超音波スピーカの音場設計に向けた波動音響―流体並列連成計算に基づく非線形音響解析

基于波动声学-流体并行耦合计算的非线性声学分析超声扬声器声场设计

基本信息

批准号：
22K19779
负责人：
武居周
金额：
$ 3.99万
依托单位：
University of Miyazaki
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究の目的は、世界的に見て未だ実現していない大空間の非線形音響解析の実現と、それを応用する超音波スピーカの高精度な安全評価と、高品質な再生音の設計手法の確立に挑戦することである。超音波スピーカは、搬送波に超音波を用いるため指向性が非常に高く、観光案内等目的の場所のみに音声を再生できるものであり、近年、3次元音響の基盤技術としても用いられている。反面、大振幅の超音波に人体が長時間暴露した際、超音波の振動エネルギーによる人体内の発熱（熱的作用）と、振動によるキャビテーションの発生（非熱的作用）で健康被害が懸念される。また、復調時に音声波形が歪むことにより、音質が低下する。そのため、再生音の音質評価とあわせて人体の超音波暴露量に対する安全評価を実施することは高臨場感と安全性の両立において必須であるものの、現時点ではこれらが未だ確立されておらず、再生音と超音波人体暴露量双方の高精度な予測技術の開発が求められる。そこで、こで本課題では、代表者がこれまでに高度なバランシング領域分割(BDD)前処理を導入する等して、大空間の高速計算を実現した並列音響解析コード（図1）と、同じ計算アルゴリズムを適用した並列流体解析コードを分離反復型の連成アルゴリズムにより接続することで、Westervelt方程式を解くことなく非線形音響現象を再現できるようにする。更に、これに要素数を削減できる高性能要素 (PUFEMに基づく関数要素)を導入することで、部屋スケールの計算が可能な非線形音響解析手法を実現する。そして、この手法と音場の測定実験を組合せ、前人未到の、超音波スピーカの安全性と再生音質の両方を担保する設計の方法論を確立する。今年度は、開発に必要となる事項について整理し、開発の準備を進めた。具体的な検討内容は、来年度の作業項目、研究チームのミーティング予定、学会等での発表予定についてである。

本研究的目的是实现全球范围内尚未实现的大空间非线性声学分析，将其应用于超声波扬声器的高精度安全评估，并开发一种高质量再现声音的设计方法。关于挑战当权派。超声波扬声器使用超声波作为载波，因此具有非常高的方向性，只能在预定的地方再现声音，例如旅游信息。近年来，它们也被用作三维声音的基础技术。另一方面，当人体长时间暴露在大振幅超声波下时，由于超声波的振动能量在人体内产生热量（热效应），人们担心会对健康造成损害。由振动引起的空化（非热效应）。此外，音频波形在解调过程中会失真，导致音质下降。因此，除了评估再现声音的音质外，还必须对人体超声波照射量进行安全评估，以达到高度的真实感和安全性，但这些方法都没有实现。目前尚未建立，需要开发针对人体暴露于声音和超声波的高精度预测技术。因此，在该项目中，代表使用了相同的并行声学分析代码（图1），通过引入先进的平衡域分解（BDD）预处理，通过连接应用计算算法的并行流体分析代码，实现了大空间的高速计算。使用单独的迭代耦合算法，可以在不求解 Westervelt 方程的情况下重现非线性声学现象。此外，通过引入可以减少单元数量的高性能单元（基于PUFEM的功能单元），我们将实现可以进行房间尺度计算的非线性声学分析方法。通过将该方法与声场测量实验相结合，我们将建立一种前所未有的超声波扬声器设计方法，确保安全性和声音再现质量。今年，我们整理了发展所需事项，做好了发展准备工作。具体考虑的事项包括明年的工作事项、研究组会议安排、学术会议报告安排等。