p Combinando princípios de dinâmica de fluidos computacional e acústica, pesquisadores da TU Berlin desenvolveram um modelo analítico que pode simplificar o processo de criação de ressonadores de Helmholtz, um tipo de estrutura de cancelamento de ruído usada em aviões, navios, e sistemas de ventilação. O modelo pode prever o espectro de som de uma cavidade de Helmholtz potencial à medida que o ar turbulento flui sobre ela, e poderia ser usado para sintonizar ressonadores Helmholtz para cancelar ou evitar qualquer frequência de interesse. p Os fones de ouvido com cancelamento de ruído se tornaram um acessório popular para passageiros frequentes. Ao analisar as frequências de fundo produzidas por um avião em vôo e gerar uma onda sonora "anti-ruído" perfeitamente defasada, esses fones de ouvido eliminam sons de fundo perturbadores. Embora os fones de ouvido não possam fazer nada sobre os assentos apertados, eles podem tornar assistir um filme ou ouvir música durante o voo quase tão agradável quanto em casa.

p Para minimizar o ruído perturbador causado por máquinas barulhentas, como carros, navios, e aviões, engenheiros acústicos usam muitas estratégias. Uma tecnologia, chamada de cavidade Helmholtz, é baseado em um conceito semelhante ao usado em fones de ouvido com cancelamento de ruído. Aqui, os engenheiros constroem uma caixa ressonante que se abre para uma fenda de um lado. Conforme o ar passa pela fenda, a caixa vibra como um tubo de órgão de igreja, produzindo um tom. Ajustando o tamanho e a forma da cavidade e sua fenda, engenheiros acústicos podem ajustá-lo para produzir um tom específico que - como os fones de ouvido - cancela um dominante, som irritante produzido por máquinas.

p Historicamente, o processo de ajuste de um ressonador de Helmholtz foi um empreendimento de força bruta envolvendo tentativas e erros caros e demorados. Os engenheiros não tinham outra escolha a não ser construir fisicamente e testar muitas geometrias diferentes experimentalmente para encontrar uma forma ideal para uma aplicação específica, especialmente em um ambiente de fluxo turbulento.

p Hoje, Contudo, a computação de alto desempenho oferece o potencial para realizar tais testes virtualmente, tornando o processo de design mais rápido e fácil.

p Em um artigo publicado na revista Acta Mechanica , Lewin Stein e Jörn Sesterhenn, da TU Berlin, descrevem um novo modelo analítico para predição de som que pode tornar o projeto das cavidades de Helmholtz mais barato e mais eficiente. O desenvolvimento do modelo foi facilitado por um conjunto de dados produzido por simulação numérica direta no High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS). O modelo analítico pode prever, de uma forma que é mais geralmente aplicável do que antes, o espectro de som de uma cavidade de Helmholtz potencial à medida que o ar turbulento flui sobre ela. Os autores sugerem que tal ferramenta poderia potencialmente ser usada para ajustar cavidades de Helmholtz para cancelar ou evitar qualquer frequência de interesse.

p A simulação aborda todas as escalas da natureza

p Quando o ar em movimento passa pela fenda de uma cavidade de Helmholtz, seu fluxo é interrompido e a turbulência é intensificada. Vórtices normalmente surgem, destacando-se da borda a montante da fenda. Juntos, eles formam uma folha de vórtices que cobre a fenda e podem interagir com as vibrações acústicas sendo geradas dentro da cavidade. O resultado é um amortecimento dependente da frequência ou excitação da onda acústica à medida que o ar passa por esta folha de vórtice.

p No passado, era difícil estudar tais interações e seus efeitos numericamente sem fazer aproximações grosseiras. Pela primeira vez, A simulação de Stein integra de forma realista os fenômenos turbulentos e acústicos de uma cavidade de Helmholtz excitada por um fluxo turbulento que passa por sua fenda. Em uma resolução sem precedentes, torna possível rastrear a interação fluxo-acústica e suas implicações para a ressonância da cavidade.

p Essa conquista é possível usando um método chamado simulação numérica direta (DNS), que descreve um gás ou líquido em um nível fundamental. "Estou usando a forma mais complexa de equações de fluidos - chamadas de equações de Navier-Stokes - para chegar o mais perto possível do fenômeno real na natureza, usando o mínimo de aproximação necessário, Stein diz. "Nosso DNS nos permitiu obter novas percepções que não existiam antes."

p A simulação numérica direta de Stein divide o sistema em uma malha de aproximadamente 1 bilhão de pontos de grade e simula mais de 100 mil passos de tempo, a fim de resolver totalmente a dinâmica do sistema por apenas 30 milissegundos de tempo físico. Cada execução do modelo numérico no supercomputador Hazel Hen do HLRS exigiu aproximadamente quatro dias de 24 horas, usando cerca de 40, 000 núcleos de computação.

p Considerando que um experimento físico é espacialmente limitado e pode rastrear apenas alguns parâmetros fisicamente relevantes, cada execução de DNS individual fornece um conjunto de dados de 20 terabytes que documenta todas as variáveis ​​de fluxo em todas as etapas de tempo e espaços dentro da malha, entregando um recurso rico que pode ser explorado em detalhes. Stein diz que executar a simulação ao longo desse período de tempo forneceu um bom meio-termo entre ser capaz de configurar um banco de dados confiável e obter resultados em um período de tempo prático.

p Rumo a um modelo geral de previsão de som

p Uma vez que os detalhes do modelo acústico foram desenvolvidos, o próximo desafio era confirmar que ele poderia prever propriedades acústicas de outras geometrias de cavidades de Helmholtz e condições de fluxo de ar. Ao comparar os resultados do modelo extrapolado com dados experimentais fornecidos por Joachim Golliard no Centre de Transfert de Technologie du Mans, na França, Stein descobriu que o modelo o fazia com grande precisão.

p O modelo relatado no artigo é otimizado para fluxos de ar de baixa velocidade e para baixas frequências, como os encontrados em sistemas de ventilação. Ele também é projetado para ser modular, de modo que uma cavidade que inclui materiais complexos como espuma em vez de uma parede dura também possa ser investigada. Stein antecipa que ganhar mais tempo de computação e acesso a supercomputadores mais rápidos permitiria a ele prever numericamente uma gama mais ampla de formas de ressonador em potencial e condições de fluxo.

p Tendo concluído recentemente seu 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, " ele 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."