên cứu áp dụng cho mô hình truyền của sóng âm nhƣng các giới hạn về thời gian đã làm đại đa số các phƣơng pháp phân tích theo miền tần số nhƣ phƣơng pháp parabolic hay phƣơng pháp ray-tracing sẽ tạo ra các sai số đáng kể trong quá trình tính toán. Ngoài ra, do bản chất truyền sóng đòi hỏi cần có sự tính toán trong miền thời gian nên các phƣơng pháp số miền tần số hoặc các phƣơng pháp số phần tử biên (Boundary Element Method- BEM) không thể đáp ứng đƣợc. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị phần cứng máy tính, các phƣơng pháp số miền thời gian do khả năng tính toán cả trong miền không gian và thời gian nên có các yêu cầu khá lớn về khả năng tính toán của phần cứng cũng nhƣ không gian lƣu trữ đang đƣợc quan tâm trong những năm gần đây.

Trong số các phƣơng pháp miền thời gian, một số phƣơng pháp đang đƣợc nghiên cứu và cải thiện: - Phƣơng pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (Finite Difference Time- domain Method- FDTD) là phƣơng pháp hiệu quả trong việc mô hình hóa quá trình lan truyền sóng âm trong các môi trƣờng phức tạp [1] hay truyền trong miền thời gian [2]. - Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (Finie Element Method- FEM) cũng là một phƣơng pháp đang đƣợc ứng dụng trong các tính toán sóng âm dƣới nƣớc phục vụ cho việc dò tìm đáy biển và khoáng sản. Tuy nhiên, các phƣơng pháp này đều chỉ tính toán giá trị sóng tại các nút của lƣới chia không gian nên các hiện tƣợng trong quá trình truyền sóng nhƣ phản xạ, khúc xạ và nhất là tác động của các sóng phản xạ rất khó đƣợc tính toán và khảo sát. Hơn nữa, việc đồng bộ giữa bản chất vật lý của sóng âm trong quá trình truyền với hai phƣơng pháp trên khó thực hiện chẳng hạn điều kiện của các khoảng chia rời rạc trong hệ tọa độ x-y tƣơng ứng là x và y thì không có mối liên hệ gì đến khoảng chia thời gian t.

Điều này sẽ dẫn đến sự sai lệch trong các bài toán khảo sát sự tác động của sóng phản xạ và hiện tƣợng giao thoa sóng. 3 Do hiệu quả tính toán tƣơng đƣơng và ít tiêu tốn không gian lƣu trữ hơn đồng thời có tính chất toán và lý với các thiết lập về mặt vật lý chẳng hạn nhƣ có quan hệ giữa các khoảng rời rạc không gian và thời gian theo vận tốc truyền sóng nên một phƣơng pháp khác đang đƣợc quan tâm và nghiên cứu gần đây: phƣơng pháp ma trận đƣờng dây truyền dẫn (Transmission Line Matrix – TLM). Phƣơng pháp TLM đƣợc Johns và Beurle trình bày lần đầu trong việc tính toán sóng điện từ trƣờng [3], chủ yếu áp dụng cho sóng hai chiều trong môi trƣờng đồng nhất. Sau đó, phƣơng pháp này đƣợc Saleh và Blanchfield áp dụng vào lĩnh vực âm học trong những năm 90 [4].

Tại Việt Nam, phƣơng pháp TLM đƣợc ứng dụng trong tính toán trƣờng điện từ [5]. Trong âm học, phƣơng pháp TLM đƣợc biết với nhiều tên nhƣ “Mô hình Huygen rời rạc” hay “Phƣơng pháp phần tử tán xạ”[6]. Kagawa đã trình bày tóm tắt cách áp dụng phƣơng pháp TLM vào trong sóng âm trong môi trƣờng truyền và ở các biên phản xạ [7]. Từ đó, nhiều nghiên cứu và ứng dụng đƣợc phát triển nhƣ việc mô hình sóng âm trong không gian ba chiều [8].

Bài báo này đã định nghĩa các nút trong môi trƣờng tán xạ, sự thay đổi của vận tốc truyền cũng nhƣ đƣa ra mô hình cho bề mặt tiếp xúc của hai chất lỏng. Việc áp dụng TLM để tính toán truyền sóng âm trong môi trƣờng ngoài vẫn luôn đƣợc quan tâm và nghiên cứu. Tsuchiya đã mô hình khả năng hấp thụ sóng âm của không khí tƣơng đƣơng với một bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn [9] nhƣng khối lƣợng tính toán rất nhiều. Từ sự tƣơng quan giữa sóng điện từ và sóng âm đã có nghiên cứu mô hình các môi trƣờng hấp thụ sóng âm hay lớp hấp thụ thành các mạch điện để có thể dễ dàng áp dụng phƣơng pháp TLM [10,11].

Gần đây, Hofmann và Heutschi cũng tính toán sóng âm truyền qua đất với các góc truyền khác nhau [12] với các điều kiện biên đƣợc Cotte trình bày [1]. Khá nhiều bài viết đã đƣa ra nhiều ý tƣởng để hỗ trợ cho việc áp dụng TLM trong âm học thêm đơn giản và cải thiện tính chuẩn xác trong tính toán. Tuy nhiên, vấn đề luôn tồn tại chính là việc xây dựng, mô hình các điều kiện biên miền thời gian để có thể áp dụng vào trong TLM cũng nhƣ đánh giá tác động của bầu khí 4 quyển, bề mặt đất và các bề mặt phản xạ hay vật cản tác động đến quá trình truyền sóng âm. Đây cũng là vấn đề quan trọng cần giải quyết trong việc nghiên cứu sự truyền sóng âm trong môi trƣờng ngoài.

Một số bài viết đã có những nghiên cứu việc truyền sóng trong không gian mở [13] và cụ thể trong thực tế là khu vực đô thị [14]. Để tăng cƣờng độ chuẩn xác, nhóm nghiên cứu Gwenael và Picaut đã đƣa ra phƣơng trình đơn giản hơn cho biên hấp thụ [15] và đã trình bày phƣơng trình miền thời gian và thông số xấp xỉ của trở kháng mặt đất cho môi trƣờng ngoài áp dụng cho phƣơng pháp TLM [6]. Ngoài ra, cũng có các nghiên cứu tác động của các yếu tố nhƣ gió hay nhiệt đến quá trình truyền sóng âm [16]. Nhƣng các bài viết này vẫn chƣa cho thấy tác động tổng hợp của các dạng biên kết hợp giữa biên trở kháng phức (mô tả cho mặt đất) và các biên hấp thụ (mô tả cho khoảng không lớn) đối với quá trình truyền sóng âm học trong một miền khảo sát tổng quát chẳng hạn các hiện tƣợng giao thoa sóng, các vị trí xảy ra nút và bụng, xuất hiện sóng đứng vì các vị trí ấy dễ có mức độ âm lƣợng cao, gây ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời.3 Mục tiêu luận văn.

Mục tiêu chủ yếu chính là khảo sát sự tác động của các biên hấp thụ, các biên mặt đất, ảnh hƣởng của các tòa nhà đối với sự truyền và phân bố sóng âm trong một mô hình khảo sát chung mô phỏng cho môi trƣờng đô thị bằng phƣơng pháp TLM dựa trên các cơ sở, phƣơng trình đƣợc thiết lập từ nhiều bài [6, 7,10,13-16]. Ngoài ra, luận văn còn tìm hiểu phƣơng pháp TLM và các phƣơng trình ma trận cần thiết để áp dụng phƣơng pháp TLM vào trong việc tính toán sự lan truyền sóng âm Trong luận văn này cũng sẽ khảo sát so sánh lại phƣơng trình biên hấp thụ của Gwenael [15] với phƣơng trình mà De Cogan đặt ra [17]. Ngoài ra, căn cứ vào phƣơng trình biên mặt đất của [1,6,18,19] sẽ sửa đổi dạng công thức tối ƣu của Cotte [1] để có thể xây dựng dạng xấp xỉ cho nhiều mô hình trở kháng mặt đất và đƣa ra một bài toán tối ƣu chung để áp dụng. 5 Các mô hình mô phỏng và bài toán tối ƣu đều đƣợc viết bằng chƣơng trình Matlab và dùng phƣơng pháp TLM để khảo sát và tính toán.

Cuối cùng sẽ thực hiện các mô phỏng cho mô hình không gian mở trong thực tế mà cụ thể ở luận văn này là khu vực đô thị với các tòa nhà cao tầng.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu  Đối tƣợng nghiên cứu - Tìm hiểu lý thuyết về sóng âm và phƣơng pháp TLM cũng nhƣ cách thức áp dụng phƣơng pháp TLM vào tính sóng âm trong quá trình truyền trong không gian. - Tìm hiểu và xây dựng các phƣơng trình mô tả cho các yếu tố tác động đến quá trình truyền sóng trong môi trƣờng nhƣ tác động khi truyền sóng trong khoảng không lớn hay tác động của bề mặt đất. - Xây dựng các bài toán tối ƣu phục vụ cho công việc mô hình các yếu tố môi trƣờng.  Phạm vi nghiên cứu - Tập trung vào khảo sát tác động của mặt đất đến quá trình truyền sóng âm trong không gian và sự ảnh hƣởng do kích thƣớc lớn của môi trƣờng với giả thiết rằng môi trƣờng là đồng chất và không tán xạ.

- Dùng phƣơng pháp ma trận đƣờng dây truyền dẫn TLM để khảo sát sóng âm và chủ yếu là thiết lập các phƣơng trình biên dƣới dạng lớp hấp thụ và biên trở kháng phức.