Les voitures modernes sont équipées de systèmes multimédia d'infodivertissement avec de nombreuses fonctions: de la connexion des smartphones aux écrans tactiles interactifs et aux écrans coulissants. Le composant constant et le plus utilisé d'un tel équipement reste le sous-système acoustique, et sa qualité sonore est l'une des caractéristiques fondamentales et capricieuses. L'image acoustique dans l'habitacle dépend de toute une gamme de détails et de nuances: l'emplacement et la direction des haut-parleurs, leur installation, les caractéristiques géométriques de la décoration intérieure et les propriétés des matériaux choisis dans la fabrication de la voiture dans son ensemble.

Chaque modèle de voiture nécessite sa propre configuration unique, et les spécialistes de l'acoustique et de la modélisation de HARMAN, l'un des leaders du marché dans le segment premium, en tiennent compte lors du développement et du réglage fin de divers composants des haut-parleurs de voiture. L'utilisation d'une combinaison d'expériences physiques à grande échelle avec une simulation numérique basée sur une combinaison de progiciels COMSOL ^® et MATLAB ^® permet aux ingénieurs de l'entreprise d'accélérer le développement de la solution finale, et permet également de tester virtuellement des prototypes du système audio avant de créer des échantillons physiques coûteux. Cette approche vous permet de mettre en œuvre toutes les exigences raisonnables du client et de produire un équipement acoustique personnalisé de haute qualité dans les plus brefs délais.

Les ingénieurs du département d'ingénierie virtuelle HARMAN ont partagé avec nous quelques détails de leur flux de travail et un certain nombre d'exemples de développement avec validation expérimentale des résultats de simulation acoustique.

Modélisation des systèmes acoustiques: d'un modèle de haut-parleur à un calcul complet de l'acoustique d'une voiture

Les spécialistes HARMAN appliquent la modélisation informatique à toutes les étapes du développement des systèmes audio: de la conception de haut-parleurs et d'enceintes individuels, à l'évaluation de leurs performances lorsqu'ils sont placés dans divers cas, dans les portes et sur les éléments de châssis de voiture, et se terminant par des études à grande échelle de l'acoustique intérieure de la voiture, en tenant compte des caractéristiques géométriques individuelles et de l'absorption acoustique propriétés des matériaux utilisés.

«Pour nous, un critère important était la capacité à simuler des phénomènes mécaniques, acoustiques et électromagnétiques dans un environnement intégré, et nous voulions trouver un package qui nous libérerait de l'écriture et de la vérification de nos propres programmes», a déclaré François Malbos, ingénieur senior. l'acoustique chez HARMAN.

Le principal outil de ce type était COMSOL Multiphysics ^® , dont les capacités dans ce domaine nous permettent de concevoir des systèmes acoustiques à partir de zéro, en tenant compte de toutes les connexions et effets acoustiques et électromécaniques.

Conception et étude de modèles de haut-parleurs individuels

Les modèles interdisciplinaires par éléments finis ont permis aux ingénieurs HARMAN d'étudier numériquement diverses configurations de haut-parleurs, en particulier pour déterminer et optimiser la direction des émetteurs et calculer le coefficient de distorsion harmonique totale . Pour étudier ce dernier, les propriétés non linéaires des composants magnétiques du dispositif ont été prises en compte dans le modèle (Fig. 1).

Fig. 1. Les résultats du calcul électrique du circuit magnétique du haut-parleur: la grille FE utilisée, la distribution de l'induction magnétique, ainsi que les graphiques (données calculées et expérimentales) des dépendances de l'impédance du haut-parleur, de l'inductance de la bobine acoustique et du coefficient de couplage électromécanique sur la position de la bobine acoustique.

Tous les principaux résultats de simulation ont été vérifiés expérimentalement (Fig. 2). L'une des évaluations de la qualité des calculs était une comparaison des données calculées et mesurées dans le format des paramètres Thiel-Small , qui incluent l'inductance et la résistance active de la bobine acoustique, la rigidité et la résistance mécanique de la suspension, le coefficient de couplage électromécanique (facteur de force), etc. Une bonne conformité dans une large gamme de configurations étudiées a confirmé la grande efficacité de l'utilisation de COMSOL.

Fig. 2. Études expérimentales de locuteurs utilisant un système de mesure laser
par la méthode de V. Klippel .

Techniques d'ingénieurs HARMAN pour la conception intégrée de systèmes audio de voiture

Le développement d'un système acoustique de voiture de haute qualité implique de mener des études vibro-acoustiques approfondies des composants individuels de la cabine avec vérification ultérieure dans des "conditions de combat" en tenant compte de la géométrie réelle de l'espace intérieur de la voiture et de l'absorption en fonction de la fréquence des matériaux de la carrosserie et de la doublure. En combinant les capacités des tests sur le terrain et de la modélisation numérique, les ingénieurs HARMAN ont pu étendre l'arsenal des méthodes d'analyse disponibles et accélérer considérablement le processus de conception, qui commence souvent bien avant l'apparition des prototypes physiques.

«Nous commençons à travailler dans les premiers stades du développement automobile lorsque le concepteur n'a pas encore décidé des exigences pour le système audio», explique Michael Strauss, directeur principal, développement de produits virtuels et outils (VPD) chez HARMAN. - Dans certains cas, nous pouvons ne connaître que les principaux détails, tels que la taille et le volume de la voiture. Néanmoins, nous devons souvent présenter le concept en quelques jours, puis il est très difficile de répondre aux exigences des clients et de créer un système audio de haute qualité sans prototypes virtuels et développements prêts à l'emploi. »

Dans le cadre de l'un de leurs projets, les ingénieurs ont enquêté sur le travail du woofer situé dans la portière de la voiture . Les calculs ont permis de déterminer les modes de résonance de la structure en fonction des propriétés mécaniques des matériaux de l'enveloppe et du corps et leur influence sur les caractéristiques amplitude-fréquence du système audio. Dans la gamme de fréquences considérée (de 20 à 500 Hz), il est permis de remplacer un modèle à part entière de la partie électromagnétique du système par un modèle concentré équivalent basé sur les dépendances en fréquence déterminées précédemment de l'impédance de l'émetteur et du coefficient de couplage électromécanique. Une augmentation supplémentaire de la productivité et de l'accélération du calcul a été obtenue en décrivant les éléments structuraux minces en utilisant des primitives mécaniques telles que des coques.

Dans une autre étude, les employés de HARMAN ont utilisé l'ensemble COMSOL ^® pour modéliser le système audio de cabine Mercedes-Benz ML et optimiser les propriétés acoustiques des haut-parleurs pour une meilleure transmission du son à basse fréquence.

La géométrie pour le calcul a été créée sur la base d'un balayage manuel en trois dimensions (Fig. 3). L'équipe d'ingénieurs, en utilisant l'algorithme de prétraitement implémenté dans MATLAB ^® , a converti l'ensemble de points résultant en un maillage d'éléments finis de la surface intérieure de l'habitacle de la voiture en utilisant le format STL ou NASTRAN ^® .

Fig. 3. Visualisation du balayage tridimensionnel de l'intérieur de la voiture, effectué par les employés de HARMAN (à gauche), et de la grille d'éléments finis obtenue sur sa base (à droite).

Ensuite, sur la base du maillage obtenu, la géométrie a été créée dans l'interface COMSOL ^® , le calcul acoustique du problème complexe a été mis en place et l'interaction des ondes sonores générées par le système d'enceintes avec les matériaux du pare-brise, du plancher, des sièges, des appuis-tête, du volant et d'autres pièces automobiles - toit, portes et tableaux de bord, chacun ayant ses propres propriétés absorbantes. Dans la Fig. La figure 4 montre les données obtenues sur la distribution du niveau de pression acoustique dans la gamme de fréquences considérée jusqu'à 1 kHz.

Le calcul d'un modèle grandeur nature de l'intérieur de la voiture nécessite des ressources informatiques et du temps importants. Les ingénieurs HARMAN ont optimisé ce processus en passant au calcul de la partie acoustique du problème uniquement sur la base de l'équation de Helmholtz. Le mécanisme d'excitation a été défini comme l'accélération acoustique, qui peut être décrite dans la gamme des basses fréquences sur la base d'un modèle équivalent concentré utilisant des paramètres Thiel-Small. À son tour, l'interaction des ondes acoustiques avec les composants à l'état solide a été spécifiée en termes de conditions aux limites de l'impédance acoustique , pour obtenir ce que nous avons utilisé des données sur les coefficients d'absorption dépendant de la fréquence de divers matériaux. La fonctionnalité COMSOL ^® permet également l'utilisation de modèles spéciaux pour décrire les couches poreuses basées sur la théorie de Delany-Bazley-Miki.

Fig. 4. La dépendance en fréquence du niveau de pression acoustique en un point situé au-dessus du siège du conducteur (à gauche) et la répartition du SPL dans l'habitacle (à droite).

Pour valider les résultats des calculs, HARMAN a créé un ensemble de tests spéciaux. Lors des tests de vérification, le haut-parleur a été monté sur un châssis rigide et quatre ensembles de réseaux de microphones ont mesuré les niveaux de pression acoustique moyens dans les sièges conducteur et passager (figure 5). Les mesures étaient basées sur la méthode de traitement de réponse impulsionnelle proposée par Angelo Farina . Comme le montre la comparaison (figure 4), une corrélation décente des résultats a été obtenue dans toute la gamme de fréquences considérée. Une comparaison des résultats pour les quatre réseaux de microphones est donnée dans l'article original par les développeurs . Après une telle vérification expérimentale, le modèle final a permis de choisir la meilleure configuration d'enceintes pour cette voiture. De plus, une bibliothèque avec des dépendances de fréquence de l'absorption acoustique des matériaux utilisés dans l'industrie automobile a été vérifiée et complétée.

Automatisation des règlements

Travailler dans le régime d'exigences strictes dans les délais implique une grande automatisation de tous les processus de développement. L'équipe Michael et François (département de développement virtuel HARMAN) a utilisé à cet effet les capacités d'intégration de COMSOL ^® et MATLAB ^® à l'aide de l'extension Livelink ^TM for MATLAB ^® , qui crée une communication bidirectionnelle entre les programmes.

Une vaste base de données a été compilée avec des informations sur tous les types de haut-parleurs utilisés par la société dans le format des dépendances de fréquence des paramètres Thiel-Small. Les scripts écrits dans l'environnement MATLAB ^® ont permis de rationaliser à la fois le processus de substitution de modèles de haut-parleurs localisés dans les calculs de l'environnement COMSOL et d'extraire les résultats pour une analyse plus approfondie pendant le développement.

«Tout est entièrement optimisé et automatisé - lorsque le calcul d'un modèle se termine, le suivant commence», explique Michał Bogdanski, l'un des développeurs. - Nous pouvons donc être sûrs que l'ensemble du processus sera simple et sans erreur; nous exécutons simplement des scripts. »

Fig. 5. Effectuer des tests de mesure à l'intérieur de la Mercedes-Benz ML (à gauche) et la disposition des réseaux de microphones (au centre et à droite).

Réglage virtuel des systèmes audio de voiture

L'utilisation de modèles informatiques éprouvés permet aux ingénieurs HARMAN de commencer à concevoir un système audio bien avant la fin de la conception d'un véhicule. Le réglage final final est déjà effectué au stade final après l'installation du système audio dans une voiture prête pour un essai routier.

La possibilité d'évaluer un système audio basé uniquement sur la modélisation améliore la qualité et la vitesse de développement des produits dans l'entreprise, réduit le temps nécessaire à un client pour répondre et réduit également le coût des modifications de conception, offrant aux ingénieurs une plus grande liberté de conception.

Actuellement, la société travaille sur un système de lecture qui, basé sur les résultats de la modélisation et du traitement du signal, vous permettra d'écouter, d'évaluer et de comparer tous les systèmes audio conçus, y compris les basses, moyennes et hautes fréquences. À ces fins, les ingénieurs ont intégré dans leurs modèles de calcul la comptabilité des effets acoustiques dans l'oreille humaine et des scripts pour le traitement et l'enregistrement des réponses impulsionnelles binaurales (BRIR).

«L'avantage de la modélisation est que l'ingénieur système peut s'asseoir au bureau, mettre les écouteurs et commencer à régler le système sans la voiture elle-même. À l'aide de la simulation, nous, ingénieurs HARMAN, pouvons évaluer, optimiser et calculer les caractéristiques du système audio proposé, même s'il n'existe pas encore physiquement », résume Michael Strauss.

Fig. 6. L'équipe de développement et d'outils virtuels (VPD) HARMAN: Maruthi Srinivasarao Reddy, Michał Bogdanski, Michael Strauss, Ninranjan Ambati et François Malbos.

Commentaires fonctionnels COMSOL Multiphysics ^® pour les calculs d'ingénierie acoustique et les exemples de modèles familiers

La note aborde brièvement plusieurs variantes de la construction d'un modèle de systèmes audio et de leurs composants dans COMSOL ^® . Les exemples suivants sont disponibles sur notre site avec des instructions de montage détaillées étape par étape:

• Calcul électrique, mécanique et acoustique conjoint du haut-parleur , y compris la modélisation explicite de la partie électrique de l'appareil.
• Calcul des caractéristiques de l'enceinte dans le bass reflex. Pour décrire le mécanisme magnétique de la dynamique de la dynamique (y compris l'EMF arrière), une formule simplifiée est utilisée sur la base de données empiriques ou calculées connues sur l'impédance de la bobine et le coefficient de couplage électromécanique. Pour optimiser le calcul, une symétrie a été utilisée, et les éléments minces du haut-parleur sont décrits à travers des primitives mécaniques de type Shell.
• Cas limite: conception de haut - parleur avec remplacement complet de la partie mécanique par un modèle à bloc équivalent basé sur les paramètres Thiel-Small largement utilisés.
• Calcul complet de l'acoustique de la voiture. Le modèle utilise des conditions aux limites d'impédance pour la modélisation implicite des matériaux à l'état solide de la structure de la machine, et une technique de réglage de l'impédance acoustique par le biais de coefficients d'absorption est proposée. Un solveur itératif a été utilisé pour augmenter les performances de calcul.

Les exemples ci-dessus se rapportent aux calculs classiques à pleine onde basés sur la méthode des éléments finis (FEM) . En plus, les dernières versions de COMSOL incluent une interface pour la modélisation des phénomènes acoustiques dans le domaine temporel basée sur la méthode discontinue de Galerkin (DG-FEM) avec un solveur explicite , et prennent également en charge les calculs en termes d'acoustique géométrique. De plus, la nouvelle version 5.3a prévoit l'ajout d'une interface basée sur la méthode des éléments limites (BEM) pour effectuer la modélisation hybride FEM-BEM dans les applications acoustiques, y compris dans les calculs conjoints des ondes acoustiques et des vibrations dans les corps élastiques (interactions structure acoustique).

Ces techniques peuvent être utilisées efficacement dans la conception de systèmes audio de voiture (Fig. 7). Des exemples et des informations plus détaillées peuvent être trouvés dans le rapport du responsable du développement des applications acoustiques de la société COMSOL Mads Jensen (Mads Herring Jensen) lors de la conférence internationale sur le son automobile AES 2017.

Fig. 7. Méthodes de calcul acoustique disponibles dans COMSOL ^® : FEM, BEM, DG-FEM, Ray Tracing. Domaines d'application en fonction de la gamme de fréquences.

Information additionnelle

Pour une connaissance plus détaillée des méthodes décrites de conception informatique de systèmes audio, nous vous invitons à participer au webinaire conjoint COMSOL ^® et HARMAN , qui se tiendra le 16 novembre 2017.

Vous trouverez d'autres exemples d'utilisation de COMSOL ^® dans les calculs acoustiques par des équipes de recherche de B&K, Knowles, ABB et NASA dans le nouveau numéro de COMSOL NEWS 2017: Special Edition Acoustics .