Virtual acoustics for product design and prototyping process

In the last years Product Design is taking more and more advantage of new technologies for the optimization of the different steps of the processes from the concept to the final product. Physical prototypes are usually expensive and not flexible enough to perform different kinds of tests. Virtual Prototypes can be used to evaluate the product during the design process. Therefore the production of physical prototypes becomes useless, leading to a strong reduction of the costs related to their production and validation. Virtual Prototyping mainly focuses on the simulation and evaluation of visual, haptic and tactile aspects of the products. However there are some categories of industrial products that need to be evaluated also from an acoustic point of view, since they generate sounds while working. The sound can be an important aspect of an industrial product, and it needs to be studied and evaluated, since it can influence the customers' choices between similar products. The research work described in this thesis concerns the acoustic evaluation of industrial products supported by the development and the use of Virtual Acoustic Prototypes. More in detail a method for integrating the use of Virtual Acoustic Prototypes in the Product Design Process has been defined and analyzed in all its aspects. The method consists in a process that can be divided into three different phases, which are the analysis of the acoustic requirements of a given industrial product, the implementation of a Virtual Acoustic Prototype and the evaluation of the sound generated with the help of the Virtual Prototype. For each phase a specific tools has been identified. While the definition of the phases related to the analysis of the acoustic requirements and the evaluation of sounds concerns the use of a well-known procedure for the sound quality evaluation, a new software tool has been designed and implemented to support the definition of the Virtual Acoustic Prototypes. The software tool, called Virtual Acoustic Environment, has been designed and developed after a deepened study of the literature in the field of Virtual Acoustics and the simulation of sound fields, in order to identify and use the most effective algorithms and techniques. The Virtual Environment, whose core is based on an algorithm for the simulation of the propagation of sound waves, can be described as a tool able to reproduce the sonic response of a product within its working environment. Two testing sessions have been performed to validate the Virtual Acoustic Environment and to evaluate the level of accuracy of the simulation, both from a numerical and from a perceptual point of view. The numerical test has been conducted for evaluating the differences, in terms of sound power, between sounds recorded in real environments and corresponding sounds simulated with the Virtual Acoustic Environment. The aim of the perceptual test was to investigate if the Virtual Acoustic Environment is able to reproduce the acoustic feedback perceived by people during the use of an industrial product. The results of the numerical test showed that the Virtual Acoustic Environment is able to simulate the sonic response of industrial products with an adequate level of detail, except for low frequencies. Moreover the results obtained with the perceptual test confirmed that the Virtual Acoustic Environment is able to reproduce sounds that are comparable with sounds audible in a real situation. On the basis of the results obtained during the testing sessions, it is likely to hypothesize the use of the Virtual Acoustic Environment in the industrial context: it could be used for performing the acoustic validation during the development phase. Nevertheless further developments are possible and necessary. The simulation algorithm needs to be improved to solve the issues related to the simulation of low frequencies propagation. Moreover the integration and the use of the other senses - i.e. vision and touch - is useful to create a multi-modal environment that will contribute to increase the interaction of the users with the environment and, thus, the level of users' immersion.

Nel corso degli ultimi anni, il Design di Prodotto sta facendo sempre più uso delle nuove tecnologie, per riuscire ad ottimizzare le varie fasi dei processi di sviluppo prodotto, dal concept al prodotto finale. Lo sviluppo di prototipi fisici risulta essere molto costoso. Inoltre, I prototipi fisici non sono sufficientemente flessibili, così da poter effettuare differenti tipologie di test. I prototipi virtuali, invece, possono essere utilizzati per valutare il prodotto durante il processo di progettazione. Ne consegue che non vi è più la necessità di creare prototipi fisici, e questo porta ad una forte riduzione dei costi per la loro produzione e validazione. La prototipazione Virtuale si concentra principalmente sulla simulazione e la valutazione degli aspetti visivi, aptici e tattili dei prodotti. Tuttavia vi sono alcune categorie di prodotti industriali che necessitano di un’analisi anche dal punto di vista acustico, poichè generano dei suoni durante il loro utilizzo. La qualità del suono che deriva da un prodotto è un importante aspetto che richiede essere studiato ed esaminato perchè potrebbe influenzare le scelte dei consumatori difronte a prodotti simili. Il lavoro di ricerca descritto in questa tesi, riguarda la valutazione acustica dei prodotti industriali supportata dallo sviluppo dell’utilizzo dei Prototipi Acustici Virtuali. Più in dettaglio un metodo per integrare l’uso dei Prototipi Acustici Virtuali all’interno del Processo di Product Design è stato definito e analizzato in tutti i suoi aspetti. Il metodo consiste in un processo che può essere diviso in tre fasi differenti, analisi dei requisiti acustici di un dato prodotto industriale, realizzazione di un Prototipo Acustico Virtuale e valutazione del suono generato con l'aiuto del prototipo virtuale. Per ogni fase, sono stati identificati una serie di strumenti specifici. Mentre la definizione delle fasi riguardanti l’analisi dei requisiti acustici e la valutazione dei suoni riguardano l'uso di un procedimento noto, per la valutazione della qualità del suono, è stato progettato e realizzato un nuovo strumento software, per supportare la definizione dei Prototipi Acustici Virtuali. Lo strumento software, chiamato Ambiente Acustico Virtuale, è stato progettato e sviluppato dopo un approfondito studio della letteratura nel campo dell'acustica virtuale e della simulazione di campi sonori. Tale studio è stato condotto con l’obiettivo di individuare e utilizzare gli algoritmi e le tecniche più efficaci. L'ambiente virtuale, il cui nucleo è basato su un algoritmo per la simulazione della propagazione di onde sonore, può essere descritto come uno strumento in grado di riprodurre la risposta sonora di un prodotto nel suo ambiente di lavoro. Sono state eseguite due sessioni di test per convalidare l’Ambiente Acustico Virtuale e per valutare il livello di precisione della simulazione, sia dal punto di vista numerico, sia da un punto di vista percettivo. Il test numerico è stato condotto per valutare le differenze, in termini di potenza sonora, tra i suoni registrati in ambienti reali e i suoni corrispondenti, simulati con l’Ambiente Acustico Virtuale. Lo scopo della prova percettiva era indagare se l'ambiente acustico virtuale è in grado di riprodurre il feedback acustico percepito dalle persone durante l'uso di un prodotto industriale. I risultati del test hanno dimostrato che l'ambiente acustico virtuale è in grado di simulare la risposta sonora di prodotti industriali con un adeguato livello di particolari, eccezion fatta per le basse frequenze. Inoltre, I risultato ottenuti con il test percettivo hanno confermato che l’ambiente Acustico Virtuale riproduce suoni che possono essere comparati a suoni reali. . Sulla base dei risultati ottenuti durante i test, è ragionevole ipotizzare il possibile uso dell’ambiente Acustico Virtuale nell’ambito industriale per effettuare la validazione acustica durante la fase di sviluppo. Ciononostante, ulteriori sviluppi sono possibili e necessari. L’algoritmo di simulazione deve essere migliorato per poter risolvere le problematiche relative alla simulazione della propagazione delle basse frequenze. Inoltre, l’integrazione e l’uso degli altri sensi, vale a dire vista e tatto, è necessaria per poter creare un ambiente multimodale che possa contribuire ad incrementare l’interazione degli utenti con l’ambiente e, dunque, il livello di immersione degli utenti.