Los métodos computacionales se utilizan en muchas industrias: diseño de piezas de aviones, fabricación de coches, diseño de productos domésticos, equipos médicos... ¡e incluso en el diseño de su pasta y cepillo de dientes! ¿Por qué no en los instrumentos musicales? Esto es lo que tenían en mente dos jóvenes investigadores en 2016, y por eso se creó Syos. Hoy te presentamos otro puesto de trabajo en Syos: el de ingeniero de simulación.
¿Qué es exactamente?
Nuestro objetivo en Syos es estudiar los instrumentos musicales para comprender cómo sus características modifican el sonido y la facilidad de ejecución. Es posible reproducir científicamente el funcionamiento de un instrumento para predecir sus cualidades antes de fabricarlo. Un modelo es un programa que emula el comportamiento del objeto a partir de ecuaciones matemáticas que representan fenómenos físicos.
En Syos trabajamos en el cálculo del comportamiento del flujo de aire en el interior de una boquilla. Con estos modelos podemos:
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comprender mejor el funcionamiento de la boquilla, cómo se desvía el flujo de aire aldiferentes tipos de bafley cómo afectará al sonido.
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predecir las propiedades acústicas de una boquilla sin tener que fabricarla y hacerla probar por 20 o 30 músicos para tener un conjunto de datos estadísticamente significativo.
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calcular qué mejoras deben realizarse en una boquilla para modificar el sonido en una dirección precisa.
Pero, ¿cómo funciona?
El método consiste en simular el flujo de aire en una cavidad o sobre una superficie. Este tipo de procesos se utilizan a menudo para diseñar piezas de aviones o coches....
Si está familiarizado con la ciencia, habrá estudiado fenómenos físicos que pueden describirse mediante ecuaciones: un objeto que cae o un péndulo que oscila (Gravedad), el aire sometido a presión (Ley de los gases ideales), el comportamiento de los circuitos eléctricos (Regla del punto de Kirchhoff / regla nodal)...
Sin embargo, la mayoría de los fenómenos físicos son mucho más complejos y no pueden describirse con una simple fórmula matemática. Es el caso del flujo de aire o de agua, y también de las tensiones mecánicas en el interior de un objeto. Para estos fenómenos hay que utilizar métodos más avanzados.
Método de los elementos finitos
El método de los elementos finitos es una forma de resolver numéricamente ecuaciones físicas. Se utiliza cuando las leyes físicas que rigen el fenómeno son complejas y no pueden resolverse mediante operaciones matemáticas sencillas. He aquí una explicación simplificada del método:
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El objeto a estudiar se divide en partes muy pequeñas (esta división se denominala red).
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En un elemento pequeño, las ecuaciones físicas pueden simplificarse. La velocidad y la presión del aire pueden calcularse de forma más sencilla.
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El resultado de lo que ocurre en un elemento nos ayuda a calcular lo que ocurrirá en los siguientes.
La boquilla del saxofón o del clarinete
En el caso de la boquilla de saxofón o clarinete, puede utilizarse el método de los elementos finitos para simular el flujo de aire en la cavidad interna. Las variables más relevantes son la presión acústica y la velocidad del flujo de aire en la boquilla. Se observan resultados diferentes en función de la geometría de la boquilla. El paso más largo es crear la rejilla: es decir, recrear la boquilla, que puede tener diferentes tamaños y formas que pueden variar de un punto a otro del modelo.
El siguiente paso es lanzar la simulación: el cálculo puede mantener ocupado a un ordenador durante 24 horas. ¡Y eso no es todo! Hay que tener en cuenta las vibraciones de la caña porque influyen mucho en el comportamiento del flujo de aire: es lo que se llamainteracciones fluido-estructuray este detalle es lo que hace que los modelos sean mucho más complejos (estos cálculos pueden llevar varios días o semanas, según el ordenador que se utilice).
Esta es la descripción del trabajo:
| 25% | Investigación bibliográfica, estudio de los fenómenos físicos, investigación sobre nuevas tecnologías de simulación |
| 25% | Construcción de los modelos, ajuste de la malla de elementos finitos, optimización de los parámetros de simulación |
| 50% | Tratamiento de los datos, análisis de los resultados de la simulación, comparación de los datos con las medidas acústicas y con los datos recogidos en las sesiones de prueba con músicos. |
Si te gusta la ciencia, y si te gusta la idea de que un ingeniero haya hecho una simulación numérica del flujo de aire dentro de la geometría de tu boquilla, ¡es el momento de pedir una boquilla Syos! Y podrás hablar con los demás músicos sobre elementos finitos, ¡y estarás tan guay!
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