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Simulação Acústica: Ouça a música, não o barulho

Simulação notebook

Desde que Gordon Moore, cofundador da Intel, postulou a lei que leva seu nome sobre a duplicação do número de transistores a cada dois anos , houve melhorias dramáticas nas capacidades computacionais dos dispositivos eletrônicos. A redução no tamanho dos componentes, juntamente com o aumento da demanda por poder computacional, resultou em densidades de potência cada vez maiores, exigindo configurações de resfriamento otimizadas e avançadas para manter uma temperatura operacional segura. O gerenciamento térmico eletrônico é um tópico separado e está além do escopo deste blog. No entanto, gostaria de discutir uma das consequências do aumento do desempenho eletrônico – o ruído!


Qualquer pessoa que trabalhe durante o verão em um escritório está sem dúvida acostumada com os ventiladores de seus computadores ou laptops girando quando o número de aplicativos rodando em paralelo aumenta, ou ainda mais divertido, começa-se a executar um avançado Computational Fluid Dynamics (CFD) ou Simulação pelo Método dos Elementos Finitos (MEF). O ruído do ventilador, embora simplesmente considerado um inconveniente inevitável, é o resultado de uma interação complexa entre o próprio ventilador e o fluxo de ar que ele gera. Por esta razão, às vezes pode ser chamado de ruído induzido por fluxo ou aeroacústica.


Apesar da necessidade de resfriar adequadamente todos esses componentes eletrônicos no espaço apertado de um laptop moderno, as pessoas passaram a esperar que o ruído gerado não fosse intrusivo. Fones de ouvido com cancelamento de ruído podem ajudá-lo aqui, mas estão longe de ser a solução ideal durante um dia quente de verão. Além disso, o desempenho acústico tornou-se um dos principais indicadores das marcas de portáteis de alta qualidade – combinando o zumbido suave das ventoinhas com um conjunto de colunas claras, vibrantes e bem posicionadas que reproduzem as suas músicas favoritas.


Isso coloca muita pressão sobre os engenheiros que desenvolvem esses sistemas. Vamos descobrir como as ferramentas de simulação acústica de última geração podem ajudar engenheiros dedicados a prever o desempenho acústico de forma mais precoce, rápida e confiável.


O inevitável som “ruim”…


Ao analisar a assinatura de ruído de um ventilador, normalmente existem dois componentes, ruído tonal e ruído de banda larga, conforme mostrado na Figura 1. Os tons podem ser claramente visíveis como níveis mais altos de pressão sonora resultantes de interações periódicas do ar que entra com as pás do ventilador (círculos azuis ). O componente de ruído de banda larga é causado por forças de carga aleatórias nas pás que podem ser induzidas por fatores como ingestão de turbulência ou desenvolvimento da camada limite (linha verde).


Resposta de campo livre detalhando os picos tonais (círculos azuis) e o ruído de banda larga (linha verde)

Figura 1. Resposta de campo livre detalhando os picos tonais (círculos azuis) e o ruído de banda larga (linha verde)


Considerando que o ruído do ventilador é o resultado da interação entre o fluxo aerodinâmico e a propagação das ondas acústicas, tanto o fluxo de ar quanto a acústica precisam ser simulados. A propagação das ondas acústicas pode ser incluída diretamente numa simulação CFD já utilizada para avaliar o desempenho de refrigeração do projeto, mas isto – embora possível – pode apresentar desafios significativos. Esses desafios são causados ​​principalmente pelas diferenças significativas nas escalas de comprimento entre as ondas acústicas e o fluxo. Isto significa que são necessários esquemas físicos de alta ordem e tempos de cálculo excepcionalmente longos, pelo que esta abordagem nem sempre é viável.


Abordagens híbridas foram desenvolvidas em resposta a isso, nas quais a geração e a propagação do som são separadas. Os dados CFD são usados ​​para reconstruir as fontes sonoras devido aos efeitos do fluxo, enquanto modelos de simulação acústica são usados ​​para propagar as ondas sonoras causadas por essas fontes. Isso oferece a vantagem de permitir simulações de fluxo de baixa ordem mais eficientes e aproveitar tecnologias eficientes de resolução acústica.


A Figura 2 ilustra como é preparado um modelo para uma análise acústica mostrando a malha de elementos finitos do ar ao redor do laptop (2A.), a malha interna (2B), as conexões entre o interior e o exterior, as aberturas de ventilação (2C) e a grade de entrada sob o laptop (2D). O próximo passo em uma análise acústica é definir a região fonte – isso pode ser obtido a partir de CFD ou diretamente dos dados de teste.


A fonte acústica equivalente é calculada usando o Simcenter 3D e introduzida no modelo FE. Uma vez resolvido, o campo sonoro gerado dentro do laptop e irradiado dele pode ser analisado. O Simcenter 3D permite que o engenheiro acústico entenda como o som sai do laptop, a respectiva direção e também os reflexos do ambiente imediato.


Malha FE para simulação acústica de um laptop: 2A o ar ao redor do laptop; 2B a malha interna da geometria do laptop; 2C as aberturas do laptop e 2D a grade de entrada.

Figura 2. Malha FE para simulação acústica de um laptop: 2A o ar ao redor do laptop; 2B a malha interna da geometria do laptop; 2C as aberturas do laptop e 2D a grade de entrada.


Os OEMs de notebooks precisam entender o som gerado pela arquitetura de resfriamento e investigar maneiras de minimizar o impacto no usuário, como direcionar o ruído para longe do usuário por meio de uma tomada voltada para trás. Além disso, os engenheiros de som podem entender como a tela do laptop protege algum ruído em vários ângulos de tela e posições do usuário, bem como na posição fechada se estiver acoplado ou conectado a outros monitores.


… e o tão procurado som “bom”


Conforme mencionado na introdução, a qualidade do som de um laptop é considerada um indicador de alta qualidade da marca. Portanto, é pertinente que o engenheiro entenda o comportamento do alto-falante e como ele funciona no chassi do laptop. Para optimizar o som e maximizar a qualidade para o utilizador, o engenheiro tem de começar com o altifalante autónomo do portátil e trabalhar através da subsequente integração no chassis do portátil até ao comportamento do portátil num ambiente de utilizador realista – ver figura 3.


Etapas da simulação acústica para garantir a fidelidade dos resultados no nível operacional quando o produto está em uso.

Figura 3. Etapas da simulação acústica para garantir a fidelidade dos resultados no nível operacional quando o produto está em uso.


No nível do alto-falante, como em todas as simulações, é definida uma geometria a partir da qual o modelo FE é criado e mesclado. Este modelo de vibração estrutural do alto-falante é então acoplado a um pequeno volume de ar próximo à membrana do alto-falante. Condições específicas de radiação acústica são aplicadas à superfície externa para permitir prever as características da radiação sonora de campo distante. Modelos 1D simplificados baseados no modelo Thiele-Small são usados ​​como entradas para as cargas da bobina. Esses modelos contêm todos os efeitos de acoplamento eletromagnético relevantes no driver do alto-falante, e seus parâmetros de entrada são facilmente obtidos do fornecedor (ou de medições simples).


Depois de resolver o modelo, a radiação sonora pode ser analisada e pós-processada para fornecer dados de diretividade, respostas de impulso e dados de distorção. A Figura 4 fornece uma representação gráfica desse fluxo de trabalho típico.



Considerando o desempenho dos alto-falantes e a associação com a qualidade percebida do laptop, o engenheiro estaria interessado em quantificar a intensidade da fonte acústica e a uniformidade do campo sonoro do alto-falante. A imagem à direita do vídeo acima visualiza as ondas sonoras irradiadas.


O próximo passo é entender como a integração do alto-falante no laptop afeta o desempenho acústico. Em um laptop, o comportamento do alto-falante é fortemente influenciado pelo acoplamento da membrana do alto-falante com o volume de ar atrás dele e pelos efeitos viscotérmicos que ocorrem nas grades que cobrem e protegem os alto-falantes contra sujeira e poeira. O modelo de alto-falante do vídeo é, portanto, estendido para incluir também a parte traseira da membrana do alto-falante para modelar a interação com a cavidade traseira dentro do laptop e o efeito da grade e do volume de ar entre ela e a membrana do alto-falante, conforme mostrado na figura 4.


Visualização de uma possível configuração de alto-falante de laptop ilustrando o volume de ar ou cavidade traseira atrás do alto-falante e da grade do alto-falante.

Figura 4. Visualização de uma possível configuração de alto-falante de laptop ilustrando o volume de ar ou cavidade traseira atrás do alto-falante e da grade do alto-falante.


O efeito da grade pode ser explicitamente simulado por:


  • Modelar o fluido nos furos e aplicar propriedades visco-térmicas específicas do fluido ou

  • Usando relações simplificadas de admissão de transferência equivalente.


Comparação do desempenho do alto-falante antes e depois da instalação.

Figura 5. Comparação do desempenho do alto-falante antes e depois da instalação.


A Figura 5 ilustra o efeito que as condições de instalação podem ter no desempenho do alto-falante após integrá-lo ao laptop. Para o alto-falante isolado, a imagem à esquerda na Figura 6 mostra que a intensidade da fonte do alto-falante é uniforme acima de um quilohertz. Em comparação, a imagem à direita da Figura 6 ilustra uma degradação do desempenho acima de um quilohertz. Há uma radiação sonora muito baixa entre a faixa de frequência de quatro a seis quilohertz e isso é explicado pela interação entre a membrana do alto-falante e a ressonância encontrada na cavidade posterior. Esta é uma avaliação mais realista do desempenho dos alto-falantes no laptop e fornece aos engenheiros de projeto informações valiosas para otimizar ainda mais seu produto.


A etapa final do processo é avaliar como o laptop se comportará no ambiente de usuário pretendido – um escritório típico, por exemplo. No entanto, fazer isso com um modelo de elementos finitos exigiria tempo e poder de cálculo significativos. Um método alternativo é usar o Ray Acoustics, um dos solucionadores acústicos avançados disponíveis no Simcenter 3D. Esta tecnologia é baseada no traçado de raios, permitindo simular efetivamente a propagação do som em espaços amplos, em longas distâncias e em altas frequências, muito mais rápido do que as metodologias de elementos finitos ou de contorno jamais poderiam.


A discretização do modelo e os tempos de solução são independentes da frequência, tornando-o perfeito para resolver problemas onde a geometria é maior que os comprimentos de onda acústicos. O Simcenter 3D oferece resultados no domínio da frequência e do tempo como saída desta solução. Para simular o ambiente de escritório, três recursos principais de modelagem estão disponíveis no Simcenter 3D:


  • Difração de borda e superfície – útil para paredes divisórias típicas em um ambiente de escritório

  • Correção de efeito de curvatura – captura precisa de superfícies discretizadas e em malha

  • Absorção – absorção superficial e de ar

  • Rastreamento de partículas – leva em conta reverberações tardias e efeitos de reflexão difusa normalmente encontrados em ambientes internos


O modelo de simulação acústica de raios pode calcular diretamente parâmetros de qualidade sonora, como tempos de reverberação, valores de clareza ou índices de transmissibilidade sonora. O Simcenter 3D também pode incorporar diretamente os efeitos binaurais na resposta acústica sem a necessidade de modelar a cabeça humana – essencialmente obtendo os níveis de pressão sonora que os ouvidos esquerdo e direito do ouvinte experimentam.


Ambiente típico de escritório com visualização da propagação do som – caminhos de raios individuais são visualizados e a resposta ao impulso binaural

Figura 6. Ambiente típico de escritório com visualização da propagação do som – caminhos de raios individuais são visualizados e a resposta ao impulso binaural


A Figura 6 (esquerda) ilustra um ambiente típico de escritório com todas as superfícies refletoras ou absorventes discretizadas usando uma malha de simulação (superfícies cinza). As superfícies dos microfones próximas ao laptop e à cabeça da pessoa são definidas para visualizar os campos sonoros, como pode ser visto no canto superior direito da Figura 6. Os modelos de rastreamento de raios oferecem informações sobre como as diferentes combinações de alto-falantes se propagam até o ouvido da pessoa. Uma visão clara de quanto som é irradiado para o usuário e quanto está sendo refletido nas diferentes superfícies pode ser desbloqueada usando essas visualizações de rastreamento de raios.


Juntando tudo – uma cacofonia ou uma sinfonia?


Todas as etapas de simulação discutidas oferecem informações quantitativas e visuais sobre o desempenho acústico do componente individual até a integração do produto e sua incorporação no ambiente do mundo real. No entanto, apesar de tudo, não é melhor poder ouvir os resultados das simulações?


O Simcenter 3D Acoustics oferece uma ferramenta de processamento de som e auralização que pega os resultados das simulações e os combina com sons medidos, como música, para criar cenários acústicos que você pode ouvir!


Simcenter 3D Acoustics

Apenas ruído do ventilador


Ruído do ventilador + alto-falante de baixo custo


Ruído do ventilador + alto-falante de última geração


Os vídeos acima permitem testar três cenários diferentes de um laptop:


  1. Ruído da simulação do ventilador

  2. Uma peça musical tocada no ambiente de escritório usando um alto-falante de baixo custo

  3. A mesma música tocada em um alto-falante de última geração.


No primeiro cenário, os componentes tonal e de banda larga do ruído estão presentes – a auralização permite verificar o quão alto o som soa e o quão irritante ou perturbador pode ser. No cenário dois, pode-se investigar como alguma música pode mascarar o som – o ruído do ventilador é mascarado, mas faltam alguns componentes de baixa frequência da música. O cenário três emprega um alto-falante de última geração, proporcionando um som muito mais claro e rico à música.


O Simcenter 3D Acoustics permite que você entenda a qualidade do som e do ruído dos seus componentes elétricos. Com esses recursos, você pode projetar em torno do ruído inerente e proporcionar ao usuário de seus produtos uma experiência auditiva mais agradável.


 

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