Los automóviles modernos están equipados con sistemas multimedia de infoentretenimiento con muchas funciones: desde conectar teléfonos inteligentes hasta pantallas táctiles interactivas y pantallas deslizantes. El componente constante y más utilizado de tales equipos sigue siendo el subsistema acústico, y su calidad de sonido es una de las características fundamentales y caprichosas. La imagen acústica en la cabina depende de toda una gama de diversos detalles y matices: la ubicación y dirección de los altavoces, su instalación, las características geométricas de la decoración interior y las propiedades de los materiales elegidos en la fabricación del automóvil en su conjunto.

Cada modelo de automóvil requiere su propia configuración única, y los especialistas en acústica y modelado de HARMAN, uno de los líderes del mercado en el segmento premium, tienen esto en cuenta durante el desarrollo y el ajuste de varios componentes de los altavoces de los automóviles. El uso de una combinación de experimentos físicos a gran escala con modelado numérico basado en una combinación de paquetes de software COMSOL® y MATLAB® permite a los ingenieros de la compañía acelerar el desarrollo de la solución final, y también permite probar virtualmente prototipos del sistema de audio, antes de crear costosas muestras físicas. Este enfoque le permite implementar todos los requisitos razonables del cliente y producir equipos acústicos personalizados de alta calidad en el menor tiempo posible.

Los ingenieros del departamento de ingeniería virtual de HARMAN compartieron con nosotros algunos detalles de su flujo de trabajo y una serie de ejemplos de desarrollo con validación experimental de resultados de simulación acústica.

Modelado de sistemas acústicos: desde un modelo de altavoz hasta un cálculo integral de la acústica del interior de un automóvil

Los especialistas de HARMAN aplican el modelado por computadora en todas las etapas del desarrollo de sistemas de audio: desde el diseño de altavoces y altavoces individuales, evaluando su rendimiento cuando se colocan en varios casos, en puertas y en elementos del marco del automóvil, y terminando con estudios a gran escala de la acústica interior del automóvil, teniendo en cuenta las características geométricas individuales y la absorción de sonido propiedades de los materiales utilizados.

"Para nosotros, un criterio importante era la capacidad de simular fenómenos mecánicos, acústicos y electromagnéticos en un entorno integrado, y queríamos encontrar un paquete que nos liberara de escribir y verificar nuestros propios programas", dijo François Malbos, ingeniero sénior acústica en HARMAN.

La herramienta principal de este tipo fue COMSOL Multiphysics ^® , cuyas capacidades en este campo nos permiten diseñar sistemas acústicos desde cero, teniendo en cuenta todas las conexiones y efectos acústicos y electromecánicos.

Diseño y estudio de modelos de altavoces individuales.

Los modelos interdisciplinarios de elementos finitos permitieron a los ingenieros de HARMAN estudiar numéricamente varias configuraciones de altavoces, en particular para determinar y optimizar la dirección de los emisores y calcular el coeficiente de distorsión armónica total . Para estudiar este último, las propiedades no lineales de los componentes magnéticos del dispositivo se tuvieron en cuenta en el modelo (Fig. 1).

Fig. 1. Los resultados del cálculo eléctrico del circuito magnético del altavoz: la rejilla FE utilizada, la distribución de la inducción magnética, así como los gráficos (datos calculados y experimentales) de las dependencias de la impedancia del altavoz, la inductancia de la bobina móvil y el coeficiente de acoplamiento electromecánico en la posición de la bobina móvil.

Todos los principales resultados de la simulación fueron verificados experimentalmente (Fig. 2). Una de las evaluaciones de la calidad de los cálculos fue una comparación de los datos calculados y medidos en el formato de los parámetros Thiel-Small , que incluyen la inductancia y la resistencia activa de la bobina móvil, la rigidez y la resistencia mecánica de la suspensión, el coeficiente de acoplamiento electromecánico (factor de fuerza), etc. El buen cumplimiento en una amplia gama de configuraciones estudiadas confirmó la alta eficiencia del uso de COMSOL.

Fig. 2. Estudios experimentales de altavoces utilizando un sistema de medición láser.
por el método de V. Klippel .

Técnicas de ingenieros de HARMAN para el diseño integrado de sistemas de audio para automóviles

El desarrollo de un sistema acústico para automóviles de alta calidad implica la realización de estudios vibroacústicos exhaustivos de los componentes individuales de la cabina con la posterior verificación en "condiciones de combate" teniendo en cuenta la geometría real del espacio interior del automóvil y la absorción de los materiales y el revestimiento de la carrocería que dependen de la frecuencia. Al combinar las capacidades de las pruebas de campo y el modelado numérico, los ingenieros de HARMAN pudieron expandir el arsenal de métodos de análisis disponibles y acelerar significativamente el proceso de diseño, que a menudo comienza mucho antes de la aparición de prototipos físicos.

"Comenzamos a trabajar en las primeras etapas del desarrollo del automóvil cuando el diseñador aún no ha decidido los requisitos para el sistema de audio", explica Michael Strauss, Gerente Senior, Desarrollo de Productos Virtuales y Herramientas (VPD) en HARMAN. - En algunos casos, podemos conocer solo los detalles principales, como el tamaño y el volumen del automóvil. Sin embargo, a menudo necesitamos presentar el concepto en unos pocos días, y luego es muy difícil cumplir con los requisitos del cliente y crear un sistema de audio de alta calidad sin prototipos virtuales y desarrollos listos para usar ".

Como parte de uno de sus proyectos, los ingenieros investigaron el trabajo del woofer ubicado en la puerta del automóvil . Los cálculos permitieron determinar los modos de resonancia de la estructura en función de las propiedades mecánicas de los materiales de la carcasa y el cuerpo y su influencia en las características de amplitud-frecuencia del sistema de audio. En el rango de frecuencia considerado (de 20 a 500 Hz), está permitido reemplazar un modelo completo de la parte electromagnética del sistema con un modelo concentrado equivalente basado en las dependencias de frecuencia determinadas previamente de la impedancia del emisor y el coeficiente de acoplamiento electromecánico. Se logró un aumento adicional en la productividad y la aceleración del cálculo al describir los elementos estructurales delgados utilizando primitivas mecánicas tales como los depósitos.

En otro estudio, los empleados de HARMAN usaron el paquete COMSOL ^® para modelar el sistema de audio de cabina Mercedes-Benz ML y optimizar las propiedades acústicas de los altavoces para una mejor transmisión de sonido de baja frecuencia.

La geometría para el cálculo se creó sobre la base del escaneo tridimensional manual (Fig. 3). El equipo de ingenieros, utilizando el algoritmo de preprocesamiento implementado en MATLAB®, convirtió el conjunto de puntos resultante en una malla de elementos finitos de la superficie interna del interior del automóvil utilizando el formato STL o NASTRAN®.

Fig. 3. Visualización del escaneo tridimensional del interior del automóvil, realizado por los empleados de HARMAN (izquierda), y la cuadrícula de elementos finitos obtenida sobre su base (derecha).

Luego, en base a la malla obtenida, se creó la geometría en la interfaz COMSOL®, se configuró el cálculo acústico del problema complejo y la interacción de las ondas de sonido generadas por el sistema de altavoces con los materiales del parabrisas, piso, asientos, reposacabezas, volante y otras partes del automóvil - techo, puertas y tableros, cada uno de los cuales tenía sus propias propiedades absorbentes. En la fig. La Figura 4 muestra los datos obtenidos sobre la distribución del nivel de presión acústica en el rango de frecuencia considerado hasta 1 kHz.

El cálculo de un modelo de tamaño completo del interior del automóvil requiere importantes recursos informáticos y tiempo. Los ingenieros de HARMAN optimizaron este proceso al pasar a calcular solo la parte acústica del problema basándose en la ecuación de Helmholtz. El mecanismo de excitación se definió como la aceleración acústica, que se puede describir en el rango de baja frecuencia sobre la base de un modelo equivalente concentrado que utiliza parámetros Thiel-Small. A su vez, la interacción de las ondas acústicas con los componentes de estado sólido se especificó en términos de condiciones límite de impedancia acústica , para obtener los datos que utilizamos sobre los coeficientes de absorción dependientes de la frecuencia de varios materiales. La funcionalidad COMSOL® también permite el uso de modelos especiales para describir capas porosas basadas en la teoría de Delany-Bazley-Miki.

Fig. 4. La dependencia de la frecuencia del nivel de presión acústica en un punto por encima del asiento del conductor (izquierda) y la distribución de SPL en el compartimento de pasajeros (derecha).

Para validar los resultados del cálculo, HARMAN creó un conjunto de pruebas especiales. En las pruebas de verificación, el altavoz se montó en un marco rígido, y cuatro conjuntos de conjuntos de micrófonos midieron los niveles promedio de presión de sonido en los asientos del conductor y del pasajero (Fig. 5). Las mediciones se basaron en el método de procesamiento de respuesta al impulso propuesto por Angelo Farina . Como se puede ver en la comparación (Fig. 4), se obtuvo una correlación decente de los resultados en todo el rango de frecuencia considerado. Los desarrolladores ofrecen una comparación de los resultados para las cuatro matrices de micrófonos en el artículo original . Después de tal verificación experimental, el modelo final hizo posible elegir la mejor configuración de altavoces para este automóvil. Además, se verificó y complementó una biblioteca con dependencias de frecuencia de absorción acústica de materiales utilizados en la industria automotriz.

Automatización de asentamientos

Trabajar en el régimen de requisitos estrictos dentro de los plazos implica una alta automatización de todos los procesos de desarrollo. El equipo de Michael y Francois (departamento de desarrollo virtual de HARMAN) utilizó las capacidades de integración de COMSOL® y MATLAB® para este propósito utilizando Livelink ^TM para la extensión ^MATLAB® , que crea comunicación bidireccional entre los programas.

Se compiló una extensa base de datos con información sobre todos los tipos de altavoces utilizados por la compañía en el formato de dependencias de frecuencia de los parámetros Thiel-Small. Las secuencias de comandos escritas en el entorno MATLAB ^® hicieron posible racionalizar tanto el proceso de sustitución de modelos de altavoces agrupados en cálculos en el entorno COMSOL como la extracción de los resultados para su posterior análisis durante el desarrollo.

"Todo está completamente optimizado y automatizado: cuando finaliza el cálculo de un modelo, comienza el siguiente", explica Michał Bogdanski, uno de los desarrolladores. - Así podemos estar seguros de que todo el proceso será simple y sin errores; solo estamos ejecutando scripts ".

Fig. 5. Realización de pruebas de medición en el interior del Mercedes-Benz ML (izquierda) y el diseño de los conjuntos de micrófonos (en el centro y la derecha).

Ajuste virtual de los sistemas de audio del automóvil.

El uso de modelos de computadora probados permite a los ingenieros de HARMAN comenzar a diseñar un sistema de audio mucho antes de que se complete el diseño de un vehículo. El ajuste final ya se lleva a cabo en la etapa final después de instalar el sistema de audio en un automóvil listo para una prueba de manejo.

La capacidad de evaluar un sistema de audio basado únicamente en el modelado mejora la calidad y la velocidad del desarrollo del producto en la empresa, reduce el tiempo que tarda un cliente en responder y también reduce el costo de los cambios de diseño, lo que brinda a los ingenieros una mayor libertad de diseño.

Actualmente, la compañía está trabajando en un sistema de reproducción que, basado en los resultados del modelado y el procesamiento de señales, le permitirá escuchar, evaluar y comparar cualquier sistema de audio diseñado, incluidas las frecuencias bajas, medias y altas. Para estos fines, los ingenieros integraron en sus modelos de cálculo la contabilidad de los efectos acústicos en el oído humano y las secuencias de comandos para procesar y registrar las respuestas de impulso binaural (BRIR).

“La ventaja del modelado es que el ingeniero de sistemas puede sentarse en el escritorio, ponerse los auriculares y comenzar a ajustar el sistema sin el propio automóvil. Con la ayuda de la simulación, nosotros, los ingenieros de HARMAN, podemos evaluar, optimizar y calcular las características del sistema de audio propuesto, incluso si aún no existe físicamente ", resume Michael Strauss.

Fig. 6. El equipo de desarrollo y herramientas de productos virtuales (VPD) de HARMAN: Maruthi Srinivasarao Reddy, Michał Bogdanski, Michael Strauss, Ninranjan Ambati y François Malbos.

Comentarios funcionales de COMSOL Multiphysics ^® para cálculos de ingeniería acústica y ejemplos de modelos familiares

La nota toca brevemente varias variaciones de la construcción de un modelo de sistemas de audio y sus componentes en COMSOL®. Los siguientes ejemplos están disponibles en nuestro sitio con instrucciones detalladas de montaje paso a paso:

• Cálculo conjunto eléctrico, mecánico y acústico del altavoz , incluido el modelado explícito de la parte eléctrica del dispositivo.
• Cálculo de las características del hablante en el reflejo de graves. Para describir el mecanismo magnético de la dinámica de la dinámica (incluida la inclusión del EMF posterior), se utiliza una fórmula simplificada basada en datos empíricos o calculados conocidos sobre la impedancia de la bobina y el coeficiente de acoplamiento electromecánico. Para optimizar el cálculo, se utilizó la simetría, y los elementos delgados del altavoz se describen a través de primitivas mecánicas del tipo Shell.
• Caso de límite: diseño de altavoz con reemplazo completo de la parte mecánica por un modelo agrupado equivalente basado en los parámetros Thiel-Small ampliamente utilizados.
• Cálculo integral de la acústica del automóvil. El modelo utiliza condiciones límite de impedancia para el modelado implícito de materiales de estado sólido de la estructura de la máquina, y se propone una técnica para establecer la impedancia acústica a través de coeficientes de absorción. Se utilizó un solucionador iterativo para aumentar el rendimiento del cálculo.

Los ejemplos anteriores se relacionan con los cálculos clásicos de onda completa basados ​​en el método de elementos finitos (FEM) . Además de ellos, las últimas versiones de COMSOL incluyen una interfaz para modelar fenómenos acústicos en el dominio del tiempo basada en el método discontinuo de Galerkin (DG-FEM) con un solucionador explícito , y también admiten cálculos en términos de acústica geométrica. Además, la nueva versión 5.3a espera la adición de una interfaz basada en el método de elemento de límite (BEM) para realizar el modelado híbrido FEM-BEM en aplicaciones acústicas, que incluye en cálculos conjuntos de ondas acústicas y vibraciones en cuerpos elásticos (interacciones estructura acústica).

Estas técnicas se pueden utilizar de manera efectiva en el diseño de sistemas de audio para automóviles (Fig. 7). Se pueden encontrar ejemplos e información más detallada en el informe del jefe del desarrollo de aplicaciones acústicas de la compañía COMSOL Mads Jensen (Mads Herring Jensen) en la conferencia internacional sobre sonido de automóviles AES 2017.

Fig. 7. Métodos de cálculo acústico disponibles en COMSOL ^® : FEM, BEM, DG-FEM, Ray Tracing. Áreas de aplicación dependiendo del rango de frecuencia.

Información adicional

Para conocer más detalladamente los métodos descritos de diseño de sistemas de sistemas de audio por computadora, lo invitamos a participar en el seminario web conjunto COMSOL® y HARMAN , que se realizará el 16 de noviembre de 2017.

En el nuevo número de COMSOL NEWS 2017: Acústica de edición especial se pueden encontrar más ejemplos del uso de COMSOL ^® en cálculos acústicos por parte de equipos de investigación de B&K, Knowles, ABB y NASA.