Acoustic characterization and optimization of the Experimental IIT Rehab Transfemoral Prosthetic Leg

Recent human-centered design studies show that the acoustic noise produced by a device can become detrimental both from a physical and psychological perspective. This gets even more relevant when dealing with bio-medical systems such as prostheses. The objec- tive of this work was initially the study of the vibro-acoustic behavior of an experimental transfemoral prosthesis where the noise source was located in the actuation system. The theoretical analysis was followed by an experimental test in an anechoic chamber to both characterize the device’s acoustic behavior and verify the numerical simulation procedure. The latter was exploited to acoustically optimize the prosthesis non-structural cover which encloses the actuation system and which turned out to be the resonating element of the prosthesis. The optimization was based on research work on the newest noise-reduction techniques, taking into account the prosthesis design requirements. The final solution fell into the usage of a periodic array of Helmholtz cell resonators placed on a modular panel that was mounted on the non-structural cover reaching a satisfactory average noise reduction of 6 dBA in the considered frequency range.

Recenti studi di progettazione incentrati sull’uomo mostrano che il rumore acustico prodotto da un dispositivo può diventare dannoso sia dal punto di vista fisico che psicologico. Ciò diventa ancora più rilevante quando si ha a che fare con sistemi biomedici come le protesi. L’obiettivo di questo lavoro è stato inizialmente lo studio del comportamento vibro-acustico di una protesi transfemorale sperimentale in cui la sorgente del rumore era localizzata nel sistema di attuazione. All’analisi teorica è seguita una prova sperimentale in camera anecoica sia per caratterizzare il comportamento acustico del dispositivo sia per verificare la procedura di simulazione numerica. Quest’ultimo è stato sfruttato per ot- timizzare acusticamente la copertura non strutturale della protesi che racchiude il sistema di attuazione e che si è rivelata l’elemento risonante della protesi. L’ottimizzazione si è basata su un lavoro di ricerca sulle più recenti tecniche di riduzione del rumore, tenendo conto dei requisiti di progettazione della protesi. La soluzione finale è caduta nell’utilizzo di un array periodico di risonatori a celle di Helmholtz posti su un pannello modulare che è stato montato sulla copertura non strutturale raggiungendo una soddisfacente riduzione media del rumore di 6 dBA nella gamma di frequenze considerata.