Kutatás

Egy nem-tradícionális példa csövesfuvola méretezésére

Nagy hangterjedelmű regiszterek esetén (három vagy több oktáv) az orgonaépítők előszeretettel alkalmaznak átmeneteket. Ez azt jelenti, hogy a regiszter kettő–négy különböző síptípust alkalmazó sípsorból áll. Igen gyakori átmenet a zárt fasípról nyitott fémsípra való átlépés. (Ennek praktikus oka, hogy a fasípok jóval olcsóbbak a fémsípoknál.) Átmenetet tartalmazó regiszterek építésénél az orgonaépítő arra törekszik, hogy az átmeneti pont (más néven váltóhang) helyét a lehető legjobban elrejtse a hallgató elől. Ennek érdekében különféle menzúrákat, hangolási és intonációs eljárásokat alkalmaznak.

Ez a példa azt mutatja be, hogy megfelelő átmérőjű lyukat fúrva a zárt fasíp lezáró elemébe elérhető a harmadik és ötödik felhangok kiemelése a síphangban, ami fémsípokéhoz közelebb álló hangzást eredményez. A  rezonátor és a kis furat együttesen csövesfuvolaként viselkedik, ezért a furat átmérőjének meghatározásakor a csövesfuvolák hangolásához hasonlóan kell eljárni.

Az alábbi ábrán egy zárt fasíp spektruma látható, furat nélkül (bal oldalon), illetve egy 5,5 mm átmérőjű furattal (jobb oldalon). Látható, hogy a kis furat a harmadik és ötödik módus frekvenciáját úgy hangolja be, hogy azok felerősítik a síphangban a 3. (kvint) és az 5. (terc) felharmonikusokat, 10, illetve 20 dB-lel. Az ábrák alatt meghallgathatóak a síphangról készült felvételek. Mivel egy orgonasíp minden egyes megszólalása valamelyest különböző, három egymást követő megszólalás hallható. (Megjegyzés: a sípok azonos alaphangra lettek hangolva, viszont külön intonációs lépéseket nem végeztek rajtuk. Megfelelő intonációval az erősítés jelensége még karakteresebbé tehető.)

Ajaksíp áramlásszimulációja

Ajaksípokban a hang a sípba történő levegőáramlással keletkezik. Amikor a játékos lenyom egy billentyűt, a levegő elkezd áramlani a megfelelő sípba, így a nyomás a síplábban megnő. A hangkeltés alatt a megemelkedett nyomás a síplábban konstansnak tekinthető. A nyomásemelkedés hatására a levegő a magrés felé áramlik és itt egy vékony légnyelv formájában lép ki a síptestből. Egy ilyen légnyelv szimulációja látható az alábbi animáción.

Áramló közeg és mechanikai struktúra kölcsönhatásának szimulációja

A nyelvsípok hangja a rezgő fémnyelv és az akusztikai rezonátor aktív kölcsönhatása során jön létre. A hangkeltési mechanizmus ezért még az ajaksípok hangkeltésénél is komplexebb, mivel az áramláshoz csatolt rezgési jelenségeket is figyelmbe kell vennünk. Ezért egy megfelelő modellnek képesnek kell lennie az áramló közeg és mechanikai struktúra kölcsönhatásának szimulációjára is, a többi jelenség mellett.

Az alábbi animáción egy ilyen példa látható. A szimulációs modellben a mechanika struktúra végeselem módszer kezeli, míg az áramlási tartományban végestérfogat módszert alkalmazunk. Amint az áramló közeg, amely a tartomány bal oldala felől lép be a térbe, eléri a rugalmas falat, a fal a rá ható feszültségek következtében elhajlik. A számítási tartomány csomópontjai és elemei követik a deformációt, a csomópontokban számított elmozdulásértékeket diffúziós modell segítségével kaphatjuk meg. A két rendszer között gyenge csatolás valósul meg, a feszültség és elmozdulásértékeket a két tartomány közös határán vetítjük rá az egyik tartományról a másikra. (Ez a példa az icoFsiFoam megoldóprogramhoz tartozó példafeladat egy kissé módosított változata. Az eredeti példa az OpenFOAM 1.6-ext csomagban található meg.)

Aeroakusztikai szimuláció Matlab környezetben

Az aeroakusztikai szimuláció feladata a turbulens áramlás keltette hangtér reprodukciója. A valósághű modellezés nehézsége, hogy a kisméretű örvények által keltett hanghullámok kinyeréséhez nagyon finom numerikus hálóra van szükség. Nem megfelelő felbontású mesh alkalmazása esetén az előállított megoldásban a hasznos jel felett a numerikus hibák dominálhatnak. Szintén a modell feladata, hogy a nyitott számítási tartomány széléhez érő hanghullámok nemkívánatos reflexióit eliminálja, vagyis a tartományból kilépő hullámok a szabadtéri terjedés feltételeinek megfelelően haladjanak tovább.

Az alább látható animáción forgó örvénypár aeroakusztikai szimulációja látható. Az örvények sebességterét analitikus formulával számítjuk egy belső, nagyon finom felbontású hálóra. Szintén a belső hálón számítjuk ki az akusztikai forrásteret, a Lighthill-féle akusztikai analógia felhasználásával, numerikus módszerrel. Ezután a forrásteret a külső, durvább akusztikai hálóra interpoláljuk, ahol az időtartományban számítjuk a megoldást az akusztikai végeselem módszer segítségével. A reflexiómentes peremet a szimulációs tartományhoz illeszkedő végtelen elemek biztosítják. A szimuláció egésze saját fejlesztésű megoldószoftverrel készült.

Merevszárnyas robotrepülőgép irányítása

Robotrepülőgépek navigációs és irányítási rendszereinek tervezésében a legnagyobb kihívást a rendszer nemlinearitása jelenti. A fedélzeten rendelkezésre álló szenzorok által szolgáltatott adatok és a test mozgásállapotát leíró mennyiségek közötti összefüggések, illetve a beavatkozószervek vezérlőjele és a testre ható erők és nyomatékok közötti kapcsolatok is nemlineárisak. Ennek kezelése érdekében speciális algoritmusokra van szükség mind az állapotbecslés, mind az irányítás megvalósításához.

Az alábbi animáció egy merevszárnyas robotrepülőgép irányításának szimulációját mutatja be. A modell figyelembe veszi a szárnyakon keletkező felhajtóerőket, illetve ezek állásszögfüggését is. Az irányítási algoritmus a kijelölt pályán próbálja tartani a repülőgépet a motor fordulatszámának és a két kormányfelület állásszögének szabályozásával. Zavaró hatásként állandó sebességű szelet vettünk figyelembe.