ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Информатика, вычислительная техника и управление
C.Н. Кулигин, А.А. Чусов, А.П. Лысенко, Л.Г. Стаценко, Н.А. Черкасова
Параллельный алгоритм численного моделирования акустического поля с учетом рассеивания звука при переотражениях
Аннотация:
Предложен алгоритм численного моделирования акустических полей в помещении с возможностью распараллеливания вычислений. Данный алгоритм является частью разрабатываемого авторами программного решения, позволяющего выполнять моделирование физических полей в различных предметных областях, являясь при этом масштабируемым в смысле использования произвольного набора параллельных вычислителей. Использование существующих систем моделирования связано с большими трудностями при решении сложных задач с высокой степенью детализации моделируемого объекта, когда исследователи сталкиваются с ограниченностью вычислительных ресурсов. Большая точность предполагает высокую степень дискретизации и, соответственно, большее число проводимых элементарных модельных вычислений. Параллельные и распределенные системы вычисления имеют гораздо лучшее соотношение точности аппроксимации и временных и стоимостных издержек по сравнению с однопроцессорными системами. Фактически современные системы моделирования общего назначения используют упрощенную, геометрически приближенную лучевую модель распространения звука, которая пренебрегает дифракционными и интерференционными эффектами, зачастую критическими в архитектурной акустике.
В статье предложен алгоритм, который основан на приближении принципа суперпозиции звуковых полей, т.е. он точен, пока актуальна линейность уравнений акустики. В основе лежит интеграл Рэлея и аппроксимация отражающих поверхностей плоскими поршневыми излучателями. Представлена параллельная форма такого алгоритма, а также анализ его свойств – как в последовательной, так и в параллельной формах.
Ключевые слова: параллельные вычисления, компьютерное моделирование, алгоритмизация, архитектурная акустика, интеграл Рэлея, программный комплекс, высокопроизводительные вычисления.
Kuligin S., Chusov A., Lysenko A., Statsenko L., Cherkasova N.
A parallel algorithmic approach to simulate acoustical fields with respect to scattering of sound due to reflections
Abstract: The article presents an algorithmic model of sound propagation in rooms to run on parallel and distributed computer systems. The algorithm is used by the authors in an implementation of an adaptable high-performance computer system simulating various fields and providing scalability on an arbitrary number of parallel central and graphical processors as well as distributed computer clusters. The existing general-purpose computer simulation systems have limited usability when it comes to high-precision simulation associated with large numbers of elementary computations due to the lack of scalability on various parallel and distributed platforms of theirs. The more the required adequacy of the model is, the higher numbers of steps of simulation algorithms are. Scalability permits use hybrid parallel computer systems and to improve efficiency of simulation with respect to adequacy, time consumptions, and total costs of simulation experiments. The paper presents an algorithm based on approximate superposition of acoustical fields and provides the results actual as long as the used equations of acoustics are linear. The algorithm represents the reflecting surfaces as sets of vibrating pistons and it uses the Rayleigh integral to calculate their scattering properties. The article also provides a parallel form of the algorithm and analysis of its properties in parallel and sequential forms.
Key words: distributed computing, modeling, architectural acoustics, Rayleigh integral, algorithm, software package.
