 |
شیفت داپلر
معرفی
شما می توانید اثر داپلر را زمانی که یک آمبولانس یا یک ماشین آتش نشانی با صدای آژیر آن عبور می کند، متوجه شوید. صدای آژیر در لحظه ای که آمبولانس شروع به دور شدن از شما می کند ناگهان پایین می آید. اثر دیگری که می توانید بشنوید این است که چگونه به محض عبور آمبولانس، صدای آژیر به طور ناگهانی آرام تر می شود.
در این مثال، ناظر و هوا در حالت استراحت هستند در حالی که منبع صدا، آمبولانس، با سرعت V حرکت می کند . این همان اثری را ایجاد می کند که اگر منبع صدا در حالت استراحت باشد و ناظر و هوا با سرعت یکسان اما در جهت مخالف حرکت می کنند.
تعریف مدل
این یک مسئله متقارن محوری با منبع نقطه ای در حالت سکون در مبدأ است، ( r ، z ) = ( 0 ، 0 )، که امواج صوتی کروی با فرکانس f = 100 هرتز ساطع می کند. هوای اطراف با سرعت V = 50 متر بر ثانیه ( 180 کیلومتر در ساعت یا تقریباً 112 مایل در ساعت) در جهت منفی z حرکت می کند . با این تنظیم، صفحه rz صفحه افقی در سطح منبع و ناظر است و اثرات بازتاب در زمین نادیده گرفته می شود.
علاوه بر این، فرض کنید که ناظر در 1 متری محل عبور آمبولانس بایستد. در هندسه مدل، این وضعیت به اندازه حرکت ناظر با جریان در امتداد خط r = 1 است .
شرایط مرزی جذب می شوند زیرا هیچ مرز فیزیکی در اطراف منبع وجود ندارد. این با استفاده از لایه های کاملاً منطبق مدل شده است.
نتایج و بحث
طول موج صوتی برای جبهه موجی که در جهت مخالف جریان هوا حرکت می کند کاهش می یابد. این وضعیت مربوط به مرحله نزدیک شدن آمبولانس است که برای ناظر ساکن روی زمین، فرکانس درک شده ای را نشان می دهد که بالاتر از فرکانس منبع اسمی f است . برعکس، زمانی که موج صوتی همراه با جریان در مرحله خروج حرکت می کند، طول موج افزایش می یابد و فرکانس درک شده کاهش می یابد. این دو مرحله به ترتیب با منحنی های توپر و چین خورده در شکل 1 مطابقت دارند .
شکل 1: محور x نشان دهنده فاصله بین آمبولانس و نقطه ای است که از ناظر عبور می کند. خط ثابت فشاری را نشان می دهد که ناظر در حال حرکت آمبولانس به سمت آن است. خط چین فشار را نشان می دهد که آمبولانس در حال دور شدن از ناظر است.
بررسی شکل 1 همچنین نشان می دهد که وقتی آمبولانس از ناظر دور می شود دامنه با سرعت بیشتری نسبت به زمانی که به سمت آن حرکت می کند کاهش می یابد. این اثر در شکل 2 و 3 نیز قابل مشاهده است که هر دو سطح فشار صدا را نشان می دهند.
شکل 2: سطح فشار صدا در اطراف منبع نقطه ای، که با رنگ ها و خطوط خطوط نشان داده شده است. توجه داشته باشید که چگونه بیرونی ترین کانتور از داخل حوزه فیزیکی به سمت PML می رود و نشان می دهد که صدا در زیر منبع بزرگتر از بالای منبع است.
شکل 3: سطح فشار صدا در موقعیت ناظر در حین نزدیک شدن آمبولانس (خط جامد، آبی) و خروج (خط چین دار، سبز) در مقابل فاصله از موقعیت ( r , z ) = ( 1 متر ، 0) (جایی که ناظر- فاصله آمبولانس کوچکترین است).
مسیر کتابخانه برنامه: Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/doppler_shift
دستورالعمل مدلسازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  2D Axismetric کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Acoustics>Aeroacoustics>Linearized Potential Flow، Frequency Domain (lpff) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Frequency Domain را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهایی را برای شرایط جریان پس زمینه، فرکانس سیگنال و هندسه تعریف کنید.
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
V | 50[m/s] | 50 متر بر ثانیه | سرعت آمبولانس |
f0 | 100[Hz] | 100 هرتز | فرکانس سیگنال |
R0 | 20[m] | 20 متر | شعاع دامنه محاسباتی |
dRpml | 2[m] | 2 متر | ضخامت PML |
هندسه 1
دایره 1 (c1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Circle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دایره ، بخش اندازه و شکل را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Radius ، R0 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت نوشتار زاویه بخش ، 180 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Rotation Angle را پیدا کنید . در قسمت متن چرخش ، -90 را تایپ کنید . |
6 | برای گسترش بخش لایه ها کلیک کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام لایه | ضخامت (متر) |
لایه 1 | dRpml |
نقطه 1 (pt1)
1 | در نوار ابزار هندسه ، روی  نقطه کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Point ، روی  Build All Objects کلیک کنید . |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
تعاریف
کاملاً منطبق بر لایه 1 (pml1)
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی لایه  کاملاً منطبق کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه های 1 و 3 را انتخاب کنید. |
جریان پتانسیل خطی شده، دامنه فرکانس (LPFF)
مدل جریان پتانسیل خطی 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Linearized Potential Flow، Frequency Domain (lpff) روی Linearized Potential Flow Model 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مدل جریان پتانسیل خطی شده ، بخش مدل جریان پتانسیل خطی شده را پیدا کنید . |
3 | بردار V را به صورت مشخص کنید |
-V | z |
منبع نقطه جریان جرمی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Points کلیک کنید و Mass Flow Point Source را انتخاب کنید . |
2 | فقط نقطه 3 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای منبع نقطه جریان انبوه ، بخش منبع نقطه جریان انبوه را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متن m 1e-4 را تایپ کنید . |
بر اساس پیشنهاد مش کنترل شده توسط Physics برای جریان پتانسیل خطی شده، مش را ادامه دهید و تولید کنید . این کار با انتخاب Linearized Potential Flow، Frequency Domain به عنوان Contributor و سپس جابجایی به مش کنترل شده توسط کاربر در گره مش اصلی انجام می شود. سپس پارامترهای Mesh Size را تغییر دهید . حداکثر اندازه مش با کوتاهترین طول موج در مدل تقسیم بر 12 دیکته می شود تا نتایج صاف تری ایجاد شود، اما اگر تمرکز اصلی روند کلی مدل باشد، می توان این فاکتور را به 4 کاهش داد. در منطقه PML، از یک مش نگاشت شده با 8 لایه استفاده کنید.
مش 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مش ، بخش Sequence Type را پیدا کنید . |
3 | از لیست، مش کنترل شده توسط کاربر را انتخاب کنید . |
اندازه
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Mesh 1 روی Size کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت اندازه عنصر را پیدا کنید . |
3 | روی دکمه Custom کلیک کنید . |
4 | قسمت پارامترهای اندازه عنصر را پیدا کنید . در قسمت متن حداکثر اندازه عنصر ، (343[m/s]-V)/f0/12 را تایپ کنید . |
5 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
مطالعه 1
مرحله 1: دامنه فرکانس
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی مرحله 1: دامنه فرکانس کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دامنه فرکانس ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرکانس ها ، f0 را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
گروه‌های نمودار پیش‌فرض شامل نمودارهای فشار و سطح فشار صوت به‌صورت دو بعدی و سه بعدی هستند.
سطح فشار صدا، سه بعدی (lpff)
1 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، در بخش Results روی Sound Pressure Level, 3D (lpff) کلیک کنید . |
3 | در نوار ابزار سطح فشار صدا، 3D (lpff) ، روی  Plot کلیک کنید . |
کانتور 1
1 | روی Sound Pressure Level، 3D (lpff) کلیک راست کرده و Contour را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Contour ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Linearized Potential Flow، Frequency Domain>Pressure and sound Pressure level>lpff.Lp – Sound Pressure Level – dB را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست Coloring ، Uniform را انتخاب کنید . |
4 | از لیست رنگ ، سفید را انتخاب کنید . |
5 | تیک Color legend را پاک کنید . |
6 | در نوار ابزار سطح فشار صدا، 3D (lpff) ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار اکنون تحت تسلط تلفات تقریباً 50 دسی بل در PML است. برای مشاهده فقط دامنه فیزیکی، به صورت زیر انتخاب کنید.
مطالعه 1/راه حل 1 (sol1)
در پنجره Model Builder ، گره Results>Datasets را گسترش دهید ، سپس روی Study 1/Solution 1 (sol1) کلیک کنید .
انتخاب
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  ویژگی ها کلیک کنید و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
4 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
حذف PML از تجسم، سوگیری در مقیاس رنگ را به سمت مقدار در نقطه مبدا حرکت می دهد. از نظر ریاضی، فشار در مجاورت این نقطه با فاصله از نقطه نسبت معکوس دارد. در خود نقطه، این به معنای فشار بی نهایت بالا است. گسسته سازی منجر به یک مقدار محدود اما کاملاً وابسته به مش می شود (هرچه مش ریزتر باشد فشار بیشتر می شود). جریان از نقطه به خوبی تعریف شده است و منجر به توزیع فشار همگرا در هر فاصله محدود دور از نقطه می شود. این مشکل دو نمودار پیش فرض سه بعدی را تحت تأثیر قرار می دهد. برای سرکوب بالاترین مقادیر و دریافت تصویر بهتر از توزیع فشار صوتی و سطح فشار صدا، محدوده نمودار را به صورت دستی تنظیم کنید.
سطح
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Acoustic Pressure، 3D (lpff) را گسترش دهید ، سپس روی Surface کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، برای گسترش بخش Range کلیک کنید . |
3 | تیک گزینه Manual color range را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت حداقل متن، -0.01 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت Maximum text 0.01 را تایپ کنید . |
سطح
1 | در پنجره Model Builder ، در Results>Sound Pressure Level، 3D (lpff) روی Surface کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Range را پیدا کنید . |
3 | تیک گزینه Manual color range را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت حداقل متن، 24 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت Maximum text عدد 60 را تایپ کنید . |
6 | در نوار ابزار سطح فشار صدا، 3D (lpff) ، روی  Plot کلیک کنید . |
7 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
برای بازآفرینی نمودارهای خط در بخش نتایج و بحث، ابتدا باید دو خط برش ایجاد کنید، یکی از نقطه شروع به سمت بالا و دیگری پایین می‌آید و از نقطه شروع به فاصله 1 متر از منبع خارج می‌شود.
Cut Line 2D 1
1 | در نوار ابزار نتایج ، بر روی  Cut Line 2D کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Cut Line 2D ، بخش Line Data را پیدا کنید . |
3 | در ردیف 1 ، R را روی 1 و z را روی 0 تنظیم کنید . |
4 | در ردیف 2 ، R را روی 1 و z را روی 8 تنظیم کنید . |
5 |  روی Plot کلیک کنید . |
Cut Line 2D 2
1 | در نوار ابزار نتایج ، بر روی  Cut Line 2D کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Cut Line 2D ، بخش Line Data را پیدا کنید . |
3 | در ردیف 1 ، R را روی 1 و z را روی 0 تنظیم کنید . |
4 | در ردیف 2 ، R را روی 1 و z را روی -8 تنظیم کنید . |
5 |  روی Plot کلیک کنید . |
با خطوط برش تعریف شده، یک گروه طرح 1 بعدی برای طرح اول ایجاد کنید.
فشار روی خطوط برش
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  1D Plot Group کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، فشار روی خطوط برش را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن عنوان ، Pressure را تایپ کنید . |
5 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
6 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، فاصله (m) را تایپ کنید . |
نمودار خطی 1
1 | روی Pressure on Cut Lines کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Cut Line 2D 1 را انتخاب کنید . |
4 | روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Linearized Potential Flow، Frequency Domain>Pressure and صدا سطح >lpff.p – Pressure – Pa را انتخاب کنید . |
5 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . |
نمودار خط 2
1 | روی Line Graph 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Cut Line 2D 2 را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . زیربخش Line style را پیدا کنید . از لیست Line ، Dashed را انتخاب کنید . |
افسانه ها را به طرح اضافه کنید.
نمودار خطی 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Line Graph 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، قسمت Legends را پیدا کنید . |
3 | تیک Show legends را انتخاب کنید . |
4 | از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
5 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
آمبولانس به سمت شما حرکت می کند |
نمودار خط 2
1 | در پنجره Model Builder ، روی Line Graph 2 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، قسمت Legends را پیدا کنید . |
3 | تیک Show legends را انتخاب کنید . |
4 | از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
5 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
آمبولانس از شما دور می شود |
یک گروه نمودار دیگر برای طرح خط دوم ایجاد کنید.
6 | در نوار ابزار Pressure on Cut Lines ، روی  Plot کلیک کنید . |
SPL در Cut Lines
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، SPL را در Cut Lines در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن عنوان ، Sound Pressure Level را تایپ کنید . |
5 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
6 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، فاصله (m) را تایپ کنید . |
7 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، سطح فشار صدا (dB) را تایپ کنید . |
نمودار خطی 1
1 | روی SPL روی Cut Lines کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Cut Line 2D 1 را انتخاب کنید . |
4 | روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Linearized Potential Flow، Frequency Domain>Pressure and sound Pressure level>lpff.Lp – Sound Pressure Level – dB را انتخاب کنید . |
نمودار خط 2
1 | روی Line Graph 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Cut Line 2D 2 را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . زیربخش Line style را پیدا کنید . از لیست Line ، Dashed را انتخاب کنید . |
نمودار خطی 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Line Graph 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، قسمت Legends را پیدا کنید . |
3 | تیک Show legends را انتخاب کنید . |
4 | از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
5 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
آمبولانس به سمت شما حرکت می کند |
نمودار خط 2
1 | در پنجره Model Builder ، روی Line Graph 2 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، قسمت Legends را پیدا کنید . |
3 | تیک Show legends را انتخاب کنید . |
4 | از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
5 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
آمبولانس از شما دور می شود |
6 | در نوار ابزار SPL on Cut Lines ، روی  Plot کلیک کنید . |
