Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
ACUSTICA

Alla ricerca della misurazione perfetta

Alexandra Foley

Non potremo mai raggiungere la misurazione perfetta o creare lo strumento infallibile. Possiamo fidarci delle misurazioni che prendiamo, ma nessuna sarà mai esatta, dal momento che i nostri strumenti non definiscono ciò che misurano. Al contrario, reagiscono ai fenomeni circostanti e interpretano questi dati in rapporto a una rappresentazione imperfetta di uno standard assoluto.
Di conseguenza, tutti gli strumenti hanno un certo grado di errore accettabile, ovvero
I ricercatori in Brüel & Kjær si affidano alla simulazione per portare i loro trasduttori e microfoni da misurazione a nuovi livelli di precisione e accuratezza.

Uno scarto tollerabile che la misurazione può mostrare senza perdere la sua utilità. La sfida è progettare strumenti che abbiano un margine d’errore nello stesso tempo noto e costante, anche su lunghi periodi di tempo. Brüel & Kjær A/S da più di 40 anni è leader nel settore dell’analisi e della misurazione di suono e vibrazioni. Dal momento che le sfide connesse al settore del suono e delle vibrazioni sono variegate (dal rumore del traffico e degli aeroporti alle vibrazioni di motori automobilistici, turbine eoliche e sistemi di controllo di qualità della produzione), i microfoni e gli accelerometri progettati da Brüel & Kjær devono rispettare molti standard di misurazione diversi. Per rispondere a questi requisiti, il dipartimento R&D dell’azienda utilizza la simulazione come strumento per verificare la precisione e l’accuratezza dei dispositivi e testare nuovi progetti innovativi.

Stampa pdf rivista

Progettare e produrre microfoni di precisione

Brüel & Kjær sviluppa e produce microfoni a condensatore che coprono frequenze tra gli infrasuoni e gli ultrasuoni e livelli sonori da sotto la soglia di udibilità fino a quelli associati ad altissime pressioni sonore in condizioni atmosferiche normali. La gamma di produzione comprende microfoni standard e da laboratorio, insieme a microfoni studiati su misura per applicazioni particolari. La coerenza e l’affidabilità sono parametri chiave nello sviluppo di tutti questi prodotti.
“Utilizziamo la simulazione per sviluppare microfoni a condensatore e assicurarci che rispondano agli standard International Electrical Commission (ICE) e International Organization for Standardization (ISO)”, racconta Erling Olsen, tecnico di sviluppo nel dipartimento R&D di Brüel & Kjær. “La simulazione rappresenta una fase del nostro processo di ricerca e sviluppo, insieme ad altri strumenti; lo scopo è avere la certezza che l’affidabilità dei nostri microfoni rimanga costante anche in condizioni molto diverse. Per esempio, conosciamo con precisione l’effetto sui nostri microfoni della pressione statica, della temperatura, dell’umidità e di molti altri fattori. Sono tutti parametri che sarebbero stati molto difficili da misurare se non avessimo usato la simulazione”.
Il microfono a condensatore tipo 4134 di Brüel & Kjær, mostrato in Figura 1, è un vecchio microfono che ha subito molte analisi teoriche e pratiche nel corso del tempo.

 

Figura 1. In alto: fotografia di un microfono modello 4134, comprendente la griglia protettiva montata al di sopra del diaframma.In basso: sezione della tipica capsula di un microfono, con i suoi componenti principali.

Di conseguenza, è stato utilizzato come prototipo per la costruzione di modelli multifisici dei microfoni a condensatore di Brüel & Kjær. Per analizzare le performance del microfono, le simulazioni di Olsen tengono conto del movimento del diaframma, delle interazioni elettromeccaniche delle deformazioni della membrana con la generazione del segnale elettrico, della frequenza di risonanza e delle perdite viscose e termiche che si verificano nelle cavità interne del microfono.

Modellare un microfono

Quando il suono entra in un microfono, le onde di pressione sonora causano nel diaframma deformazioni che vengono misurate come segnali elettrici. Questi segnali vengono poi convertiti in decibel sonori. “Modellare un microfono comporta risolvere una moving mesh e dei problemi che coinvolgono meccanica, elettromagnetismo e acustica strettamente accoppiati. È qualcosa che non si può fare senza un approccio multifisico”, spiega Olsen. “I modelli devono essere molto dettagliati perché nella maggior parte dei casi rapporti di forma elevati (dovuti alla forma delle capsule del microfono) e piccole dimensioni fanno sì che le perdite termiche e viscose giochino un ruolo importante nelle prestazioni del microfono”.
Il modello può servire anche per prevedere le interazioni tra la piastra posteriore e il diaframma. Tra le altre cose, questo influenza le caratteristiche direzionali del microfono. “Abbiamo utilizzato la simulazione per analizzare i pattern di flessibilità del diaframma”, aggiunge Olsen. Per simulazioni come quelle rivolte agli sforzi termici e alla frequenza di risonanza, è stata sfruttata la simmetria del modello per ridurre i tempi di calcolo (vedi Figura 2).

Figura 2. Grafico della geometria di un microfono a condensatore modello 4134. La figura mostra la mesh utilizzata nella porzione di geometria indicata, che rappresenta 1/12 della geometria totale.

 

 

Il modello ridotto è stato usato anche per analizzare il livello di pressione acustica nel microfono per i suoni con incidenza normale rispetto al diaframma del microfono (vedi Figura 3).

Figura 3. Rappresentazione del livello di pressione sonora sotto il diaframma per l’incidenza normale, calcolata utilizzando la simmetria del modello. La deformazione della membrana è valutata a f=20 kHz.

 

Quando invece il suono entra nel microfono con un’incidenza diversa da quella normale, la membrana è soggetta a condizioni al contorno non simmetriche. È quindi necessaria una simulazione che consideri tutta la geometria per restituire in modo accurato il movimento della membrana (vedi Figura 4).

Figura 4. I risultati della simulazione mostrano la deformazione della membrana calcolata per un’incidenza non normale a 25 kHz. Dal momento che la deformazione è asimmetrica, il calcolo viene effettuato utilizzando l’intero modello 3D.

La simulazione è stata utilizzata anche per determinare l’influenza delle prese d’aria del microfono sulla misurazione dei suoni a bassa frequenza. “Abbiamo modellato il microfono con la presa d’aria esposta al campo acustico esterno, oppure fuori dal campo acustico (non esposta), o senza prese d’aria”, spiega Olsen. “L’ultima opzione non si realizza mai nella pratica, ma ci ha consentito di determinare l’interazione tra la configurazione delle prese d’aria e i risultati di resistenza in ingresso per diversi scenari a bassa frequenza. Questo è uno dei vantaggi principali della simulazione: possiamo modificare i parametri di un modello anche allontanandoci dai dispositivi già realizzati. Possiamo così testare altri progetti ed esplorare i limiti dei dispositivi (vedi Figura 5)”.

Figura 5. Nella configurazione senza prese d’aria, la sensibilità cresce a causa del fatto che a frequenze molto basse il campo sonoro diventa puramente isotermo all’interno del microfono. Nella presa d’aria al di fuori della configurazione del campo sonoro, la curva inizialmente segue quella prevista senza prese d’aria, ma la sensibilità cresce ancor di più, perché la presa d’aria diventa uno sfogo per la pressione sul retro del diaframma.


Grazie all’utilizzo della simulazione durante il processo di ricerca e sviluppo, Olsen e i suoi colleghi sono in grado non soltanto di progettare e testare alcuni dei prodotti più importanti di
Brüel & Kjær, ma anche di creare dispositivi basati su esigenze specifiche dei clienti.
“Con la simulazione, possiamo individuare le soluzioni per raggiungere miglioramenti specifici richiesti da un cliente. Sebbene l’acustica di un mìcrofono sia molto difficile da misurare soltanto attraverso i test, dopo aver validaro le nostre simulazioni rispetto a un modello sperimentale con una determinata configurazione, siamo in grado di utilizzare quella stessa simulazione per analizzare altre configurazioni e contesti, caso per caso”.

Modellare un trasduttore di vibrazione

Søren Andresen, tecnico di sviluppo di Brüel & Kjær, utilizza la simulazione anche per progettare e testare trasduttori di vibrazione.
“Una delle difficoltà che si incontrano con i trasduttori per l’analisi della vibrazione è il fatto che questi dispositivi devono essere in grado di sopportare condizioni ambientali difficili”, racconta Andresen. “Il nostro obiettivo era progettare un dispositivo che avesse una tale resistenza intrinseca da poter sopportare condizioni ambientali estremamente dure”.
Per la maggior parte dei sistemi meccanici, le frequenze di risonanza tendono a essere confinate in un range abbastanza ristretto, tipicamente tra i 10 e i 1000 Hz.
Uno degli aspetti più importanti nella progettazione dei trasduttori è che il dispositivo non deve risuonare alla stessa frequenza delle vibrazioni che deve misurare, poiché altrimenti ci sarebbe un’interferenza con i risultati della misurazione. La Figura 6 mostra lo spostamento meccanico di un trasduttore di vibrazione appeso, insieme al grafico della frequenza di risonanza per il dispositivo. 

 

 

Figura 6. I risultati della simulazione di un trasduttore piezoelettrico di vibrazione sospeso.
In alto: deformazione meccanica e campo elettrico nell’elemento sensore piezoelettrico e nelle masse sismiche. Sopra: grafico della risposta in frequenza che mostra la prima risonanza del trasduttore intorno ai 90 kHz. Questo dispositivo dovrebbe essere usato per misurare soltanto oggetti a frequenze molto inferiori ai 90 kHz.

“Abbiamo bisogno che il trasduttore abbia una risposta uniforme e nessuna frequenza di risonanza per il range di vibrazioni che si desidera misurare”, spiega Andresen. “Abbiamo utilizzato COMSOL per sperimentare con diversi progetti, così da determinare la combinazione di materiali e geometrie che produce un profilo uniforme (nessuna risonanza) per un determinato progetto. Questa è la regione in cui sarà utilizzato quel trasduttore”. Durante la progettazione del trasduttore, si può utilizzare un filtro passa-basso, o filtro meccanico, per tagliare il segnale indesiderato causato dall’eventuale risonanza del trasduttore. Questi filtri consistono in un mezzo, di solito gomma, legato tra due dischi di supporto, che viene poi fissato tra il trasduttore e la superficie di montaggio.  “Come regola generale, fissiamo il limite per la frequenza superiore a un terzo della frequenza di risonanza del trasduttore, così da essere certi che la vibrazione dei componenti misurata al limite superiore della frequenza presenterà un margine di errore non superiore al 10-12%”, conclude Andresen.

Accurati e precisi il più possibile

Forse non è possibile progettare il trasduttore perfetto o realizzare una misurazione infallibile, ma grazie alla simulazione i team di ricerca e progettazione sono più vicini che mai alla perfezione: possono testare nuove soluzioni di progetto in modo rapido ed efficiente per molte diverse condizioni di utilizzo.
“Se vogliamo restare in testa alla concorrenza, abbiamo bisogno di una conoscenza unica”, commenta Andresen, “come quella che ci offre la simulazione: possiamo effettuare correzioni e misurazioni virtuali che non potremmo mai realizzare a livello sperimentale. In questo modo, la simulazione ci permette di testare e ottimizzare nuovi progetti innovativi”.

 

« Indice del n. 88