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。

这项研究的目的是在尚未在全球范围内实现的大空间中实现非线性声学分析，以挑战对应用它的超声波扬声器的高度准确的安全评估，并为高质量繁殖声音建立设计方法。超声波扬声器使用超声波波进行载波，并且是极其指示的，并且只能在诸如旅游指南之类的目的地中重现音频，并且近年来已用作3D声学的基础技术。另一方面，当人体长时间暴露于大振幅超声波中时，人们担心由于超声波的振动能量而引起的热量产生（热效应），并且由于超声波的振动能和空化的产生（非热效应）引起的振动会导致健康损害。此外，由于解调过程中音频波形的扭曲，声音质量会恶化。因此，尽管必须评估复制声音的声音质量，并对人体中超声波暴露的量进行安全评估，以实现高现实主义和安全性，但此时尚未确定这些量，并且有必要开发高度准确的预测技术，以实现人体复制的声音和超声波暴露。 Therefore, in this subject, the representative will connect the parallel acoustic analysis code (Figure 1) which has implemented high-speed calculations in large spaces, such as by introducing advanced balancing area division (BDD) preprocessing to this extent, with the parallel fluid analysis code that uses the same calculation algorithm, using a separate iterative coupling algorithm, so that nonlinear acoustic phenomenon can be reproduced without solving Westervelt方程。此外，通过引入可以减少元素数量的高性能元素（基于PUFEM的功能元素），可以实现允许房间尺度计算的非线性声学分析方法。该方法和测量声场的实验合并，以建立前所未有的设计方法，以确保超声波扬声器的安全性和繁殖声音质量。今年，我们组织了开发的必要问题，并进行了发展的准备。具体考虑包括明年的工作项目，研究团队会议的时间表以及在学术会议上进行的演讲。