Le cuffie “elimina rumore” sono diventate ormai un accessorio popolare tra i viaggiatori frequenti. Analizzando le frequenze di sottofondo prodotte da un aereo in volo e generando un’onda sonora “anti-rumore” che sia perfettamente fuori fase, queste cuffie eliminano i suoni di sottofondo che potrebbero disturbare. Uno degli effetti? E’ possibile vedere un film o ascoltare musica in volo quasi come se si fosse a casa.

Per ridurre al minimo il rumore fastidioso causato da fonti sonore come automobili, navi e aeroplani, gli ingegneri acustici utilizzano molte strategie. Una tecnologia, che sfrutta un fenomeno chiamato “risonanza di Helmholtz”, si basa su un concetto simile a quello utilizzato nelle cuffie con cancellazione del rumore: gli ingegneri costruiscono una scatola di risonanza che ha una fessura su un lato e, mentre l’aria passa sulla la fessura, la scatola vibra come una canna di un organo, producendo un tono. Regolando la dimensione e la forma della cavità (e della sua fessura), gli ingegneri acustici possono sintonizzarsi per produrre un tono specifico che, come nel caso delle cuffie, annulla il suono dominante (e irritante) prodotto dalle macchine.
Storicamente, il processo di messa a punto di un “risuonatore di Helmholtz” è un’impresa che comporta moltissime prove ed errori costosi e dispendiosi in termini di tempo. Finora, gli ingegneri non hanno avuto altra scelta se non quella di costruire e testare fisicamente molte diverse geometrie allo scopo di arrivare a una forma ottimale per un’applicazione specifica, specialmente in un ambiente con flussi turbolenti.

Oggi, tuttavia, il computing ad alte prestazioni offre la possibilità di eseguire questi test virtualmente, rendendo il processo di progettazione più rapido e semplice.
In un articolo appena pubblicato sulla rivista Acta Mechanica, Lewin Stein e Jörn Sesterhenn dell’Università Tecnica di Berlino descrivono un nuovo modello analitico per la previsione del suono che potrebbe rendere più economico ed efficiente il design dei risuonatori di Helmholtz. Lo sviluppo del modello è stato facilitato da un set di dati prodotto utilizzando simulazioni numeriche diretta eseguite presso l’High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS). Il modello analitico può prevedere lo spettro sonoro di una potenziale cavità di Helmholtz mentre l’aria turbolenta scorre su di essa: gli autori suggeriscono che questo strumento potrebbe essere potenzialmente utilizzato per mettere a punto risuonatori di Helmholtz per annullare o evitare qualsiasi frequenza di interesse.

Quando l’aria passa sopra la fessura, il suo flusso viene interrotto e la turbolenza aumenta. Solitamente si formano dei vortici che si staccano dal bordo a monte della fessura e, tutti insieme, formano un grande vortice che copre la fessura e può interagire con le vibrazioni acustiche generate all’interno della cavità. Il risultato è uno smorzamento (o eccitazione) che dipende dalla frequenza dell’onda acustica quando l’aria passa attraverso questo vortice.

In passato era difficile studiare numericamente queste interazioni e i loro effetti, senza fare approssimazioni abbastanza imprecise. Per la prima volta, la simulazione di Stein e colleghi è riuscita a integra in modo molto aderente alla realtà i fenomeni turbolenti e acustici di una cavità di Helmholtz eccitata da un flusso turbolento che passa sulla sua fessura. Con una risoluzione senza precedenti, questo metodo consente di tracciare l’interazione flusso-acustica e le sue implicazioni per la risonanza della cavità.

Un risultato che, a quanto si legge, è stato ottenuto usando un metodo chiamato “simulazione numerica diretta” (DNS), che descrive un gas o un liquido a livello fondamentale. “Ho utilizzato la forma più complessa delle equazioni fluide – le equazioni di Navier-Stokes – per avvicinarmi il più possibile al fenomeno reale in natura, usando al tempo stesso la minima approssimazione necessaria”, spiega Stein. “La nostra DNS ci ha permesso di acquisire nuove conoscenze di cui prima non disponevamo”

La simulazione numerica diretta di Stein divide il sistema in una “maglia” formata da circa 1 miliardo di punti di griglia e simula più di 100mila passaggi temporali, al fine di risolvere completamente le dinamiche del sistema per soli 30 millisecondi di tempo fisico. Ogni “giro” del modello numerico sul supercomputer degli scienziati ha richiesto circa quattro giorni, utilizzando circa 40.000 nuclei di elaborazione.

Considerando che un esperimento fisico è spazialmente limitato e può solo tracciare alcuni parametri fisicamente rilevanti, ogni singola simulazione numerica diretta fornisce un set di dati di 20 terabyte che documenta tutte le variabili di flusso in tutti i passaggi temporali e spaziali all’interno della maglia, fornendo un risultato che può essere esplorato in dettaglio. Eseguire la simulazione in questo periodo di tempo ha fornito un buon compromesso tra la possibilità di creare un database affidabile e l’ottenimento di risultati in un lasso di tempo ragionevole.

Una volta sviluppati i dettagli del modello acustico, la prossima sfida consisterà nel confermare che questa tecnica può prevedere le proprietà acustiche di altre possibili forme geometriche della cavità di Helmholtz e delle condizioni di flussi d’aria. Confrontando i risultati del modello con i dati sperimentali forniti da Joachim Golliard del Centre de Transfert de Technologie di Mans in Francia, Stein e il suo gruppo hanno trovato che il modello era molto preciso. Il modello descritto nello studio è ottimizzato per i flussi d’aria a bassa velocità e per le basse frequenze, come quelle che si trovano nei sistemi di ventilazione. È inoltre progettato per essere modulare in modo che sia possibile esaminare anche una cavità che includa materiali complessi come la schiuma anziché a pareti rigide.