Cuantificación de la comodidad de los auriculares con un ingeníero profesional estructural

Nota del editor: la siguiente es una publicación especial de Jim Shaw, Director Gerente, Fastway Engineering y Alex Kemmler, Vicepresidente de Desarrollo de Productos, Aiwa Corporation. En el post, el dúo discute su experiencia usando simulación avanzada con Structural Professional Engineer (anteriormente SIMULIA Structural Simulation Engineer).

Posiblemente los auriculares de alta calidad son las cosas más difíciles de diseñar en el mundo. No solo tenemos todos los factores que afectan la salida de audio: la respuesta de frecuencia, resonancias, curvas de fase y distorsión, presurización acústica, DSP, etc., sino que también tenemos el diseño centrado en el ser humano: los colores, las texturas , los materiales y, por supuesto, “la sensación”. Toda esta ingeniería necesita ser montada en un pequeño paquete del tamaño de una oreja.

La forma en que los auriculares interactúan con nuestra cabeza y oídos es una sensación única y subjetiva para cada individuo. Sin embargo, el ingeniero en todos nosotros dice “¡cuantifiquemos eso!”, Que es exactamente lo que hicimos con AIWA, la icónica marca de audio de alta calidad que recientemente se ha reiniciado aquí en los EE. UU. La marca AIWA ha resucitado en su apasionado búsqueda de unir a las personas en torno a la música. AIWA tiene una fórmula simple para entregar equipos de audio serios sin compromiso, con el mejor talento acústico, los componentes de la más alta calidad y un servicio al cliente de clase mundial. ¿Cómo se junta todo? Con investigación y desarrollo de vanguardia.

EL ENFOQUE
Realizar pruebas exhaustivas de la experiencia del usuario sería una tarea enorme, ya que la población de la muestra necesitaría cubrir una variedad casi infinita de atributos humanos: anchos, diámetros, alturas y formas relacionadas con nuestras cabezas y orejas. El diseño de experimentos (DOE) para algo como esto requeriría mucho tiempo y sería muy costoso. Aquí es donde la simulación hace su caso de negocios. En lugar de crear prototipos y probar una amplia variedad de productos y personas, ¿por qué no utilizar el análisis de elementos finitos (FEA) para simular la interacción entre el auricular y la cabeza humana? Si se puede crear un modelo de trabajo que capture con precisión la física, entonces podemos aplicarlo fácilmente a una amplia variedad de diseños de auriculares y geometría de cabeza humana.

EL MÉTODO
Primero, se creó una geometría representativa tanto para la cabeza humana como para los auriculares en SOLIDWORKS. Nuevamente, nuestro objetivo aquí no era llevar a cabo un DOE completo (que requeriría cientos de formas y tamaños de cabeza humana, así como docenas de diseños de auriculares), sino más bien demostrar que se podía crear un modelo de trabajo. Para hacer esto, nuestro enfoque estaba en representar con precisión la física en cuestión en FEA. Esto nos dará las fuerzas resultantes y, por lo tanto, las presiones que sentimos en nuestra cabeza cuando nos ponemos unos auriculares de alta calidad. Después de algunos estudios simples, nos dimos cuenta de que el movimiento requerido para instalar un juego de auriculares era bastante complicado. Los auriculares se abren (“pretensados”), se mueven sobre la cabeza, se ubican alrededor de las orejas y luego se cierran a su posición final.

Parecía un poco exagerado simular, por lo que el movimiento se simplificó (y se aprovechó la simetría), con un modelo simple de auriculares que comenzó en reposo, con la cabeza trasladada a su posición final. Al hacer esto, la simulación se centró en la interacción compleja entre la cabeza y los auriculares, y no en el movimiento en sí.

LOS FÍSICOS

La interacción entre un par de auriculares suaves y cómodos y nuestros oídos frágiles y sensibles es algo muy complejo. Decir que este modelo matemático es “no lineal” es una subestimación. La no linealidad en FEA puede tomar muchas formas: geométrica, las propiedades del material y el contacto deslizante / de fricción son tres de los más comunes. Bueno, para generar confianza en nuestro modelo de funcionamiento de auriculares, necesitaríamos ejercer los tres:

 

  1. No linealidad geométrica: el marco de los auriculares se compone de un marco largo y delgado que se desvía de una manera muy no lineal.
  2.  No linealidad de contacto: a medida que los auriculares entran en contacto con la cabeza (o viceversa en nuestro modelo), hay mucho movimiento local y relativo en las superficies de la interfaz. Esta interacción compleja solo se puede capturar matemáticamente con un paso temporal de las condiciones de contorno
  3. No linealidad del material: la comodidad que sentimos con los auriculares proviene de la espuma suave dentro de las almohadillas, así como de la cubierta elastomérica (goma) que realmente toca nuestros oídos. Ambos materiales tienen relaciones muy complejas entre su estrés y tensión. En otras palabras, su módulo de elasticidad (el alcance de la curva de tensión y deformación) cambia bastante a través del rango de movimiento.

 

Debido a esta “triple amenaza” de requisitos no lineales, decidimos usar la nueva herramienta FEA no lineal de Dassault Systemes, llamada Structural Professional Engineer, que combina la potencia informática y el solucionador físico de SIMULIA con la conexión CAD paramétrica y la usabilidad de SOLIDWORKS a través de 3DEXPERIENCE plataforma. Prácticamente lo mejor de ambos mundos.

 

LA CURVA DE APRENDIZAJE
Viniendo de SOLIDWORKS teníamos algunas cosas nuevas que aprender mientras saltamos a Structural Professional Engineer. Primero, necesitábamos trasladar la geometría a Structural Professional Engineer. Esto fue bastante fácil ya que hay un complemento para SOLIDWORKS, por lo que solo fueron unos pocos clics. Luego, nos familiarizamos con la GUI, que fue bastante fácil dado que el diseño se ajusta al diseño típico de CAx con un árbol modelo, una pantalla de gráficos y un panel de funciones en la parte inferior.

El flujo de trabajo en Structural Professional Engineer se alinea con el flujo de trabajo estándar de FEA, que se puede dividir en 3 pasos principales: preprocesamiento, resolución y postprocesamiento. En este caso, dado el alto nivel de no linealidad, nuestro preprocesamiento se centró en tres áreas importantes: definición de materiales, control de malla y gestión de contactos.

MATERIALES: para los materiales no lineales, elegimos modelos hiperelásticos para capturar con precisión la gran cantidad de deformación y el módulo cambiante. Para el caucho usamos un modelo Mooney-Rivlin relativamente simple, y para la espuma usamos el material HyperMesh. Ambos son lo suficientemente simples como para ser estables, pero lo suficientemente complejos como para capturar con mayor precisión las desviaciones

MALLA: para la malla, elegimos utilizar una malla basada en tetraedro, ya que puede capturar fácilmente las superficies complejas de la cabeza humana, así como las de los materiales blandos de los auriculares. Sin embargo, por lo general, para los modelos de alta deformación (como los materiales hiperelásticos), una malla hexagonal es ideal ya que los elementos tienden a deformarse de una manera más predecible. Entonces, para dar cuenta de esto, apretamos la malla en las áreas de contacto y en los volúmenes de alta deformación.

El flujo de trabajo para la malla en Structural Professional Engineer es un poco más complejo que en SOLIDWORKS, pero por una buena razón: hay muchas más herramientas y, con ellas, mucho más control. Para los análisis no lineales, esto es obligatorio, especialmente con los modelos hiperelásticos. La alta deformación puede hacer que los elementos se deformen de maneras muy extrañas, y eso podría hacer que el análisis diverja o incluso se bloquee. La resolución de problemas es obligatoria en los análisis complejos de FE, pero minimizar el tiempo que dedicamos a ello sigue siendo un objetivo. Con un banco profundo de herramientas de malla, realmente podemos maximizar la calidad y prepararnos para el éxito, matemáticamente.

Para asegurarnos de que teníamos suficientes detalles para capturar el contacto, disminuimos el tamaño de la malla con varios objetivos en mente: crear elementos lo suficientemente pequeños como para capturar la geometría, crear elementos lo más cercanos al equilátero posible, asegurar los elementos a cada lado del contacto Son similares en tamaño.

Con Mesh Manager, podemos revisar rápida y fácilmente el modelo FE

CONTACTOS: la administración de contactos en Structural Professional Engineer también es un poco diferente, y nuevamente es por razones similares a las mallas: el usuario tiene un mayor control sobre los modelos. Sin embargo, esto requiere un poco más de capacitación, por lo que los nuevos usuarios deben estar preparados para hacer un poco más de tarea aquí. La buena noticia es que el equipo de Structural Professional Engineer ha creado un puñado de páginas, modelos y tutoriales útiles para ayudarlo a avanzar en la curva de aprendizaje. Confíe en nosotros, este es un tiempo bien empleado, ya que una mayor comprensión da como resultado menos tiempo dedicado a la resolución de problemas y una mayor confianza general en el modelo.

EL RESOLVER
Con el modelo configurado, el humano puede descansar y dejar que la computadora haga su trabajo. En este caso, el ingeniero profesional estructural sobresale absolutamente. Su solucionador configura automáticamente los pasos de tiempo, lo que quita la presión del usuario final. Los pasos de tiempo son críticos para capturar con precisión la interacción compleja en los contactos. Esto se debe a que Structural Professional Engineer tiene que descubrir qué elementos y nodos se tocan y modelar con precisión el contacto de asociación. Cuando hay una geometría compleja involucrada, esto puede ser bastante desafiante. El ingeniero profesional estructural reconocerá ciertos pasos de tiempo, que son desafiantes, y “ralentizará” el análisis, para permitir que el contacto se simule cuidadosamente. Todo esto se hace automáticamente. Además, cuando se resuelve en modo “interactivo”, el usuario final puede observar este proceso y, por lo tanto, si el paso de tiempo comienza a disminuir realmente, el análisis puede detenerse y los resultados pueden observarse hasta ese momento. Esto es de vital importancia en la resolución de problemas y ahorra muchas horas de espera, verificación, ajustes y resolución.

LOS RESULTADOS
Los resultados del análisis pueden representarse tanto en términos cualitativos como cuantitativos. Cualitativamente, podemos revisar el estrés (presión) que está ocurriendo en la superficie de la cabeza y alrededor del oído. Por supuesto, la suposición de que nuestra cabeza es perfectamente rígida no es realista, pero nos da una idea de cuál sería la distribución de la presión en la vida real. Para los llamados auriculares sobre la oreja, el área de contacto es el área ósea que rodea la oreja, por lo que la experiencia de presión del usuario (y el (des) confort) resultante se puede aproximar razonablemente con un objeto rígido.

Cuantitativamente, podemos extraer un gráfico de la fuerza de reacción por tiempo, y esto podría darnos una idea de la “experiencia del usuario” durante todo el proceso de ponerse los auriculares. Correlacionar con los datos reales de la prueba sería bastante difícil, pero no imposible.

LA CONCLUSIÓN
El objetivo principal de este ejercicio era crear un modelo de trabajo donde la física pudiera capturarse con precisión, y ese objetivo se cumplió con bastante facilidad como se puede ver aquí. Los siguientes pasos para este modelo son refinarlo un poco con más detalles en el lado de los auriculares e investigar métodos para modelar las propiedades materiales de la cabeza y el oído humanos. Además, se crearán planes de prueba sobre cómo correlacionar este modelo con la actividad real del mundo real. Si se puede cerrar el “ciclo” de la ingeniería, se puede construir un DOE completo utilizando SOLIDWORKS e Structural Professional Engineer para investigar y optimizar una amplia variedad de opciones de diseño y geometría humana.

SOLIDWORKS LATAM y España
Dassault Systèmes SOLIDWORKS Corp. ofrece herramientas de software 3D completas para crear, simular, publicar y gestionar sus datos. Las soluciones de SOLIDWORKS son fáciles de aprender y usar, y funcionan en conjunto para ayudarle a diseñar productos mejor, más rápido y de manera más rentable. Su facilidad de uso permite que ingenieros, diseñadores y otros profesionales de la tecnología aprovechen más que nunca las ventajas del 3D para darle vida a sus diseños.
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