¿Qué pasaría si durante el proceso de desarrollo compagináramos la simulación de producto con mediciones reales?  Bowers & Wilkins lo hizo y en este articulo te decimos sus conclusiones.

Uno de los grandes retos para el departamento de diseño y desarrollo es ser capaces de responder a las necesidades del cliente y a los cambios en el mercado de forma inmediata, esto se logra mediante la aceleración y optimización de su proceso de desarrollo de producto, lo que resulta en obtener un factor de competitividad para la empresa.

Este proceso implica realizar, tanto mediciones como simulaciones de producto, el problema es que normalmente estas áreas se encuentran en diferentes departamentos y cada una depende de un presupuesto distinto. Pero, si se pudiera llevar a cabo al mismo tiempo tanto la simulación como la medición complementándose una a otra, el ciclo de desarrollo se aceleraría incrementando la calidad e innovación de los productos.

El reto de diseñar un gabinete para altavoz

Bowers & Wilkins es una empresa que produce sistemas de audio. El diseño y desarrollo es un proceso central para la empresa. En esta nota hablaremos de cómo Bowers & Wilkins combina de forma efectiva la simulación y la medición para optimizar el diseño de sus gabinetes para altavoces.

Los ingenieros de I+D de la compañía utilizan el software COMSOL Multiphysics para la simulación y un vibrómetro láser Doppler (SLDV) de Polytec para la medición y combina ambos en un proceso de diseño holístico.

Para el diseño del gabinete del altavoz es importante que el gabinete no contribuya a la radiación total del sonido. Existen 3 mecanismos que pueden provocar que el gabinete emita sonido y que deben ser evitados o compensados:

• Ondas de sonido provenientes de la parte trasera del altavoz que no están sincronizadas con las ondas de sonido de la parte delantera, lo que resulta en una distorsión de la señal debido a ecos, retrasos de tiempo y reverberación.
• Vibración del gabinete debido a fuerzas de reacción del transductor electrodinámico conocido como la unidad de excitación del altavoz.
• Ondas de sonido emitidas por el cono interior que pueden filtrarse a través de las paredes del gabinete.

Esta investigación fue llevada a cabo por Mattia Cobianchi y Martial Rousseau de Bowers & Wilkins, Steyning, UK y fue presentada en el COMSOL Conference 2014, ganando el segundo premio por su trabajo “Modelling the Sound Radiation by Loudspeaker Cabinets”.

Haciendo frente al desafío

Cobianchi y Rousseau usaron el software COMSOL Multiphysics para modelar la vibración y comparar diferentes opciones de diseño, enfocándose en la sección de baja frecuencia del sistema del altavoz. Posteriormente, midieron el sonido de la estructura del gabinete con un vibrómetro de escaneo láser Doppler para validar los resultados de la simulación.

El paso más importante durante el proceso de diseño es optimizar y probar diferentes materiales y formas de ensamblaje sin afectar la calidad o el presupuesto asignado. Sin embargo, construir un prototipo para medir este desempeño es costoso y una pérdida de tiempo y probar cada opción de diseño no es una opción viable.

Afortunadamente, esta tarea se puede llevar a cabo perfectamente con un software de simulación, en donde se pueden implementar diferentes diseños virtuales y el cambio de material se puede hacer con unos simples clics.

Aunque sabemos que no podemos confiar únicamente en la simulación -más aún cuando se tratan de nuevos diseños o materiales- vale la pena llevarlo a cabo, ya que solamente los mejores prototipos virtuales se volverán prototipos físicos y se podrán llevar a cabo mediciones para evaluar su desempeño y así obtener información que ayude a su mejora.

El gabinete que se usó para la prueba (B&W 800 Diamond) está hecho de contrachapado de abedul para la envoltura del gabinete, paneles MDF, pedestal de aluminio, motor de acero y neodimio para el altavoz y juntas de pegamento a base de agua.

Las herramientas de simulación poseen una interfaz de usuario intuitiva en donde los ingenieros pueden seleccionar propiedades de materiales predefinidas, así como condiciones límite y dominios personalizados sin tener que conocer a detalle las ecuaciones o métodos que son utilizados en el trasfondo. Desde este punto de vista, cualquiera puede llevar a cabo una simulación. Pero, con el fin de realizar un modelo de simulación eficiente en relación al tiempo de cálculo, uso de memoria y exactitud, se debe trabajar en el modelo antes de empezar a simular y es aquí en donde la experiencia de un ingeniero de simulación entra en acción.

El diseño final CAD es el producto nuevo virtual e incluye todas las etiquetas, adornos y pequeños tornillos, es importante mencionar que estos detalles no influyen en el desempeño del producto, pero si aumentan el tamaño del modelo. El primer paso en la configuración del modelo es importar el diseño CAD en el ambiente de simulación, este diseño deberá ser una versión sin los detalles mencionados arriba. Alternativamente, el software de simulación cuenta con funciones que te permitirán limpiar el diseño CAD.

El software COMSOL puede comunicarse con varios programas CAD, de modo que los cambios hechos en el diseño se sincronizan inmediatamente con el modelo geométrico. Además, los parámetros en el diseño CAD pueden ser controlados desde el COSMOL GUI que permite el acceso automático a diferentes opciones de diseño. En la imagen inferior puedes ver la visualización del modelo geométrico y el acoplamiento del altavoz en la interfaz gráfica del COSMOL GUI. Debido a la simetría, sólo se puede visualizar un lado del altavoz. (Cortar y descartar la mitad del modelo geométrico es una funcionalidad integrada en el CAD).

Las propiedades del material son una pieza clave en la simulación. Usualmente dependen de la temperatura o si es anisotrópico, pueden depender de su historial o pueden cambiar completamente si se cumple un determinado criterio (como fatiga o cambio de fase). Estos son coeficientes de la ecuación matemática subyacente que resolverá la simulación. Para el caso del análisis de vibración del material elástico se deben definir las propiedades. Los datos de materiales estándar que en este caso son el aluminio o acero, están disponibles en la base de datos de material integrada en el COMSOL.

Analizando el desempeño del gabinete

Después de todo este trabajo previo es hora de estudiar la vibración del recinto. Los resultados no representarán la salida acústica directamente, pero el postprocesamiento de la funcionalidad en el ambiente de simulación ofrece la posibilidad de calcular la presión acústica o potencia acústica mediante una integración numérica de acuerdo a las aproximaciones conocidas como la integral de Rayleigh. Comparando el espectro de la integral de Rayleigh a la aceleración de la pared del gabinete se muestra que todos los modos de vibración emiten sonido.

Hasta ahora, el modelo asume una fuerza uniforme del motor del transductor, pero en la realidad es dependiente de la frecuencia debido a dos fenómenos: el único grado de libertad que representa el comportamiento del oscilador del transductor y la red eléctrica que se encuentra entre las terminales del altavoz y las unidades de accionamiento que dividen el espectro de frecuencia a través de las diferentes unidades de accionamiento a cargo de la reproducción de cada banda de frecuencia. En este caso, las llamadas funciones de transferencia pueden aplicarse a los resultados para procesar las magnitudes de salida y que coincidan con la realidad. Estas funciones de transferencia se calculan de un modelo electromecánico que relaciona la tensión aplicada a la fuerza de salida del motor.

Configuración de la medición

Para medir la vibración de un altavoz es esencial contar con un método de medición sin contacto y el vibrómetro láser es un método estándar que devuelve la velocidad y/o aceleración de la superficie vibrante. La distribución de estas magnitudes sobre las paredes del gabinete puede ser comparada directamente con los resultados de la simulación. Sin embargo, estas no necesariamente describen el desempeño del gabinete en cuestión de la radiación de sonido. Para validar los resultados del desempeño de la simulación en la primera fase, la velocidad superficial y la forma de deflexión respectiva se ponen a prueba con el vibrómetro Doppler.

“La tecnología de medición sin contacto con resolución espacial es esencial para capturar el desempeño del producto” 

El uso de una tecnología para la detección de vibración de campo completo sin contacto permite realizar una prueba con la resolución requerida para una validación significativa de los resultados de simulación. Gracias al procedimiento de escaneo automático secuencial, el esfuerzo de instrumentación no cambia con el aumento de la resolución de la cuadrícula de medición.

El montaje de acelerómetros usado tradicionalmente carga de masa la estructura y resulta en una pérdida de linealidad debido a las resonancias de acoplamiento.

El vibrómetro láser detecta la velocidad superficial sin cambiar las propiedades mecánicas del gabinete. Para la validación del ancho de banda de 10 kHz la respuesta de frecuencia plana del vibrómetro láser es benéfico, ya que la luz no experimenta resonancias de acoplamiento.

La cuadrícula de medición puede ser importada desde el modelo de simulación geométrico o puede ser definida manualmente. Para tomar en cuenta la relación de fases entre todos los puntos de medición, la fase de tensión de excitación de la unidad de accionamiento se usa como una fase de referencia.

Las dos superficies de radiación más grandes y por ende más importantes son: el bafle frontal y la envoltura. La velocidad de cada punto en una cuadrícula definida por el usuario para estas superficies es medida con el sistema de escaneo Doppler desarrollado por Polytec.

Las mediciones confirman el comportamiento simulado de la cabina

La validación se realiza mediante la comparación de los espectros de magnitud de aceleración medidos con los valores simulados en ubicaciones críticas. Para hacer más fácil esta comparación se utilizó la malla de elementos finitos de COMSOL como la cuadrícula de medición del vibrómetro de Polytec. La imagen 4 muestra la forma modal para el primer módulo.

Imagen 4. Forma modal medida a 222 Hz (Izquierda) y forma modal simulada a 281 Hz (Derecha).

La simulación identifica las regiones principales de picos significativos que están relacionados con el movimiento del cuerpo rígido, modos de la placa de flexión del pedestal y modos relacionados con el bafle frontal y la envoltura lateral.

Aunque las amplitudes de vibración de la simulación y de las mediciones concuerdan, las frecuencias asociadas fueron subestimadas en la simulación y se pueden visualizar en la imagen 5. Esta discrepancia puede estar relacionada con suposiciones hechas en la simulación del modelo, como la elección de condiciones límite o en la descripción de las propiedades de los materiales como las propiedades de grosor.

Imagen 5. Frecuencias asociadas con la vibración simuladas (Rojo) y medidas (Negro).

Los ingenieros de desarrollo de B&W confían en que pueden mejorar la concordancia de los resultados si mejoran el modelo. Pero, también deben cuestionarse si un modelo mejorado ayudará a mejorar el diseño del gabinete, no sólo con respecto a la calidad sino también con respecto al costo y tiempo que implica ese desarrollo.

En conclusión, los resultados de simulación son suficientes para predecir la calidad del modelado del diseño del gabinete. La simulación también les proporciona un mejor entendimiento de cómo los diferentes modos de vibración y ubicaciones del panel afectan el desempeño del gabinete.

La simulación es una imagen de la realidad que proporciona un conjunto de parámetros físicos en cada punto de la cuadrícula y su exactitud está limitada por la exactitud del modelo matemático subyacente, de los parámetros de entrada, así como de los métodos numéricos. Por otro lado, las mediciones son observaciones de la realidad y permiten visualizar efectos que probablemente no fueron incluidos en la simulación, sin embargo, necesitan un prototipo de trabajo que puedan observar.

Además de los errores de medición, algunas cifras no se pueden obtener con la medición y no todos los efectos observados se pueden explicar fácilmente debido a que controlar las condiciones de medición es bastante complejo.

Solo la combinación de ambos métodos puede proporcionar una información real y completa del sistema. La comparación del modelo con las mediciones puede ayudar a identificar los fenómenos físicos dominantes y relevantes involucrados y de esa forma tener una mejor comprensión del comportamiento del sistema, lo que puede resultar en un mejor diseño.

Una vez que se haya realizado un modelo único capaz de reproducir todos los datos relevantes con la exactitud requerida, se pueden procesar todas las opciones de diseño y materiales automáticamente.

Para proyectos futuros, se pueden usar las mediciones de vibración para modelos de propagación acústica. La distribución de la velocidad medida podría ser usada como una entrada en un modelo puramente acústico. Entonces, la presión sonora en cualquier punto en el espacio producido por una fuente de sonido con objetos circundantes y un ambiente acústico podría predecirse con el software de simulación. De esa forma el problema de propagación se puede solucionar mediante el intercambio de formatos de datos entre el software de simulación y el equipo de medición. La tecnología de COSMOL Multiphysics y Polytec pueden llevar a cabo esta tarea con éxito.

Referencia: Polytec. Applications > Acoustics & Ultrasonics > Loudspeaker Design “In search of excellente sound” [documento en línea http://www.polytec.com/us/applications/acoustics-ultrasonics/loudspeaker-design/acceso: junio de 2016].