La simulación acústica por computadora es una herramienta útil para predecir el campo sonoro resultante en diversas situaciones. En este post se describen brevemente las formas más conocidas de modelado junto con sus ventajas y limitaciones.
Ejemplo de simulación acústica.
Antes, comencemos por entender por qué es útil simular. Supongamos una construcción de un teatro, un bar o cualquier recinto donde la reproducción de música o la inteligibilidad de la palabra tengan un rol significativo. Además de pretender que se vea bien, el arquitecto o equipo de diseño buscará satisfacer ciertos parámetros que garanticen un entorno sonoro agradable, por ej.: tiempo de reverberación controlado, densa distribución modal, aislamiento acústico de los vecinos, etc. Todos estos factores dependerán fuertemente de la geometría del lugar, materiales, distribución de los parlantes (si los hay), y de muchos otros detalles constructivos. En este caso, las simulaciones pueden ahorrar mucho dinero y ayudar a tomar decisiones.
Si bien en la acústica arquitectónica las simulaciones se han expandido notablemente, no es el único ámbito donde se utilizan. El diseño de refuerzo sonoro, control de ruido, industria automotriz y muchas otras áreas se basan en modelos y simulaciones acústicas para tomar decisiones de todo tipo.
Ecuación general de onda en una dimensión.
De aquí podemos distinguir los tipos de modelos basándonos en el nivel de complejidad de la simulación. En algunos casos es necesario estudiar el sonido desde su forma más completa a través de la ecuación de onda, y otras veces es posible hacer simplificaciones que agilicen los cálculos y no exijan tanto costo computacional. Comenzaremos desde el análisis más complejo al más simple.
Análisis FEM realizado sobre una Bocina
La simulación basada en resolver la ecuación de onda es la más detallada y precisa, aunque también es la más costosa. Se usa cuando es necesario estudiar el campo acústico en cada punto del espacio con máxima precisión. Esto permite conocer no sólo la presión sonora sino también la fase en todos los puntos, dato que resulta de vital importancia cuando se quiere estudiar la interacción entre fuentes o comportamientos modales.
Este tipo de análisis se suele hacer sobre elementos puntuales y es de mayor utilidad cuando la longitud de onda de la frecuencia de interés tiene un tamaño mayor o comparable con el objeto físico. Es decir, analizar el comportamiento modal de una sala de ópera a 500Hz es algo prácticamente imposible y carente de sentido para este tipo de análisis.
Cuando las longitudes de onda son pequeñas comparadas con las dimensiones del objeto con que interactúan (el sonido en una sala mediana, por ej.), el método anterior comienza a ser poco práctico y es necesario reducir el «zoom» de análisis para no perder de vista el objetivo global. Esto da lugar a modelos simplificados como el de acústica geométrica.
La acústica geométrica se basa en suponer que el sonido se comporta como la luz, entonces, una fuente sonora omnidireccional dispara haces de sonido en todas las direcciones. Estos haces se reflejan especularmente en superficies lisas y se difractan en superficies irregulares. En cada reflexión pierden energía proporcional a la absorción de la superficie o a la cantidad de fracciones en que se difractó hasta que finalmente se desvanecen.
Mediante este análisis es posible estudiar el decaimiento de la energía sonora recintos de mediano y gran tamaño, pudiendo obtener descriptores múltiples característicos de la acústica salas.
Sin embargo, luego de un corto tiempo, la cantidad de reflexiones aumenta considerablemente y el cálculo se vuelve complejo y pierde precisión. En otras palabras, el campo sonoro pasa a ser difuso y el método de rayos impracticable.
Para esta última situación se puede recurrir al modelo de acústica estadística, en el cuál se utilizan funciones (Ecuación de Sabine, por ej.) que, alimentadas con información del recinto a analizar, pueden predecir sus características acústicas. Con este método también es posible calcular modos normales de salas con geometría simple. La fortaleza de este método es justamente su simplicidad de cálculo, pero sus condiciones de uso son rígidas y acotadas.
La mayoría de los software comerciales no utilizan un único modelo, sino que combinan todos de la forma más óptima para lograr una buena relación entre velocidad de cómputo y veracidad en la predicción.
Ing. Facundo Ramón
Investigación & Desarrollo – Equaphon