Moderne Autos sind mit Infotainment-Multimedia-Systemen mit vielen Funktionen ausgestattet: vom Anschluss von Smartphones über interaktive Touchscreens bis hin zu Schiebebildschirmen. Die konstante und am häufigsten verwendete Komponente solcher Geräte bleibt das akustische Subsystem, und seine Klangqualität ist eine der grundlegenden und launischen Eigenschaften. Das akustische Bild in der Kabine hängt von einer ganzen Reihe verschiedener Details und Nuancen ab: der Position und Richtung der Lautsprecher, ihrer Installation, den geometrischen Merkmalen der Innenausstattung und den Eigenschaften der bei der Herstellung des gesamten Fahrzeugs gewählten Materialien.

Jedes Automodell erfordert eine eigene Konfiguration, und Akustik- und Modellierungsspezialisten von HARMAN, einem der Marktführer im Premium-Segment, berücksichtigen dies bei der Entwicklung und Feinabstimmung verschiedener Komponenten von Autolautsprechern. Durch die Kombination physikalischer Experimente in Originalgröße mit numerischer Simulation auf der Grundlage einer Kombination aus COMSOL ^{® -} und MATLAB ^® -Softwarepaketen können die Ingenieure des Unternehmens die Entwicklung der endgültigen Lösung beschleunigen und Prototypen des Audiosystems virtuell testen, bevor teure physikalische Proben erstellt werden. Mit diesem Ansatz können Sie alle angemessenen Kundenanforderungen umsetzen und in kürzester Zeit hochwertige kundenspezifische Akustikgeräte herstellen.

Die Ingenieure der virtuellen Engineering-Abteilung von HARMAN teilten uns einige Details ihres Workflows und eine Reihe von Entwicklungsbeispielen mit experimenteller Validierung der Ergebnisse der akustischen Simulation mit.

Modellierung akustischer Systeme: vom Lautsprechermodell bis zur umfassenden Berechnung der Akustik eines Fahrzeuginnenraums

HARMAN-Spezialisten wenden Computermodelle in allen Phasen der Entwicklung von Audiosystemen an: von der Entwicklung einzelner Lautsprecher und Lautsprecher über die Bewertung ihrer Leistung in verschiedenen Fällen, in Türen und auf Fahrzeugrahmenelementen bis hin zu umfangreichen Studien zur Akustik des Fahrzeuginnenraums unter Berücksichtigung individueller geometrischer Merkmale und Schallabsorption Eigenschaften der verwendeten Materialien.

„Für uns war ein wichtiges Kriterium die Fähigkeit, mechanische, akustische und elektromagnetische Phänomene in einer integrierten Umgebung zu simulieren, und wir wollten ein Paket finden, das uns vom Schreiben und Überprüfen unserer eigenen Programme befreit“, sagte François Malbos, leitender Ingenieur Akustik bei HARMAN.

Das Hauptwerkzeug dieser Art war COMSOL Multiphysics ^® , dessen Fähigkeiten es uns ermöglichen, akustische Systeme unter Berücksichtigung aller akustischen und elektromechanischen Verbindungen und Effekte von Grund auf neu zu entwerfen.

Design und Untersuchung einzelner Lautsprechermodelle

Interdisziplinäre Finite-Elemente-Modelle ermöglichten es den HARMAN-Ingenieuren, verschiedene Lautsprecherkonfigurationen numerisch zu untersuchen, insbesondere die Richtung der Emitter zu bestimmen und zu optimieren und den gesamten harmonischen Verzerrungskoeffizienten zu berechnen . Um letzteres zu untersuchen, wurden die nichtlinearen Eigenschaften der magnetischen Komponenten des Geräts im Modell berücksichtigt (Abb. 1).

Abb. 1. Die Ergebnisse der elektrischen Berechnung des Magnetkreises des Lautsprechers: das verwendete FE-Gitter, die Verteilung der magnetischen Induktion sowie die Diagramme (berechnete und experimentelle Daten) der Abhängigkeiten der Impedanz des Lautsprechers, der Induktivität der Schwingspule und des Koeffizienten der elektromechanischen Kopplung von der Position der Schwingspule.

Alle wichtigen Simulationsergebnisse wurden experimentell verifiziert (Abb. 2). Eine der Bewertungen der Qualität der Berechnungen war ein Vergleich der berechneten und gemessenen Daten im Format der Thiel-Small-Parameter , einschließlich der Induktivität und des aktiven Widerstands der Schwingspule, der Steifigkeit und des mechanischen Widerstands der Aufhängung, des Koeffizienten der elektromechanischen Kopplung (Kraftfaktor) usw. Eine gute Konformität in einer Vielzahl von untersuchten Konfigurationen bestätigte die hohe Effizienz der Verwendung von COMSOL.

Abb. 2. Experimentelle Untersuchungen von Sprechern mit einem Lasermesssystem
nach der Methode von V. Klippel .

Techniken der HARMAN-Ingenieure für das integrierte Design von Car-Audio-Systemen

Die Entwicklung eines hochwertigen Autolautsprechersystems umfasst die Durchführung gründlicher vibroakustischer Untersuchungen einzelner Komponenten der Kabine mit anschließender Überprüfung der "Kampfbedingungen" unter Berücksichtigung der tatsächlichen Geometrie des Innenraums des Autos und der frequenzabhängigen Absorption von Karosseriematerialien und Auskleidung. Durch die Kombination der Möglichkeiten von Feldtests und numerischer Modellierung konnten die HARMAN-Ingenieure das Arsenal der verfügbaren Analysemethoden erweitern und den Entwurfsprozess erheblich beschleunigen, der häufig lange vor dem Erscheinen physikalischer Prototypen beginnt.

„Wir beginnen die Arbeit in den frühen Phasen der Fahrzeugentwicklung, wenn der Designer die Anforderungen an das Audiosystem noch nicht festgelegt hat“, erklärt Michael Strauss, Senior Manager, Entwicklung virtueller Produkte und Tools (VPD) bei HARMAN. - In einigen Fällen sind uns möglicherweise nur die wichtigsten Details wie Größe und Volumen des Fahrzeugs bekannt. Trotzdem müssen wir das Konzept oft in wenigen Tagen präsentieren, und dann ist es sehr schwierig, die Kundenanforderungen zu erfüllen und ein qualitativ hochwertiges Audiosystem ohne virtuelle Prototypen und vorgefertigte Entwicklungen zu erstellen. “

Im Rahmen eines ihrer Projekte untersuchten die Ingenieure die Arbeit des Tieftöners in der Autotür . Die Berechnungen ermöglichten es, die Resonanzmoden der Struktur in Abhängigkeit von den mechanischen Eigenschaften der Materialien des Gehäuses und des Körpers und deren Einfluss auf die Amplituden-Frequenz-Eigenschaften des Audiosystems zu bestimmen. In dem betrachteten Frequenzbereich (von 20 bis 500 Hz) ist es zulässig, ein vollwertiges Modell des elektromagnetischen Teils des Systems durch ein äquivalentes konzentriertes Modell zu ersetzen, das auf den zuvor bestimmten Frequenzabhängigkeiten der Emitterimpedanz und des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten basiert. Eine weitere Steigerung der Produktivität und Beschleunigung der Berechnung wurde durch die Beschreibung der dünnen Strukturelemente unter Verwendung mechanischer Grundelemente wie Schalen erreicht.

In einer anderen Studie verwendeten HARMAN-Mitarbeiter das COMSOL ^® -Paket, um das Kabinen-Audiosystem Mercedes-Benz ML zu modellieren und die akustischen Eigenschaften der Lautsprecher für eine bessere niederfrequente Schallübertragung zu optimieren.

Die Geometrie für die Berechnung wurde auf Basis des manuellen dreidimensionalen Scannens erstellt (Abb. 3). Das Team von Ingenieuren wandelte unter Verwendung des in MATLAB ^® implementierten Vorverarbeitungsalgorithmus die resultierende Menge von Punkten im STL- oder NASTRAN ^® -Format in ein Finite-Elemente-Netz der Innenfläche des Fahrzeuginnenraums um.

Abb. 3. Visualisierung der dreidimensionalen Abtastung des Fahrzeuginnenraums durch HARMAN-Mitarbeiter (links) und des darauf basierenden Finite-Elemente-Gitters (rechts).

Basierend auf dem erhaltenen Netz wurde dann die Geometrie in der COMSOL ^® -Schnittstelle erstellt, die akustische Berechnung des komplexen Problems erstellt und die Wechselwirkung der vom Lautsprechersystem erzeugten Schallwellen mit den Materialien der Windschutzscheibe, des Bodens, der Sitze, der Kopfstützen, des Lenkrads und anderer Autoteile - Dach, Türen und Dashboards, von denen jedes seine eigenen absorbierenden Eigenschaften hatte. In Abb. Abbildung 4 zeigt die erhaltenen Daten zur Verteilung des Schalldruckpegels im betrachteten Frequenzbereich bis 1 kHz.

Die Berechnung eines Modells des Fahrzeuginnenraums in Originalgröße erfordert erhebliche Rechenressourcen und Zeit. Die Ingenieure von HARMAN optimierten diesen Prozess, indem sie nur den akustischen Teil des Problems anhand der Helmholtz-Gleichung berechneten. Der Anregungsmechanismus wurde als akustische Beschleunigung definiert, die im Niederfrequenzbereich anhand eines konzentrierten äquivalenten Modells unter Verwendung von Thiel-Small-Parametern beschrieben werden kann. Die Wechselwirkung von Schallwellen mit Festkörperkomponenten wurde wiederum anhand der Randbedingungen der Schallimpedanz spezifiziert, um Daten zu den frequenzabhängigen Absorptionskoeffizienten verschiedener Materialien zu erhalten. Die COMSOL ^® -Funktionalität ermöglicht auch die Verwendung spezieller Modelle zur Beschreibung poröser Schichten basierend auf der Delany-Bazley-Miki-Theorie.

Abb. 4. Die Frequenzabhängigkeit des Schalldruckpegels an einem Punkt über dem Fahrersitz (links) und die Verteilung des Schalldrucks im Fahrgastraum (rechts).

Um die Berechnungsergebnisse zu validieren, hat HARMAN eine Reihe spezieller Tests erstellt. In Verifikationstests wurde der Lautsprecher auf einem starren Rahmen montiert, und vier Sätze von Mikrofonarrays maßen den durchschnittlichen Schalldruckpegel auf den Fahrer- und Beifahrersitzen (Abb. 5). Die Messungen basierten auf der von Angelo Farina vorgeschlagenen Methode zur Verarbeitung der Impulsantwort . Wie aus dem Vergleich ersichtlich ist (Fig. 4), wurde eine anständige Korrelation der Ergebnisse im gesamten betrachteten Frequenzbereich erhalten. Ein Vergleich der Ergebnisse für alle vier Mikrofonarrays wird im Originalartikel von den Entwicklern angegeben . Nach einer solchen experimentellen Überprüfung ermöglichte das endgültige Modell die Auswahl der besten Lautsprecherkonfiguration für dieses Auto. Darüber hinaus wurde eine Bibliothek mit Frequenzabhängigkeiten der Schallabsorption von in der Automobilindustrie verwendeten Materialien verifiziert und ergänzt.

Abwicklungsautomatisierung

Die Einhaltung strenger Fristen erfordert eine hohe Automatisierung aller Entwicklungsprozesse. Das Team von Michael und Francois (virtuelle Entwicklungsabteilung von HARMAN) nutzte zu diesem Zweck die Integrationsfunktionen von COMSOL ^® und MATLAB ^® mithilfe der Erweiterung Livelink ^TM for MATLAB ^® , die eine bidirektionale Kommunikation zwischen den Programmen herstellt.

Es wurde eine umfangreiche Datenbank mit Informationen zu allen vom Unternehmen verwendeten Lautsprechertypen im Format der Frequenzabhängigkeiten der Thiel-Small-Parameter zusammengestellt. In der MATLAB ^® -Umgebung geschriebene Skripte ermöglichten es, sowohl den Prozess des Ersetzens von Modellen mit konzentrierten Lautsprechern in Berechnungen in der COMSOL-Umgebung zu optimieren als auch die Ergebnisse für die weitere Analyse während der Entwicklung zu extrahieren.

„Alles ist vollständig optimiert und automatisiert - wenn die Berechnung eines Modells endet, beginnt das nächste“, erklärt Michał Bogdanski, einer der Entwickler. - So können wir sicher sein, dass der gesamte Prozess einfach und fehlerfrei verläuft. Wir führen nur Skripte aus. “

Abb. 5. Durchführung von Messtests im Innenraum des Mercedes-Benz ML (links) und Anordnung der Mikrofonarrays (in der Mitte und rechts).

Virtuelles Tuning von Car-Audio-Systemen

Die Verwendung bewährter Computermodelle ermöglicht es den HARMAN-Ingenieuren, mit dem Entwurf eines Audiosystems zu beginnen, lange bevor der Entwurf eines Fahrzeugs abgeschlossen ist. Die endgültige Feinabstimmung erfolgt bereits im Endstadium nach dem Einbau des Audiosystems in ein für eine Probefahrt bereites Auto.

Die Möglichkeit, ein Audiosystem ausschließlich auf der Grundlage der Modellierung zu bewerten, verbessert die Qualität und Geschwindigkeit der Produktentwicklung im Unternehmen, verkürzt die Reaktionszeit eines Kunden und senkt die Kosten für Konstruktionsänderungen, wodurch Ingenieure mehr Konstruktionsfreiheit erhalten.

Derzeit arbeitet das Unternehmen an einem Wiedergabesystem, mit dem Sie basierend auf den Ergebnissen der Modellierung und Signalverarbeitung alle entwickelten Audiosysteme, einschließlich niedriger, mittlerer und hoher Frequenzen, anhören, bewerten und vergleichen können. Zu diesem Zweck haben Ingenieure in ihre Berechnungsmodelle die Berücksichtigung akustischer Effekte im menschlichen Ohr und Skripte zur Verarbeitung und Aufzeichnung binauraler Impulsantworten (BRIR) integriert.

„Der Vorteil der Modellierung besteht darin, dass sich der Systemingenieur an den Schreibtisch setzen, Kopfhörer aufsetzen und das System ohne das Auto selbst einstellen kann. Mit Hilfe der Simulation können wir HARMAN-Ingenieure die Eigenschaften des vorgeschlagenen Audiosystems bewerten, optimieren und berechnen, auch wenn es physikalisch noch nicht vorhanden ist “, fasst Michael Strauss zusammen.

Abb. 6. Das Team von HARMAN Virtual Product Development und Tools (VPD): Maruthi Srinivasarao Reddy, Michał Bogdanski, Michael Strauss, Ninranjan Ambati und François Malbos.

COMSOL Multiphysics ^® Funktionskommentare für akustische Berechnungen und bekannte Modellbeispiele

Der Hinweis ging kurz auf verschiedene Varianten des Aufbaus eines Modells von Audiosystemen und ihrer Komponenten in COMSOL ^{® ein} . Die folgenden Beispiele finden Sie auf unserer Website mit detaillierten schrittweisen Montageanleitungen:

• Gemeinsame elektrische, mechanische und akustische Berechnung des Lautsprechers , einschließlich expliziter Modellierung des elektrischen Teils des Geräts.
• Berechnung der Eigenschaften des Lautsprechers im Bassreflex. Zur Beschreibung des magnetischen Mechanismus der Dynamik der Dynamik (einschließlich der Gegen-EMK) wird eine vereinfachte Formel verwendet, die auf bekannten empirischen oder berechneten Daten zur Spulenimpedanz und zum elektromechanischen Kopplungskoeffizienten basiert. Um die Berechnung zu optimieren, wurde Symmetrie verwendet, und die dünnen Elemente des Lautsprechers werden durch mechanische Grundelemente vom Typ Shell beschrieben.
• Grenzfall: Lautsprecherdesign mit vollständigem Ersatz des mechanischen Teils durch ein gleichwertiges konzentriertes Modell basierend auf den weit verbreiteten Thiel-Small-Parametern.
• Umfassende Berechnung der Akustik des Autos. Das Modell verwendet Impedanzgrenzbedingungen zur impliziten Modellierung von Festkörpermaterialien der Maschinenstruktur, und eine Technik zum Einstellen der akustischen Impedanz durch Absorptionskoeffizienten wird vorgeschlagen. Ein iterativer Löser wurde verwendet, um die Berechnungsleistung zu erhöhen.

Die obigen Beispiele beziehen sich auf klassische Vollwellenberechnungen, die auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) basieren. Darüber hinaus enthalten die neuesten Versionen von COMSOL eine Schnittstelle zur Modellierung akustischer Phänomene im Zeitbereich basierend auf der diskontinuierlichen Galerkin-Methode (DG-FEM) mit einem expliziten Löser und unterstützen auch Berechnungen hinsichtlich der geometrischen Akustik. Darüber hinaus erwartet die neue Version 5.3a die Hinzufügung einer Schnittstelle, die auf der Grenzelementmethode (BEM) für die Durchführung der Hybrid-FEM-BEM-Modellierung in akustischen Anwendungen basiert , einschließlich bei gemeinsamen Berechnungen von Schallwellen und Schwingungen in elastischen Körpern (Wechselwirkungen zwischen Schall und Struktur).

Diese Techniken können beim Entwurf von Car-Audio-Systemen effektiv eingesetzt werden (Abb. 7). Beispiele und detailliertere Informationen finden Sie im Bericht des Leiters für die Entwicklung akustischer Anwendungen des COMSOL-Unternehmens Mads Jensen (Mads Herring Jensen) auf der internationalen Konferenz über Autoklang AES 2017.

Abb. 7. In COMSOL ^® verfügbare akustische Berechnungsmethoden: FEM, BEM, DG-FEM, Ray Tracing. Anwendungsbereiche je nach Frequenzbereich.

Weitere Informationen

Um die beschriebenen Methoden des Computerdesigns von Audiosystemen näher kennenzulernen , laden wir Sie ein, am gemeinsamen Webinar COMSOL ^® und HARMAN teilzunehmen , das am 16. November 2017 stattfinden wird.

Weitere Beispiele für die Verwendung von COMSOL ^® in akustischen Berechnungen durch Forschungsteams von B & K, Knowles, ABB und NASA finden Sie in der neuen Ausgabe von COMSOL NEWS 2017: Special Edition Acoustics .