Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
A Kirchhoff approximation-based numerical method to compute multiple acoustic scattering of a moving source
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Aeronautical and Vehicle Engineering. KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, VinnExcellence Center for ECO2 Vehicle design.ORCID iD: 0000-0002-7006-067X
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Aeronautical and Vehicle Engineering. KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, VinnExcellence Center for ECO2 Vehicle design.ORCID iD: 0000-0003-0176-5358
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Aeronautical and Vehicle Engineering. KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, VinnExcellence Center for ECO2 Vehicle design.ORCID iD: 0000-0003-4103-0129
2015 (English)In: Applied Acoustics, ISSN 0003-682x, Vol. 96, 108-117 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Within the scope of a study of external noise propagation from moving ground vehicles, a numerical method is developed to compute the acoustic field emitted by a moving source in the presence of scattering objects such as roads, buildings or noise-shields. This method is developed with the purpose of being used in a vehicle design process and therefore it must have a low computational cost, which requires a certain number of approximations. The case of a fixed point source is studied first then the effect of a movement of the source is taken into account through the introduction of a retarded time. The acoustic source is assumed to be represented by one or many harmonic monopoles of possibly different frequency moving with a constant speed in a quiescent flow field. Scattering from nearby perfectly reflecting objects is computed through a Kirchhoff–Helmholtz integral equation applying the Kirchhoff approximation. A ray-surface intersection algorithm to compute shadow areas is proposed. The method is validated against analytical solutions and experimental results for a fixed source, and against a higher-order finite difference time-domain method for the multiple scattering of a moving source. Results are good and show that this method can potentially be used to predict urban noise.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2015. Vol. 96, 108-117 p.
Keyword [en]
Multiple scattering, Moving source, Kirchhoff–Helmholtz integral, Kirchhoff approximation, Urban noise
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-163047DOI: 10.1016/j.apacoust.2015.03.016ISI: 000355033900013Scopus ID: 2-s2.0-84926306952OAI: oai:DiVA.org:kth-163047DiVA: diva2:798494
Note

QC 20150424

Available from: 2015-03-26 Created: 2015-03-26 Last updated: 2017-12-04Bibliographically approved
In thesis
1. Sound propagation from sustainable ground vehicles: from aeroacoustic sources to urban noise
Open this publication in new window or tab >>Sound propagation from sustainable ground vehicles: from aeroacoustic sources to urban noise
2015 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Transportation is the main source of environmental noise in Europe, with an estimated 125 million people affected by excessive noise levels from road traffic, causing a burden of noise related diseases and having a substantial economic impact on society. In order to reduce exposure to high levels of traffic noise, two approaches are the topic of extensive research: preventing sound from propagating from roads and railways using for example noise barriers, and reducing the sources of noise themselves. The second solution, which addresses directly the cause of the problem, requires improved design methods, with a more systematic resort to multi-functional design. Addressing cross-functions simultaneously reduces the number of design iterations and the high cost of prototyping.

The work presented in this thesis aims at developing methods that can be used to design quieter vehicle concepts within a multi-functional approach, and is articulated around two main axis of research, aerodynamic sound generation and sound propagation.

The first axis aims at performing an aeroacoustic analysis to predict aerodynamic sound sources. A hybrid method is used on the example of a type of submerged air inlet called a NACA duct, where the near-field flow is solved through detached eddy simulation (DES) and where the far-field acoustics is computed using the Ffowcs Williams and Hawkings integral. Results for the flow for various operating conditions are presented and validated against experimental data from the literature, with very good agreement. Far-field acoustic results are shown, exhibiting levels and components that are strongly dependent on the operating conditions. This analysis gives a framework for future aeroacoustic analysis in the project, and sets the path for the development of air inlets with improved aerodynamic and aeroacoustic characteristics.

The second axis focuses on the propagation of sound from a given source, moving in an urban environment. An approximate boundary method is presented, which relies on the Kirchhoff approximation applied to the Kirchhoff-Helmholtz integral equation. Using this approximation speeds up the computational time compared to using a regular boundary element method. The resulting expression is extended to account for multiple scattering through consecutive updates of the surface pressures, and for moving sources through the introduction of a retarded time and of a Doppler shift. Validation tests for this method are presented, from simple scatterers to a more realistic configuration, showing good agreement with analytical, experimental and simulated work.

Abstract [sv]

Fordon är den främsta källan till bullerexponering i Europa med uppskattningsvis 125 miljoner människor som är utsatta för höga ljudnivåer från vägtrafik, vilket kan orsaka bullerrelaterade häsloproblem samt har en betydande ekonomisk effekt på samhället. För att minska exponeringen för höga ljudnivåer från fordon, finns det två angreppssätt som båda idag är ämne för omfattande forskning: att förhindra ljudutbredning från vägar och järnvägar (till exempel med hjälp av bullerskydd), samt att minska ljudnivån från olika bullerkällor. Den sistnämnda, som direkt riktar sig till problemets orsak, kräver förbättrade designmetoder med mer systematisk användning av multifunktionell design. Att hantera flera funktioner hos fordonet samtidigt minskar antalet designiterationer och den höga kostnaden för prototyper.

Arbetet som presenteras i denna avhandling syftar till att utveckla metoder som kan användas för att utforma tystare fordonskoncept inom ramen för en multifunktionell strategi och fokuserar på två spår i forskningen: aerodynamisk ljudalstring och ljudutbredning från rörliga källor.

Det första spåret i forskningen syftar till att utföra en aeroakustisk undersökning för att modellera aerodynamiska ljudkällor. En hybridmetod tillämpas på ett typ av nedsänkt luftintag, kallat NACA-intag, där källområdet i strömningen löses genom detached eddy simulation (DES) och akustiken i fjärrfältet beräknas enligt Ffowcs Williams och Hawkings integral. Resultat för strömningen för olika driftförhållanden presenteras och valideras mot experimentella data från litteraturen, med mycket god överensstämmelse. Resultat för det akustika fjärrfältet visas, vilket uppvisar nivåer och komponenter som är starkt beroende av driftförhållandena. Denna analys ger en ram för kommande analyser av aeroakustik inom projektet och visar vägen för utvecklingen av luftintag med förbättrade aerodynamiska och aeroakustika egenskaper.

Det andra spåret i forskningsprojektet är inriktat på ljudets utbredning från en given källa som rör sig i en urban miljö. En approximativ randvärdesmetod presenteras som bygger på Kirchhoff approximation tillämpad på Kirchhoff-Helmholtz integralekvation. Med hjälp av denna approximation minskas beräkningstiden jämfort med vanlig boundary element method (BEM). Modellen utvecklas sedan för att kunna hantera flera reflektioner genom att det akustiska trycket på ytorna uppdateras för varje reflektion samt för att kunna hantera rörliga källor genom att introducera tidsfördröjningar och Dopplerförskjutning. Validering för denna modell presenteras, från enkla spridare till en mer realistisk urban konfiguration, som visar god överensstämmelse med analytiskt, experimentellt och simulerat data.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2015. xiii, 65 p.
Series
TRITA-AVE, ISSN 1651-7660 ; 2015:67
Keyword
sound propagation, sound generation, ground vehicle, aeroacoustics, aerodynamics, Kirchhoff approximation, detached eddy simulation, Ffowcs Williams and Hawkings, ljudutberdning, ljudalstring, markfordon, aeroakustik, aerodynamik, Kirchhoff approximation, detached eddy simulation, Ffowcs Williams and Hawkings
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics Vehicle Engineering
Research subject
Vehicle and Maritime Engineering; Engineering Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-174182 (URN)978-91-7595-704-3 (ISBN)
Presentation
2015-10-15, D2, Lindstedtsvägen 5, KTH, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20151002

Available from: 2015-10-02 Created: 2015-10-01 Last updated: 2015-10-02Bibliographically approved
2. Predicting the sound field from aeroacoustic sources on moving vehicles: Towards an improved urban environment
Open this publication in new window or tab >>Predicting the sound field from aeroacoustic sources on moving vehicles: Towards an improved urban environment
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

In a society where environmental noise is becoming a major health and economical concern, sound emissions are an increasingly critical design factor for vehicle manufacturers. With about a quarter of the European population living close to roads with heavy traffic, traffic noise in urban landscapes has to be addressed first. The current introduction of electric vehicles on the market and the need for sound systems to alert their presence is causing a shift in mentalities requiring engineering methods that will have to treat noise management problems from a broader perspective. That in which noise emissions need not only be considered as a by-product of the design but as an integrated part of it. Developing more sustainable ground transportation will require a better understanding of the sound field emitted in various realistic operating conditions, beyond the current requirements set by the standard pass-by test, which is performed in a free-field. A key aspect to improve this understanding is the development of efficient numerical tools to predict the generation and propagation of sound from moving vehicles.

In the present thesis, a methodology is proposed aimed at evaluating the pass-by sound field generated by vehicle acoustic sources in a simplified urban environment, with a focus on flow sound sources. Although it can be argued that the aerodynamic noise is still a minor component of the total emitted noise in urban driving conditions, this share will certainly increase in the near future with the introduction of quiet electric engines and more noise-efficient tyres on the market.

This work presents a complete modelling of the problem from sound generation to sound propagation and pass-by analysis in three steps. Firstly, computation of the flow around the geometry of interest; secondly, extraction of the sound sources generated by the flow, and thirdly, propagation of the sound generated by the moving sources to observers including reflections and scattering by nearby surfaces. In the first step, the flow is solved using compressible detached-eddy simulations. The identification of the sound sources in the second step is performed using direct numerical beamforming with linear programming deconvolution, with the phased array pressure data being extracted from the flow simulations. The outcome of this step is a set of uncorrelated monopole sources. Step three uses this set as input to a propagation method based on a point-to-point moving source Green's function and a modified Kirchhoff integral under the Kirchhoff approximation to compute reflections on built surfaces. The methodology is demonstrated on the example of the aeroacoustic noise generated by a NACA air inlet moving in a simplified urban setting. Using this methodology gives insights on the sound generating mechanisms, on the source characteristics and on the sound field generated by the sources when moving in a simplified urban environment.

Abstract [sv]

I ett samhälle där buller håller på att bli ett stort hälsoproblem och en ekonomisk belastning, är ljudutsläpp en allt viktigare aspekt för fordonstillverkare. Då ungefär en fjärdedel av den europeiska befolkningen bor nära vägar med tung trafik, är åtgärder för minskat trafikbuller i stadsmiljö en hög prioritet. Introduktionen av elfordon på marknaden och behovet av ljudsystem för att varna omgivningen kräver också ett nytt synsätt och tekniska angreppssätt som behandlar bullerproblemen ur ett bredare perspektiv. Buller bör inte längre betraktas som en biprodukt av konstruktionen, utan som en integrerad del av den. Att utveckla mer hållbara marktransporter kommer att kräva en bättre förståelse av det utstrålade ljudfältet vid olika realistiska driftsförhållanden, utöver de nuvarande standardiserade kraven för förbifartstest som utförs i ett fritt fält. En viktig aspekt för att förbättra denna förståelse är utvecklingen av effektiva numeriska verktyg för att beräkna ljudalstring och ljudutbredning från fordon i rörelse.

I denna avhandling föreslås en metodik som syftar till att utvärdera förbifartsljud som alstras av fordons akustiska källor i en förenklad stadsmiljö, här med fokus på strömningsgenererat ljud. Även om det aerodynamiska bullret är fortfarande en liten del av de totala bullret från vägfordon i urbana miljöer, kommer denna andel säkerligen att öka inom en snar framtid med införandet av tysta elektriska motorer och de bullerreducerande däck som introduceras på marknaden.

I detta arbete presenteras en komplett modellering av problemet från ljudalstring till ljudutbredning och förbifartsanalys i tre steg. Utgångspunkten är beräkningar av strömningen kring geometrin av intresse; det andra steget är identifiering av ljudkällorna som genereras av strömningen, och det tredje steget rör ljudutbredning från rörliga källor till observatörer, inklusive effekten av reflektioner och spridning från närliggande ytor. I det första steget löses flödet genom detached-eddy simulation (DES) för kompressibel strömning. Identifiering av ljudkällor i det andra steget görs med direkt numerisk lobformning med avfaltning med hjälp av linjärprogrammering, där källdata extraheras från flödessimuleringarna. Resultatet av detta steg är en uppsättning av okorrelerade akustiska monopolkällor. Steg tre utnyttjar dessa källor som indata till en ljudutbredningsmodel baserad på beräkningar punkt-till-punkt med Greensfunktioner för rörliga källor, och med en modifierad Kirchhoff-integral under Kirchhoffapproximationen för att beräkna reflektioner mot byggda ytor. Metodiken demonstreras med exemplet med det aeroakustiska ljud som genereras av ett NACA-luftintag som rör sig i en förenklad urban miljö. Med hjälp av denna metod kan man få insikter om ljudalstringsmekanismer, om källegenskaper och om ljudfältet som genereras av källor när de rör sig i en förenklad stadsmiljö.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2017. 70 p.
Series
TRITA-AVE, ISSN 1651-7660 ; 2017:25
Keyword
pass-by simulations, aeroacoustic sources, urban sound propagation, direct numerical beamforming, linear programming deconvolution, Kirchhoff approximation, moving sources, detached-eddy simulation, Ffowcs Williams-Hawkings, vehicle design, förbifartssimuleringar, aeroakustiska källor, urban ljudutbredning, direkt numerisk lobformning, avfaltning med hjälp av linjärprogrammering, Kirchhoffs approximation, rörliga källor, detached-eddy simulation, Ffowcs Williams-Hawkings, fordonsdesign
National Category
Engineering and Technology Fluid Mechanics and Acoustics Vehicle Engineering
Research subject
Vehicle and Maritime Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-205791 (URN)978-91-7729-364-4 (ISBN)
Public defence
2017-05-18, F3, Lindstedtsvägen 26, Sing-Sing, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20170425

Available from: 2017-04-25 Created: 2017-04-24 Last updated: 2017-04-25Bibliographically approved

Open Access in DiVA

pignier2015approximation(1440 kB)896 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1440 kBChecksum SHA-512
4221a17d75cdd82d7d1e0c5bd04863939efcc59b94a79cdab262c5622085cab6f274a880dab7fe0b5ca03e2f3c7adb1a96fe9e09678c83712619e9c0f4959da2
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textScopusSciencedirect

Authority records BETA

Pignier, Nicolas J.O'Reilly, Ciarán J.Boij, Susann

Search in DiVA

By author/editor
Pignier, Nicolas J.O'Reilly, Ciarán J.Boij, Susann
By organisation
Aeronautical and Vehicle EngineeringVinnExcellence Center for ECO2 Vehicle design
In the same journal
Applied Acoustics
Fluid Mechanics and Acoustics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 896 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 1699 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf