Simulazione degli altoparlanti AVAS basata su test

General Motors ha utilizzato Actran per creare un modello semplice di altoparlante AVAS in grado di rappresentare accuratamente la realtà

L'introduzione dell'elettrificazione inaugura una nuova era per le case automobilistiche, tra cui General Motors (GM) che conta milioni di veicoli sulle strade di tutto il mondo. La nuova struttura della trasmissione influisce su molti aspetti fondamentali del veicolo ed è necessario progettare sistemi aggiuntivi che soddisfino le esigenze specifiche dei veicoli elettrici.

In termini di rumorosità, l'assenza del motore a combustione interna rende i veicoli elettrici estremamente silenziosi, al punto che pedoni e altri utenti della strada non sono in grado di percepire la loro presenza abbastanza rapidamente, con chiare conseguenze per la sicurezza. Il regolamento dell'Unione Europea ha imposto l'uso di sistemi audio che avvisano gli utenti della strada della presenza del veicolo elettrico.

I sistemi acustici di segnalazione del veicolo (AVAS) devono garantire la conformità alle normative emettendo un livello di rumore minimo in determinate posizioni. Ciò significa che il sistema deve fornire un'opportuna direttività in grado di soddisfare i requisiti.

I sistemi AVAS sono composti da altoparlanti che generalmente si trovano nella parte anteriore del veicolo. Per progettare gli altoparlanti e garantire che superino adeguatamente il processo di omologazione viene utilizzata la simulazione, che consente di ottenere risultati rapidi senza la necessità di costruire diversi prototipi. Inoltre, proprio poiché il sistema viene studiato a fondo fin dall'inizio, ci sono meno sorprese al momento dei test.

L'altoparlante è generalmente di piccole dimensioni, misura circa 100 mm di diametro e presenta geometrie molto elaborate sulla griglia. Di conseguenza, l'utilizzo di un modello di altoparlante complesso per la valutazione delle prestazioni come parte integrante del veicolo è difficile da realizzare. Il modello, infatti, richiederebbe grandi risorse di calcolo per essere risolto a frequenze molto alte, tipicamente 3,5 kHz. Invece, per sostituire l'altoparlante come parte del modello del veicolo, si utilizzano sorgenti generiche come i monopoli, che producono una potenza sonora irradiata equivalente a quella dell'altoparlante reale. D'altro canto, però, l'altoparlante genera un campo sonoro con una ben definita direttività che non può essere rappresentata in modo accurato da un monopolo acustico.

Wenlong Yang, Sr., Noise and Vibration Engineer di General Motors alla guida dei lavori, afferma: "Con questo progetto, abbiamo voluto sviluppare una metodologia che consideri lo schema di direttività acustica di un altoparlante AVAS in un modello di veicolo completo e creare un modello di altoparlante virtuale che abbia le stesse proprietà sonore dell'altoparlante fisico".

Tutto giusto al primo tentativo

La metodologia e il processo proposti possono essere suddivisi in 6 fasi:

1. Generazione di risultati numerici per l'adozione di decisioni sul setup dei test
2. Test dell'altoparlante per la raccolta dei livelli di pressione sonora (SPL) sui microfoni
3. Estrazione della vibrazione semplificata della superficie dell'altoparlante da integrare nel modello completo del veicolo
4. Utilizzo dei dati di test per convalidare il modello numerico
5. Integrazione dell'altoparlante in un modello di veicolo completo

Fig. 1: diagramma di flusso del processo proposto.

Generazione di dati numerici per l'adozione di decisioni sui test

Per l'estrazione della vibrazione della superficie, viene utilizzata l'analisi pellicolare inversa disponibile in Actran. Questa tecnica consente di identificare un modello di vibrazione in base ai risultati di un certo numero di microfoni. Affinché questo modello di vibrazione sia preciso, il numero di microfoni deve essere sufficiente a rappresentare completamente il modello sonoro nel campo lontano, soprattutto perché diventa più complesso all'aumentare della frequenza. GM ha testato virtualmente diverse quantità di microfoni, da un minimo di 38 microfoni a un massimo di 371.

Fig. 2: campo sonoro generato utilizzando un numero diverso di microfoni.

Gli ingegneri hanno scoperto che, sebbene fossero in grado di rappresentare il modello di radiazione a 1 metro di distanza a 3 kHz con 76 microfoni, le condizioni variabili dei test fisici hanno richiesto l'esecuzione di uno studio di robustezza. Yang afferma: "I test reali sono sempre influenzati dagli errori di misura. Possono verificarsi imprecisioni nella misura delle posizioni dei microfoni o nella misura della pressione sonora su ciascun microfono, incluse ampiezza e fase. Pertanto, volevamo controllare come si verificavano questi errori e, a tale scopo, abbiamo aggiunto interferenze artificiali ai dati inseriti". Ciò è stato reso possibile dalla simulazione.

Sono stati valutati tre fattori di influenza: la posizione del microfono, l'intensità della pressione sonora e la fase della pressione sonora. Gli ingegneri hanno scoperto che, sebbene 76 microfoni fossero in grado di fornire una buona rappresentazione del modello in una posizione e in condizioni specifiche, questo numero non era sufficiente a garantire la robustezza necessaria per tradurre il processo in test fisici. Per la fase successiva, ovvero la prova fisica, sarebbero necessari 300 microfoni.

Test fisici e validazione

La fase di test è stata eseguita presso il Centro di prova di GM. L'altoparlante è stato posizionato al centro di una serie di microfoni. I risultati delle misure sono stati confrontati con quelli della simulazione per diverse posizioni dei microfoni e in termini di potenza sonora irradiata.

Fig. 4: test acustico per l'altoparlante fisico.

Fig. 5: SPL per i microfoni a tre frequenze.

Nel complesso, è possibile ottenere un'ottima correlazione tra le misure e la simulazione per tutti i microfoni, con piccolissimi scostamenti alle basse frequenze che diventano leggermente maggiori alle frequenze più alte. Questo, però, non compromette la qualità complessiva della simulazione. Un esempio del livello di pressione sonora a un microfono specifico è riportato nella Fig. 6.

Fig. 6: SPL a un microfono specifico.

Dopo la convalida, le vibrazioni della superficie possono essere estratte utilizzando l'analisi pellicolare inversa basata sulle misure fisiche. I risultati possono quindi essere integrati nella simulazione dell'intero modello del veicolo, sostituendo il modello dell'altoparlante con questa condizione al contorno equivalente.

Fig. 7: modelli di vibrazione della superficie nell'altoparlante virtuale.

Integrazione dell'altoparlante virtuale nell'intero veicolo

La vibrazione della superficie estratta è stata introdotta nel modello completo del veicolo come condizione al contorno di accelerazione per consentire a GM di valutare le prestazioni dell'altoparlante come parte integrante dell'intero sistema. I risultati sono stati valutati nelle posizioni di tre microfoni di riferimento in cui è stata calcolata la funzione di trasferimento acustico. La funzione di trasferimento acustico è calcolata dal livello di potenza sonora della sorgente meno il livello di pressione sonora al microfono.

Fig. 8: funzioni di trasferimento acustico dall'altoparlante ai punti esterni al veicolo.