I metodi computazionali sono utilizzati in molti settori: progettazione di parti di aerei, produzione di automobili, progettazione di prodotti domestici, apparecchiature mediche... e persino nella progettazione di dentifrici e spazzolini da denti! Allora perché non negli strumenti musicali? È quello che hanno pensato due giovani ricercatori nel 2016, ed è per questo che è stato creato Syos. Oggi vi presentiamo un altro lavoro Syos: l'ingegnere della simulazione.
Che cos'è esattamente?
Il nostro obiettivo in Syos è studiare gli strumenti musicali per capire come le loro caratteristiche modificano il suono e la facilità di esecuzione. È possibile replicare scientificamente il funzionamento di uno strumento per prevederne le qualità prima di farne un modello. Un modello è un programma che emula il comportamento dell'oggetto a partire da equazioni matematiche che rappresentano fenomeni fisici.
Alla Syos ci occupiamo di calcolare il comportamento del flusso d'aria all'interno di un becco. Con questi modelli possiamo:
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capire meglio il funzionamento del becco, il modo in cui il flusso d'aria viene deviato da un'altra parte del corpo.diversi tipi di scalinoe il suo impatto sul suono.
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prevedere le proprietà acustiche di un becco senza doverlo fabbricare e farlo testare da 20 o 30 musicisti per avere un insieme di dati statisticamente significativo.
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calcolare quali miglioramenti devono essere apportati a un becco per modificare il suono in una direzione precisa.
Ma come funziona?
Il metodo consiste nel simulare il flusso d'aria in una cavità o su una superficie. Tali processi sono spesso utilizzati per progettare parti di aerei o auto...
Se avete familiarità con la scienza, avrete studiato fenomeni fisici che possono essere descritti da equazioni: un oggetto che cade o un pendolo che oscilla (Gravità), l'aria che viene messa sotto pressione (Legge dei gas ideali), il comportamento dei circuiti elettrici (Regola del punto di Kirchhoff / regola nodale)...
Tuttavia, la maggior parte dei fenomeni fisici è molto più complessa e non può essere descritta con una semplice formula matematica. È il caso del flusso d'aria o d'acqua, ma anche delle sollecitazioni meccaniche all'interno di un oggetto. Per questi fenomeni è necessario utilizzare metodi più avanzati.
Metodo degli elementi finiti
Il metodo degli elementi finiti è un modo per risolvere numericamente le equazioni fisiche. Viene utilizzato quando le leggi fisiche che regolano il fenomeno sono complesse e non possono essere risolte con semplici operazioni matematiche. Ecco una spiegazione semplificata del metodo:
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L'oggetto da studiare viene diviso in parti molto piccole (questa divisione si chiamala griglia).
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In un elemento di piccole dimensioni, le equazioni fisiche possono essere semplificate. La velocità e la pressione dell'aria possono essere calcolate più semplicemente.
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Il risultato di ciò che accade in un elemento ci aiuta a calcolare ciò che accadrà negli elementi successivi.
Il becco del sassofono o del clarinetto
Nel caso del becco del sassofono o del clarinetto, il metodo degli elementi finiti può essere utilizzato per simulare il flusso d'aria nella cavità interna. Le variabili più rilevanti sono la pressione acustica e la velocità del flusso d'aria nel becco. Si osservano risultati diversi per quanto riguarda la geometria del becco. Il passo più lungo è la creazione della griglia, cioè la ricreazione del becco, che può avere dimensioni diverse, forme diverse che possono variare da un punto all'altro del modello.
Il passo successivo è lanciare la simulazione: il calcolo può tenere occupato un computer per 24 ore. E non è tutto! Le vibrazioni dell'ancia devono essere prese in considerazione perché hanno un impatto significativo sul comportamento del flusso d'aria: è ciò che si chiamainterazioni fluido-strutturaQuesto dettaglio rende i modelli molto più complessi (questi calcoli possono richiedere diversi giorni o settimane, a seconda del computer utilizzato).
Ecco la descrizione del lavoro:
| 25% | Ricerca bibliografica, studio dei fenomeni fisici, ricerca di nuove tecnologie di simulazione. |
| 25% | Costruzione dei modelli, impostazione della griglia agli elementi finiti, ottimizzazione dei parametri di simulazione |
| 50% | Elaborazione dei dati, analisi dei risultati della simulazione, confronto dei dati con misure acustiche e con i dati raccolti da sessioni di test con musicisti |
Se vi piace la scienza, e se vi piace l'idea che un ingegnere abbia fatto una simulazione numerica del flusso d'aria all'interno della geometria del vostro becco, è il momento di ordinare un becco Syos! Potrete parlare di elementi finiti con gli altri musicisti e sarete così fighi!
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