Vantaggi della simulazione acustica in fase di progettazione

La qualità del suono è una componente spesso trascurata, ma critica, del processo di sviluppo di un prodotto. Per la maggior parte dei prodotti, il suono è un effetto collaterale della loro funzionalità principale. Eppure la qualità del suono è in grado di creare o distruggere la reputazione di un prodotto e di incoraggiare o scoraggiare le vendite future. 

Per le applicazioni in cui il suono è regolamentato, come nel settore aerospaziale, automobilistico, dei macchinari pesanti e ferroviario, la simulazione acustica può garantire la conformità fin dalle prime fasi, evitando ritardi nel lancio o potenziali richiami del prodotto.

Tradizionalmente, la valutazione del suono è stata relegata alla fase di prototipazione fisica e di test, a valle cioè di una lunga fase di progettazione avente come focus le prestazioni funzionali chiave, come l’efficienza termica di un sistema HVAC, o le performance di una turbomacchina, o ancora l’aerodinamica di un veicolo. Il suono viene quindi spesso lasciato in secondo piano. Correggere a posteriori il design a causa di un rumore eccessivo può quindi rivelarsi un processo lungo e costoso, senza la certezza di aver identificato le cause del rumore stesso.

Risolvere il problema acustico senza un processo iterativo di progettazione e prototipazione significa sfruttare strumenti di simulazione innovativi, che aiutino a isolare le fonti di rumore per comprenderne l'impatto sulla qualità sonora complessiva. Invece di aspettare la fase di prototipazione fisica, la correzione di qualsiasi rumore indesiderato può essere effettuata mentre i prodotti vengono modellati virtualmente. Gli sviluppatori di prodotti non devono più indovinare le fonti di rumore indesiderato, ma possono vedere con precisione dove si originano gli effetti acustici negativi nel modello. 

L'origine multifisica del rumore e il massimo impatto della simulazione

I fenomeni che generano rumore sono spesso di natura multifisica. Il campo elettromagnetico di un motore elettrico si traduce in carichi sulle componenti fisse e rotanti di una turbomacchina. Il campo fluidodinamico può contribuire con una distribuzione di pressione transitoria sulle pareti della struttura. Queste forze a loro volta generano una vibrazione che si propaga nel componente solido e poi nel mezzo circostante come radiazione sonora.

Di conseguenza, il massimo impatto di una analisi acustica si ottiene quando viene combinata con strumenti di simulazione delle varie fisiche del problema. Ognuna di queste fisiche singolarmente presenta aspetti già particolarmente complessi legati al problema dell’acustica. Uno studio con simulazioni CFD, per esempio, permette di includere gli aspetti aero-acustici del fenomeno: dalla modellazione di tipo broadband, che stima la radiazione acustica con formule empiriche; all’analogia acustica, che calcola analiticamente la propagazione del suono dalla sorgente (simulata con la CFD) al ricevitore; al calcolo diretto con la fluidodinamica computazionale, che simula direttamente le fluttuazioni acustiche di pressione nell’intero dominio.

Questi segnali di pressione, opportunamente elaborati, possono poi essere utilizzati come input per una simulazione strutturale di tipo Harmonic Response. La risposta armonica permette di individuare il campo di vibrazioni, e quindi deformazione, velocità e accelerazione della struttura. Queste informazioni raggiungono la superficie esterna della struttura e costituiscono infine le sorgenti delle onde sonore che si propagano nel mezzo (aria) circostante.

Lo step successivo è quindi quello del post-processing dei segnali che raggiungono i microfoni virtuali della simulazione. I livelli di pressione sonora (SPL) sono il risultato più comune di questo tipo di analisi, ma sempre più spesso si tenta di porre la percezione umana al centro dell’analisi del rumore e quindi del processo di progettazione. Certo, sapere se il suono sarà di 68 o 70 decibel è importante, ma è ancora più determinante sapere come il suono sarà percepito dall'utente finale, definendo intervalli di accettabilità basati su criteri di percezione umana e psicoacustici.

Per alcuni prodotti, gli intervalli di accettabilità acustica sono definiti dalle normative industriali e governative. Tuttavia, per la maggior parte dei prodotti, gli intervalli di accettabilità sono più qualitativi, basati sulla percezione degli ascoltatori. Con un’analisi più approfondita basata sugli spettri del segnale rumoroso e sulle mappe di livello sonoro in tempo-frequenza è possibile rimodellare un suono in maniera efficace, piuttosto che cercare semplicemente di ridurne il livello sonoro.

L’approccio multifisico fin qui descritto ha chiaramente il vantaggio di poter quantificare il contributo relativo dei diversi carichi alla qualità acustica finale. L’accoppiamento diretto tra analisi elettromagnetica, fluidodinamica, strutturale e acustica risulta quindi indispensabile per introdurre la problematica del rumore nella fase di design. Gli strumenti ANSYS sono particolarmente adatti a questo tipo analisi, grazie all’integrazione di tutte queste fisiche in un unico ambiente di simulazione. Con questi strumenti, gli ingegneri possono verificare gli effetti di nuove configurazioni di prodotto, materiali, flussi di fluidi interni e altre caratteristiche del prodotto sulla produzione sonora finale, e individuare e correggere le fonti di rumore indesiderato già dalle prime fasi della progettazione.