[发明专利]基于物理的火焰声音合成方法

权利要求书

1.一种基于物理的火焰声音合成方法，其特征是，包括下列步骤： 

火焰的视觉模拟：采用蓝色核心模型来建模火焰，对火焰进行模拟，并导出每帧的速度场和其他相关场量如燃料燃烧率； 

速度散度积分计算：由燃料燃烧率计算出由火焰前端包围部分的速度散度积分； 

基于快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform，以下简称FFT）的上采样：采用基于FFT的上采样对求得的速度散度积分进行重构； 

声压输出：对上采样之后的速度散度积分求导得到最终的声压。 

2.如权利要求1所述的基于物理的火焰声音合成方法，其特征是，对火焰进行模拟具体为：采用蓝色核心模型来建模火焰，该模型假设当气体燃料越过气体燃料与燃烧产生物的分界面时会立即完全燃烧，释放大量热量和相应的燃烧产生物，分界面被称为火焰前端，对火焰前端使用水平集或类似的方法显式跟踪，对气体燃料和燃烧产生物分别使用如下Navier-Stokes方程组进行建模： 

其中，公式（1）为动量方程，u为速度，t代表时间，p是压强，ρ为密度，f表示外力，包括浮力或者重力；公式(2)是质量方程，Φ是一个可选的散度源，通过事先指定或模拟得到的实时数据来计算Φ的值，当Φ大于零时，速度场在该点向外扩散；反之，当Φ小于零时，速度场在该点向里收缩；除了速度场之外，密度场用来建模燃烧产生烟雾的状态，温度场用来建模燃烧产生的热量。 

3.如权利要求1所述的基于物理的火焰声音合成方法，其特征是，速度散度积分计算具体为： 

基于蓝色核心的假设，热量释放集中在火焰前端，而热量释放量又和燃料速度直接成正比，于是可以将热量释放的体积积分转化速度通量的曲面积分，由此得到： 

其中，S为火焰前端，u表示速度，n是法向量，q代表热量释放量；为了避免该操作，根据高斯散度公式将曲面积分转化成散度的体积积分，即： 

其中，V是由火焰前端包围的任意几何体，基于描述声源和声音的传播波动方程，并忽略时间延迟和距离衰减，得到声压p(t)为： 

。

4.如权利要求1所述的基于物理的火焰声音合成方法，其特征是，基于FFT的上采样具体为：通过在频域下补零的方式构建一个基于FFT的上采样操作来实现信号增强，补零操作使用零填充来延长频谱长度，通过补零，将一个长度为L的频谱延长至N>L，如下所示： 

其中，L为原频谱长度，N为补零操作后频谱信号长度，N=kL，k为扩充倍数；上采样操具体是，首先将求得的散度值div(t)通过FFT从空域转变到频域s(ω)；保持低频部分不变，对高频部分进行补零操作；最后，通过逆向傅立叶变换（Inverse Fast Fourier Transform，简称IFFT）得到上采样后的时域信号。 

5.如权利要求1所述的基于物理的火焰声音合成方法，其特征是，声压输出具体为： 

为了求得声压p(t)，需要对散度值div(t)进行求导操作：使用立方插值函数对div(t)进行插值： 

其中，

之后，对其求导求得声压：