- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -
Современные автомобили оснащаются информационно-развлекательными мультимедийными системами со множеством функций: от подключения смартфонов до интерактивных сенсорных дисплеев и выдвижных экранов. Неизменным же и наиболее используемым компонентом подобного оборудования остается акустическая подсистема, и качество её звучания — одна из основополагающих и капризных характеристик. Акустическая картина в салоне зависит от целого спектра различных деталей и нюансов: расположения и направления динамиков, их монтажа, геометрических особенностей внутренней отделки и свойств материалов, выбранных при изготовлении автомобиля в целом.
Для каждой модели автомобиля требуется своя уникальная конфигурация, и специалисты по акустике и моделированию компании HARMAN — одного из лидеров данного рынка в премиальном сегменте — учитывают это в процессе разработки и тонкой настройки различных компонентов автомобильной акустики. Использование сочетания натурных физических экспериментов с численным моделированием на базе комбинации программных пакетов COMSOL® и MATLAB® позволяет инженерам компании ускорить разработку конечного решения, а также дает возможность испытывать прототипы аудиосистемы виртуально, до создания дорогостоящих физических образцов. Такой подход позволяет воплощать в жизнь все разумные требования заказчика и производить высококачественное кастомизированное акустическое оборудование в максимально сжатые сроки.
Инженеры отдела виртуальной разработки HARMAN поделились с нами некоторыми деталями своего рабочего процесса и рядом примеров разработок с экспериментальной валидацией результатов акустического моделирования.
Специалисты HARMAN применяют компьютерное моделирование на всех этапах разработки аудиосистем: начиная от проектирования отдельных громкоговорителей и динамиков, оценки их работы при размещении в различных корпусах, в дверях и на элементах каркаса машины, и заканчивая масштабными исследованиями акустики салона автомобиля с учетом индивидуальных геометрических особенностей и звукопоглощающих свойств используемых материалов.
«Для нас важным критерием являлась возможность моделирования механических, акустических и электромагнитных явлений в одной интегрированной среде, и мы хотели найти пакет, который бы освободил нас от необходимости написания и верификации собственных программ», — отмечает Франсуа Мальбо (François Malbos), старший инженер-акустик в компании HARMAN.
Основным таким инструментом стал COMSOL Multiphysics®, возможности которого в данной области позволяют проектировать акустические системы с нуля, учитывая все акусто- и электромеханические связи и эффекты.
Междисциплинарные конечно-элементные модели позволили инженерам HARMAN численно исследовать различные конфигурации динамиков, в частности для определения и оптимизации направленности излучателей и расчета полного коэффициента гармонических искажений [1]. Для исследования последнего в модели были учтены нелинейные свойства магнитных компонентов устройства (Рис.1).
Рис. 1. Результаты электротехнического расчета магнитопровода громкоговорителя: использованная КЭ-сетка, распределение магнитной индукции, а также графики (расчетные и экспериментальные данные) зависимостей импеданса динамика, индуктивности звуковой катушки и коэффициента электромеханической связи от положения звуковой катушки.
Короткий видеообзор (на рус.): вот тут [2]
В видео проведен разбор междисциплинарного функционала СOMSOL Multiphysics®, позволяющего комбинировать в рамках одной расчетной модели акустические, механические и электротехнические расчеты с учетом их двусторонних взаимосвязей и проводить акустические расчеты компонентов аудиосистем: громкоговорителей, колонок, сабвуферов и т.п. на любом уровне детализации и сложности.
Все основные результаты моделирования проверялись экспериментально (Рис.2). В качестве одной из оценок качества расчетов выступало сравнение расчетных и измеренных данных в формате параметров Тиля-Смолла [3], в число которых входят индуктивность и активное сопротивление звуковой катушки, жесткость и механическое сопротивление подвеса, коэффициент электромеханической связи (force factor) и т.п. Хорошее соответствие в широком диапазоне исследуемых конфигураций подтвердило высокую эффективность использования COMSOL.
Рис. 2. Экспериментальные исследования динамиков с помощью системы лазерного измерения
по методике В. Клиппеля [4].
Разработка высококачественной акустической системы автомобиля подразумевает проведение доскональных виброакустических исследований отдельных компонентов салона с последующей проверкой в "боевых условиях" с учетом реальной геометрии внутреннего пространства автомобиля и частотно-зависимого поглощения материалов корпуса и обшивки. Объединяя возможности натурных испытаний и численного моделирования, инженеры HARMAN смогли расширить арсенал доступных методов анализа и значительно ускорить процесс проектирования, который часто начинается задолго до появления физических прототипов.
«Мы приступаем к работе на ранних этапах разработки автомобиля, когда проектировщик еще не определился с требованиями к аудиосистеме, — объясняет Михаэль Штраусс (Michael Strauss), старший менеджер отдела виртуальной разработки продуктов и инструментов (Virtual Product Development and Tools — VPD) компании HARMAN. — В некоторых случаях нам могут быть известны только основные детали, такие как размер и объём салона автомобиля. Тем не менее, часто нам нужно представить концепцию уже через несколько дней, и тогда очень сложно выполнить требования заказчика и создать высококачественную аудиосистему без виртуальных прототипов и готовых наработок».
В рамках одного из своих проектов инженеры исследовали работу низкочастотного динамика, расположенного в двери автомобиля [5]. Расчеты позволили определить резонансные моды конструкции в зависимости от механических свойств материалов обшивки и корпуса и их влияние на амплитудно-частотные характеристики аудиосистемы. В рассматриваемом диапазоне частот (от 20 до 500 Гц) допустима замена полноценной модели электромагнитной части системы на эквивалентную сосредоточенную модель на основе определенных ранее частотной зависимости импеданса излучателя и коэффициента электромеханической связи. Дальнейшее повышение производительности и ускорение расчета было достигнуто за счет описания тонких элементов конструкции с помощью механических примитивов типа оболочек (shells).
В рамках другого исследования сотрудники компании HARMAN использовали пакет COMSOL® для моделирования салонной аудиосистемы Mercedes-Benz ML и оптимизации акустических свойств динамиков для лучшей передачи низкочастотного звука.
Геометрия для расчета была создана на основе ручного трехмерного сканирования [6] (Рис. 3). Команда инженеров, используя алгоритм предварительной обработки, реализованный в MATLAB®, преобразовала полученный набор точек в конечно-элементную сетку внутренней поверхности салона автомобиля, используя формат STL или NASTRAN®.
Рис. 3. Визуализация трехмерного сканирования салона автомобиля, выполненного сотрудниками компании HARMAN (слева), и полученная на его основе конечно-элементная сетка (справа).
Затем, на основе полученной сетки в интерфейсе COMSOL® была создана геометрия, настроен акустический расчет комплексной задачи и проанализировано взаимодействие звуковых волн, генерируемых системой динамиков, с материалами лобового стекла, пола, сидений, подголовников, руля и других деталей автомобиля — крыши, дверей и приборных панелей, каждая из которых имела свои поглощающие свойства. На Рис. 4 приведены полученные данные по распределению уровня звукового давления в рассматриваемом диапазоне частот до 1 кГц.
Расчет полноразмерной модели салона автомобиля требует акустических импедансных граничных условий [7], для получения которых использовались данные по зависящим от частоты коэффициентам поглощения различных материалов. Функционал COMSOL® позволяет также использовать специальные модели для описания пористых слоев на основе теории Дилейни — Бэзли — Мики (Delany-Bazley-Miki).
Рис. 4. Частотная зависимость уровня звукового давления в точке над креслом водителя (слева) и распределение SPL в салоне автомобиля (справа).
Для валидации результатов расчетов в HARMAN создали набор специальных тестов. В проверочных испытаниях динамик монтировали на жесткий каркас, а четыре набора микрофонных массивов измеряли средние уровни давления звука на водительском и пассажирских местах (Рис. 5). Измерения основывались на методе обработки импульсного отклика, предложенном Анджело Фариной (Angelo Farina) [8]. Как видно из сравнения (Рис.4), была получена достойная корреляция результатов во всем рассматриваемом частотном диапазоне. Сравнение результатов для всех четырех решеток микрофонов приведены в оригинальной статье разработчиков [6]. После такой экспериментальной проверки итоговая модель позволила подобрать наилучшую конфигурацию динамиков для данного автомобиля. Кроме того, была верифицирована и дополнена библиотека с частотными зависимостями звукопоглощения используемых в автомобильной индустрии материалов.
Работа в режиме жестких требований по срокам подразумевает высокую автоматизацию всех процессов разработки. Команда Михаэля и Франсуа (отдел виртуальной разработки HARMAN) использовала для этих целей возможности интеграции COMSOL® и MATLAB® с помощью расширения LivelinkTM for MATLAB®, создающего двунаправленную связь между программами.
Была составлена обширная база данных с информацией по всем используемым компанией типам громкоговорителей в формате частотных зависимостей параметров Тиля-Смолла. Написанные в среде MATLAB® скрипты позволили упорядочить как процесс подстановки сосредоточенных моделей динамиков в расчет в среде COMSOL, так и извлечение полученных результатов для дальнейшего анализа в ходе разработки.
«Все полностью оптимизировано и автоматизировано — когда заканчивается расчет одной модели, запускается следующая, — объясняет Михал Богдански (Michał Bogdanski), один из разработчиков. — Так мы можем быть уверены, что весь процесс будет простым и безошибочным; мы только запускаем скрипты».
Рис. 5. Проведение измерительных тестов в салоне Mercedes-Benz ML (слева) и схема расположения решеток микрофонов (в центре и справа).
Короткий видеообзор (на рус.): вот тут [9]
В данном видео представлен обзор возможностей двусторонней интеграции пакетов COMSOL Multiphysics® и MATLAB® с помощью расширения LiveLinkTM for MATLAB®. С его помощью вы сможете открывать модели COMSOL Multiphysics® в интерфейсе MATLAB®, обращаться к любому узлу, проводить дополнительную пред- или постобработку и автоматизировать расчеты за счет пользовательских скриптов и циклов [10]. При этом вам не потребуется подробно вникать в язык COMSOL® API за счет специального компилятора mphnavigator для MATLAB®.
Использование проверенных компьютерных моделей позволяет инженерам HARMAN начать разработку дизайна аудиосистемы задолго до того, как закончится проектирование автомобиля. Окончательная точная настройка осуществляется уже на финальной стадии после установки аудиосистемы в готовый для тест-драйва автомобиль.
Возможность оценить аудиосистему, основываясь лишь на моделировании, повышает качество и скорость разработки продуктов в компании, сокращает время, необходимое для ответа клиенту, а также снижает стоимость внесения изменений в конструкцию, предоставляя инженерам бóльшую свободу проектирования.
В настоящее время в компании идет работа над системой воспроизведения, которая на основе результатов моделирования и обработки сигналов позволит прослушать, оценить и сравнить любые спроектированные аудиосистемы, включающие динамики низких, средних и высоких частот. Для этих целей инженеры интегрировали в свои расчетные модели учет акустических эффектов в человеческом ухе и скрипты по обработке и записи бинауральных импульсных характеристик (Binaural impulse Responces — BRIR).
«Преимущество моделирования заключается в том, что системный инженер может сесть за стол, надеть наушники и начать настраивать систему без самого автомобиля. С помощью моделирования мы — инженеры HARMAN — можем оценить, оптимизировать и рассчитать характеристики предлагаемой аудиосистемы, даже если она еще не существует физически», — резюмирует Михаэль Штраусс.
Рис. 6. Команда отдела виртуальной разработки продуктов и инструментов (Virtual Product Development and Tools — VPD) компании HARMAN: Maruthi Srinivasarao Reddy, Michał Bogdanski, Michael Strauss, Ninranjan Ambati и François Malbos.
В заметке были кратко затронуты несколько вариаций построения модели аудиосистем и их составных компонентов в COMSOL®. На нашем сайте доступны следующие примеры с подробными пошаговыми инструкциями по сборке:
Указанные выше примеры относятся к классическим полноволновым расчетам на основе метода конечных элементов (FEM) [15]. Помимо них последние версии COMSOL включают в себя интерфейс для моделирования акустических явлений во временной области на основе разрывного метода Галеркина (DG-FEM) с явным решателем [16], а также поддерживают расчеты в терминах геометрической акустики. Кроме того, в новом релизе 5.3a ожидается добавление интерфейса на основе метода граничных элементов (BEM) [17] для проведения гибридного FEM-BEM моделирования в акустических приложениях, в т.ч. при совместных расчетах акустических волн и вибраций в упругих телах (acoustic-structure interactions).
Указанные приемы могут быть эффективно использованы при проектировании автомобильных аудиосистем (Рис. 7). С примерами и более детальной информацией можно ознакомиться в докладе главы разработки акустических приложений компании COMSOL Мадса Йенсена (Mads Herring Jensen) на международной конференции по автомобильному звуку AES 2017. [18]
Рис. 7. Доступные в COMSOL® методы проведения акустических расчётов: FEM, BEM, DG-FEM, Ray Tracing. Области их применения в зависимости от частотного диапазона.
Для более подробного знакомства с описанными методиками компьютерного проектирования аудиосистем приглашаем поучаствовать в совместном вебинаре COMSOL® и HARMAN [19], который состоится 16 ноября 2017 года.
Еще больше примеров использования COMSOL® в акустических расчетах исследовательскими коллективами из B&K, Knowles, ABB и NASA можно найти в новом выпуске журнала COMSOL NEWS 2017: Special Edition Acoustics [20].
Автор: Сергей Янкин
Источник [22]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/matlab/268241
Ссылки в тексте:
[1] расчета полного коэффициента гармонических искажений: http://comsol.ru/c/6au5
[2] вот тут: http://comsol.ru/c/6auf
[3] параметров Тиля-Смолла: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D1%8B_%D0%A2%D0%B8%D0%BB%D1%8F_%E2%80%94_%D0%A1%D0%BC%D0%BE%D0%BB%D0%BB%D0%B0
[4] по методике В. Клиппеля: https://www.klippel.de/fileadmin/klippel/Files/Know_How/Literature/Papers/Distortion_Analyzer_a_New_Tool_00.pdf
[5] работу низкочастотного динамика, расположенного в двери автомобиля: http://comsol.ru/c/6aup
[6] на основе ручного трехмерного сканирования: http://comsol.ru/c/6auz
[7] акустических импедансных граничных условий: http://comsol.ru/c/6av9
[8] методе обработки импульсного отклика, предложенном Анджело Фариной (Angelo Farina): http://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=10211
[9] вот тут: http://comsol.ru/c/6avj
[10] автоматизировать расчеты за счет пользовательских скриптов и циклов: http://comsol.ru/c/6avt
[11] Совместный электротехнический, механический и акустический расчет громкоговорителя: http://comsol.ru/c/6aw3
[12] Расчет характеристик динамика в фазоинверторе.: http://comsol.ru/c/6awd
[13] расчет громкоговорителя с полной заменой механической части эквивалентной сосредоточенной моделью на основе широко используемых параметров Тиля-Смолла.: http://comsol.ru/c/6awn
[14] Комплексный расчет акустики салона автомобиля.: http://comsol.ru/c/6awx
[15] метода конечных элементов (FEM): http://comsol.com/c/65uf
[16] разрывного метода Галеркина (DG-FEM) с явным решателем: http://comsol.ru/c/6ax7
[17] релизе 5.3a ожидается добавление интерфейса на основе метода граничных элементов (BEM): http://comsol.com/c/6axh
[18] докладе главы разработки акустических приложений компании COMSOL Мадса Йенсена (Mads Herring Jensen) на международной конференции по автомобильному звуку AES 2017.: http://comsol.com/c/6axr
[19] вебинаре COMSOL® и HARMAN: http://comsol.com/c/6b0j
[20] Special Edition Acoustics: http://comsol.com/c/6b0t
[21] Вибрационный анализ шума, создаваемого коробкой передач автомобиля.: http://comsol.ru/c/6b13
[22] Источник: https://geektimes.ru/post/295287/
Нажмите здесь для печати.