Combinando principios de dinámica de fluidos computacional y acústica, investigadores de la TU de Berlín han desarrollado un modelo analítico que podría simplificar el proceso de diseño de resonadores Helmholtz, un tipo de estructura de cancelación de ruido utilizada en aviones, buques, y sistemas de ventilación. El modelo puede predecir el espectro de sonido de una cavidad de Helmholtz potencial a medida que fluye aire turbulento sobre ella, y potencialmente podría usarse para sintonizar resonadores de Helmholtz para cancelar o evitar cualquier frecuencia de interés.

Los auriculares con cancelación de ruido se han convertido en un accesorio popular para los viajeros frecuentes. Analizando las frecuencias de fondo producidas por un avión en vuelo y generando una onda de sonido "anti-ruido" perfectamente desfasada, Estos auriculares eliminan los molestos sonidos de fondo. Aunque los auriculares no pueden hacer nada con los asientos estrechos, pueden hacer que ver una película o escuchar música en vuelo sea casi tan agradable como en casa.

Para minimizar el ruido perturbador causado por máquinas ruidosas como automóviles, buques, y aviones, Los ingenieros acústicos utilizan muchas estrategias. Una tecnología llamada cavidad de Helmholtz, se basa en un concepto similar al utilizado en los auriculares con cancelación de ruido. Aquí, Los ingenieros construyen una caja resonante que se abre en una hendidura en un lado. Mientras el aire pasa por la hendidura, la caja vibra como un tubo de órgano de iglesia, produciendo un tono. Ajustando el tamaño y la forma de la cavidad y su hendidura, Los ingenieros acústicos pueden sintonizarlo para producir un tono específico que, como los auriculares, cancela un dominante, Sonido irritante producido por maquinaria.

Históricamente, el proceso de sintonización de un resonador Helmholtz fue una empresa de fuerza bruta que implicaba costoso y lento ensayo y error. Los ingenieros no tuvieron otra opción que construir físicamente y probar muchas geometrías diferentes de manera experimental para encontrar una forma óptima para una aplicación específica. especialmente en un entorno de flujo turbulento.

Hoy dia, sin embargo, La informática de alto rendimiento ofrece la posibilidad de realizar estas pruebas de forma virtual, haciendo que el proceso de diseño sea más rápido y sencillo.

En un artículo recién publicado en la revista Acta Mechanica , Lewin Stein y Jörn Sesterhenn de TU Berlin describen un nuevo modelo analítico para la predicción de sonido que podría hacer que el diseño de las cavidades de Helmholtz sea más económico y eficiente. El desarrollo del modelo fue facilitado por un conjunto de datos producido mediante simulación numérica directa en el Centro de Computación de Alto Rendimiento de Stuttgart (HLRS). El modelo analítico puede predecir, de una manera más generalizada que antes, el espectro de sonido de una posible cavidad de Helmholtz cuando el aire turbulento fluye sobre ella. Los autores sugieren que tal herramienta podría potencialmente usarse para sintonizar las cavidades de Helmholtz para cancelar o evitar cualquier frecuencia de interés.

La simulación se acerca a todas las escalas de la naturaleza

Cuando el aire en movimiento pasa sobre la hendidura de una cavidad de Helmholtz, su flujo se interrumpe y aumenta la turbulencia. Típicamente surgen vórtices, desprendiéndose del borde aguas arriba de la hendidura. Juntos forman una lámina de vórtices que cubre la hendidura y pueden interactuar con las vibraciones acústicas que se generan dentro de la cavidad. El resultado es una amortiguación o excitación dependiente de la frecuencia de la onda acústica cuando el aire pasa a través de esta lámina de vórtice.

En el pasado, era difícil estudiar estas interacciones y sus efectos numéricamente sin hacer aproximaciones toscas. Por primera vez, La simulación de Stein integra de manera realista fenómenos turbulentos y acústicos de una cavidad de Helmholtz excitada por un flujo turbulento que pasa por su rendija. Con una resolución sin precedentes, permite rastrear la interacción flujo-acústico y sus implicaciones para la resonancia de la cavidad.

Este logro es posible utilizando un método llamado simulación numérica directa (DNS), que describe un gas o líquido a un nivel fundamental. "Estoy usando la forma más compleja de ecuaciones de fluidos, llamadas ecuaciones de Navier-Stokes, para acercarme lo más posible al fenómeno real en la naturaleza y usar la menor aproximación necesaria, ", Dice Stein." Nuestro DNS nos permitió obtener nuevos conocimientos que antes no existían ".

La simulación numérica directa de Stein divide el sistema en una malla de aproximadamente mil millones de puntos de cuadrícula y simula más de 100 mil pasos de tiempo. para resolver completamente la dinámica del sistema por solo 30 milisegundos de tiempo físico. Cada ejecución del modelo numérico en la supercomputadora Hazel Hen de HLRS requirió aproximadamente cuatro días de 24 horas, usando unos 40, 000 núcleos de computación.

Mientras que un experimento físico es espacialmente limitado y solo puede rastrear algunos parámetros físicamente relevantes, cada ejecución de DNS individual proporciona un conjunto de datos de 20 terabytes que documenta todas las variables de flujo en todos los pasos de tiempo y espacios dentro de la malla, entregando un rico recurso que se puede explorar en detalle. Stein dice que ejecutar la simulación durante este período de tiempo proporcionó un buen compromiso entre poder configurar una base de datos confiable y obtener resultados en una cantidad práctica de tiempo.

Avanzando hacia un modelo de predicción de sonido general

Una vez desarrollados los detalles del modelo acústico, el siguiente desafío fue confirmar que podía predecir las propiedades acústicas de otras geometrías de cavidades de Helmholtz y condiciones de flujo de aire. Al comparar los resultados del modelo extrapolado con los datos experimentales proporcionados por Joachim Golliard en el Centre de Transfert de Technologie du Mans en Francia, Stein descubrió que el modelo lo hacía con gran precisión.

El modelo informado en el documento está optimizado para flujos de aire de baja velocidad y para bajas frecuencias, como los que se encuentran en los sistemas de ventilación. También está diseñado para ser modular, por lo que también se puede investigar una cavidad que incluye materiales complejos como espuma en lugar de una pared dura. Stein anticipa que ganar más tiempo de computación y acceso a supercomputadoras más rápidas le permitiría predecir numéricamente una gama más amplia de posibles formas de resonador y condiciones de flujo.

Having recently completed his Ph.D. and now working as a postdoc at the Institute of Fluid Dynamics and Technical Acoustics in the group of Prof. Sesterhenn (TU Berlin), Stein foresees some attractive opportunities to cooperate with industrial partners and possibly to apply his model in real-life situations. "Although I studied theoretical physics, " el explica, "it is fulfilling to work on problems that reach beyond pure academic research and can be applied in industry, where people can potentially profit from what you've accomplished. This latest paper is an opportunity to prove the utility and applicability of our work. It's a great moment after years of working on a Ph.D."