Simulação de um arranjo esférico de alto-falantes usando um

145 Pages·2015·4.23 MB·Portuguese

by  Cóser, Lucas Fernando

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COMISSÃO DE PÓS--GGRRAADDUUAAÇÇÃÃOO EEMM EENNGGEENNHHAARRIIAA MMEECCÂÂNNIICCAA

Lucas Fernando Cóser

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Campinas, 2010.

73/2010
Lucas Fernando Cóser

Simulação de um arranjo esférico de alto-falantes
usando um modelo de membrana flexível

Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da
Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade
Estadual de Campinas, como requisito para a
obtenção do título de Mestre em Engenharia
Mecânica.

Área de concentração: Mecânica dos Sólidos e
Projeto Mecânico

Orientador: Prof. Dr. José Roberto de França Arruda

Campinas
2010
i
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

Cóser, Lucas Fernando
C82s Simulação de um arranjo esférico de alto-falantes
usando um modelo de membrana flexível / Lucas
Fernando Cóser. --Campinas, SP: [s.n.], 2010.

Orientador: José Roberto de França Arruda.
Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de
Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica.

1. Pressão de radiação acústica. 2. Ondas sonoras. 3.
Alto-falantes. I. Arruda, José Roberto de França. II.
Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de
Engenharia Mecânica. III. Título.

Título em Inglês: Simulation of a spherical loudspeaker array using a flexible
membrane model
Palavras-chave em Inglês: Acoustic radiation pressure, Sound waves, Loudspeaker
Área de concentração: Mecânica dos sólidos e Projeto Mecânico
Titulação: Mestre em Engenharia Mecânica
Banca examinadora: Arcanjo Lenzi, José Maria Campos dos Santos
Data da defesa: 09/08/2010
Programa de Pós Graduação: Engenharia Mecânica
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FFFAAACCCUUULLLDDDAAADDDEEE DDDEEE EEENNNGGGEEENNNHHHAAARRRIIIAAA MMMEEECCCÂÂÂNNNIIICCCAAA
COMISSÃO DE PÓS--GGRRAADDUUAAÇÇÃÃOO EEMM EENNGGEENNHHAARRIIAA MMEECCÂÂNNIICCAA
DDEEPPAARRTTAAMMEENNTTOO DDEE MMEECCÂÂNNIICCAA CCOOMMPPUUTTAACCIIOONNAALL

DDIISSSSEERRTTAAÇÇÃÃOO DDEE MMEESSTTRRAADDOO AACCAADDÊÊMICO

SSSiiimmmuuulllaaaçççãããooo dddeee uuummm aaarrrrrraaannnjjjooo eeesssfffééérrriiicccooo dddeee aaallltttooo-falantes
uuusssaaannndddooo uuummm mmmooodddeeelllooo dddeee mmmeeemmmbbbrrraaannnaaa fffllleeexxxííívvveeelll

Autor: Lucas Fernando Cóser
Orientador: PPrrooff.. DDrr.. JJoosséé RRoobbeerrttoo ddee FFrraannççaa AArrrruuddaa

A banca exxaammiinnaaddoorraa ccoommppoossttaa ppeellooss mmeemmbbrrooss aabbaaiixxoo aapprroovvoouu eessttaa diisssseerrttaaççããoo::

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Prof. Dr. JJoosséé RRoobbeerrttoo ddee FFrraannççaa AArrrruuddaa, Presidente
Unicamp - FFaaccuullddaaddee ddee EEnnggeennhhaarria Mecânica

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Prof. Dr. Arcanjo Lenzi
UFSC - DDeeppaarrttaammeennttoo ddee EEnnggeennhhaarriiaa MMeeccâânniiccaa

________________________________________________________________________________________________________
Prof. Dr. JJoosséé MMaarriiaa CCaammppooss dos Santos
Unicamp - Faculdade de EEnnggeennhhaarriiaa MMeeccâânniiccaa
Campinas, 0099 de Agosto de 2010.
iii
Agradecimentos

Seria muito injusto não agradecer todas as pessoas que de alguma maneira tiveram participação
nessa incrível jornada chamada vida. Embora todos os nomes não possam ser lembrados, é certo
que cada pessoa contribuiu na minha história pessoal de uma forma peculiar que não pode ser
descrita porque mesmo as frases mais complexas ou palavras não teriam um significado
completo. De qualquer forma eu gostaria de agradecê-las, especialmente aquelas que me
demonstraram que andar é a única forma de se construir um caminho.

Numa posição muito especial eu agradeço minha família por todo suporte, incentivo e amor
que eu sempre tive mesmo nos tempos mais difíceis. Meus pais Sérgio e Elenice pela sua
presença contínua e preocupação com a nossa educação e bem-estar; meu tio Edison e minhas
tias Eunice, Eliana e Ecleide, por me levarem ao planetário quando eu era um garoto e me
mostrarem que o mundo é tão grande quanto nossa imaginação pode ser; meus avós Justino e
Diva, por me presentearem com um microscópio num Natal distante e me ensinarem que molhar
seu jardim todo dia é importante; meu irmão Thiago por sempre instigar meu lado direito do
cérebro e me mostrar o lado iluminado de todas as coisas e por último, mas não menos
importante, minha esposa Renata, que se tornou minha inestimável companheira nessa jornada e
me dá todos os dias muitas razões para continuar indo sempre além.

Gostaria de expressar ainda minha gratidão aos colegas do Departamento de Mecânica
Computacional da Unicamp, especialmente a Alexander Mattioli Pasqual, cujas contribuições
cruciais não apenas guiaram este trabalho, mas também me ensinaram tópicos importantes que eu
nunca esquecerei. Tenho ainda muito orgulho de ter trabalhado com meu orientador José Roberto
de França Arruda que, desde os meus tempos de graduação, tem sido uma referência pessoal e
profissional sempre presente em minha memória.

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Por último gostaria de expressar aqui meu agradecimento especial à empresa brasileira
SmartTech por todo o suporte financeiro e técnico que tive em meus estudos. Sou particularmente
grato a André de Oliveira e Vinícius de Souza Porto por tudo aquilo que aprendi com eles e que
com certeza levarei pela minha vida profissional.
v
Acknowledgments

It would be really unfair not to thank all the people who have somehow participated in this
amazing journey called life. Although not all names can be remembered, it is certain that each
person has contributed in my personal history in a peculiar way which cannot be described
because even the most complex phrases or words would not have a complete meaning. Anyway I
would like to thank all of them, especially those who have demonstrated me that walking is the
only way of constructing a path.

In a special place I thank my family for all the support, incentive and love I have always had,
no matter how hard the times were. My parents Sérgio and Elenice for their continuous presence
and concern about our education and well being; my uncle Edison and my aunts Eunice, Eliana
and Ecleide, for taking me to the planetarium when I was a kid and showing me that the world is
as big as our imagination can be; my grandparents Justino and Diva, for giving me a microscope
in a distant Christmas and teaching me that watering your garden everyday is important; my
brother Thiago for always stimulating the right side of my brain and showing me the bright side
of all things and last, but not the least, my wife Renata, who became my inestimable partner
along this journey and gives me everyday many reasons to keep going further and further.

I would like also to express my gratitude to my colleagues of the Department of
Computational Mechanics at Unicamp, especially to Alexander Mattioli Pasqual, whose crucial
contributions not only guided this work but also taught me important topics that I will never
forget. I am also very proud to have worked with my advisor José Roberto de França Arruda
who, since my undergraduate times, has been both a personal and professional reference for me
who I will always remember.

At last I express here my special thanks to the Brazilian company SmartTech for all the
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financial and technical support along my studies. I am particularly in debt with André de Oliveira
and Vinícius de Souza Porto for all what I have learned with them and which will be always
present in my professional life.

vii
Resumo

CÓSER, Lucas Fernando, Simulação de um arranjo esférico de alto-falantes usando um modelo
de membrana flexível. 2010. 144 p. Tese (Mestrado em Engenharia Mecânica): Faculdade de
Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, Brasil.

Duas abordagens para a simulação do campo sonoro produzido por um arranjo esférico de alto-
falantes são apresentadas e comparadas a resultados experimentais. Na primeira, modos
estruturais obtidos da análise modal experimental da membrana são usados em simulações
vibroacústicas por elementos de contorno no software LMS Virtual.Lab®. Na segunda, adota-se
uma solução analítica baseada na expansão dos harmônicos esféricos de um padrão de
velocidades sobre uma calota esférica. Os resultados são apresentados em termos de potência
sonora e de padrões de diretividade para o arranjo. No primeiro caso, são observadas as mesmas
tendências na faixa de baixa freqüência em todas as curvas analisadas, havendo distorções
consideráveis na faixa de alta freqüência para a solução analítica devido ao fato desta não incluir
os efeitos dos modos estruturais da membrana. Por outro lado, os padrões de diretividade
demonstram um alto grau de similaridade em todos os casos analisados e não são fortemente
afetados pelos modos estruturais da membrana.

As diferenças observadas nos resultados e as amplificações não realistas nas curvas de potência
sonora das simulações são causadas por três fatores principais: modos de cavidade acústica do
arranjo esférico, desconsideração do acoplamento acústico entre os alto-falantes durante seus
funcionamentos e utilização de um mesmo conjunto de FRFs para todos os alto-falantes. De uma
forma geral, pode-se dizer que a simulação usando o modelo de membrana flexível melhora
consideravelmente a previsão da potência sonora na alta freqüência, o que não pode ser obtido
com o modelo analítico comumente usado na análise de arranjos esféricos de alto-falantes.

viii
Palavras-chave: radiação acústica, arranjos de alto-falantes, diretividade sonora, fontes esféricas,
síntese de diretividade.

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