テストに基づく AVAS スピーカーシミュレーション

General Motors は Actran を使用して、現実を正確に表現するシンプルな AVAS スピーカーモデルを作成します

世界中で何百万台もの車両を提供しているゼネラルモーターズ (GM) を含む自動車メーカーは、電動化により新しい時代を迎えています。新しいパワートレインアーキテクチャは車両の基本的な側面の多くに影響を与え、電気自動車の独自の特性に対応するために追加システムを考案する必要性を生じます。

騒音面では、内燃エンジンがないため電気自動車は非常に静かになりますが、歩行者や他の道路利用者はその存在を迅速に認識できなくなり、明らかに安全上の影響をもたらします。欧州連合の規制は、電気自動車の存在を道路利用者に警告するサウンドシステムの使用が義務付けています。

車両接近通報装置 (AVAS) は、特定の場所で最低限の音量を提供することで規制への準拠を確保する必要があります。つまり、システムは要件を満たす適切な指向性パターンを提供する必要があります。

AVAS システムは、スピーカーで構成されており、通常は車両の前部に配置されています。シミュレーションはスピーカーの設計に用いられ、認証プロセスを適切に満たすことを保証するため、複数のプロトタイプを構築することなく迅速な結果を得ることができます。さらに、システムは徹底的に調査されるため、テスト時に予期せぬ事態が発生することを防ぎます。

スピーカーは通常、サイズが小さく、直径約 100 mm で、グリル上で非常に精巧なパターンを有しています。その結果、モデルが非常に高い周波数 (典型的には 3.5 kHz) を解決するために大きな計算リソースを必要とするため、車両の一部としてその性能を評価する際に複雑なスピーカーモデルを利用することは簡単ではありません。そのため、モノポールなどの一般的な音源がスピーカーの代用品として車両モデルの一部として使用され、実際のスピーカーと同等の音響パワーを生成します。一方、スピーカーは明らかな指向性パターンを持つ音場を生成するため、音響モノポールでは正確に表現できません。

Wenlong Yang 氏 このプロジェクトを主導するゼネラルモーターズの騒音振動エンジニアは、「このプロジェクトでは、完全な車両モデルにおける AVAS スピーカーの音響指向性パターンを考慮する方法を開発し、実際のスピーカーと同じ音響特性を持つ仮想スピーカーモデルを開発しました」と述べています。

最初から正しく行う

提案された方法とプロセスは、6 つのステップに分けることができます。

1. 数値結果を生成し、テスト設定に関する決定に役立てる
2. マイクの音圧レベルを収音するためのスピーカーのテスト
3. 簡素化されたスピーカーの表面振動を抽出し、完全な車両モデルに組み込む
4. テストデータを使用して数値モデルを検証する
5. スピーカーを車両モデル全体に統合する

図 1：提案されたプロセスのフローチャート。

数値データを生成し、テストの決定に利用する

抽出される表面振動には、Actran での逆ペリキュラ解析が使用されます。この技術により、多数のマイクの結果に基づいて振動パターンを特定することができます。この振動パターンが正確であるためには、特に周波数が増加するにつれて音響パターンが複雑になるため、遠距離場の音響パターンを完全に表現するために十分なマイクの数が必要です。GM は、最小 38 個のマイクから 371 個のマイクまで、さまざまなマイクの数量を仮想でテストしました。

図 2：異なる数のマイクを使用することで生成される音場。

76 個のマイクでは、 3 kHz で 1 メートル離れた場所で放射パターンを表現することができるにも関わらず、物理的なテストのさまざまな条件により、堅牢性テストを実施する必要があることがわかりました。Yang 氏は次のように述べています。「物理的なテストは常に測定誤差の影響を受けます。マイクの位置の測定だけでなく、各マイクでの音圧測定においても、規模や位相などの不正確さが生じることがあります。そこで、これらのエラーがどのように発生するかを確認し、これを行うために、入力データに人工的な混乱を追加しました。」 これはシミュレーションで簡単に行うことができます。

次の 3 つの影響要因を評価しました。マイクの位置、音圧の大きさ、音圧フェーズ。76 個のマイクを使用することで、特定の場所と条件でパターンを良好に表現できるにも関わらず、プロセスを物理的なテストに変換するために必要な堅牢性が十分ではないことがわかりました。次の段階である物理的なテストでは、約 300 個のマイクが必要になります。

物理的なテストと検証

テスト段階は GM のテスト施設で実施されました。スピーカーをマイクロホンアレイの中心に配置し、測定結果をさまざまなマイクロフォン位置におけるシミュレーションと音響パワーから比較しました。

図 4：物理的なスピーカーの音響テスト。

図 5：3 つの周波数でのマイクの最大入力音圧 (SPL)。

測定とシミュレーションの間には、全体的にすべてのマイクで非常に良い相関関係が得られ、シミュレーションの全体的な品質を損なうことなく、低周波数での非常に小さな差が高周波数で多少大きくなります。特定のマイクでの音圧レベルの例は、図 6 に示されています。

図 6：特定のマイクでの SPL。

検証後、物理的測定値に基づく逆ペリキュラ解析を使用して表面振動を抽出します。この同等の境界条件でスピーカーモデルを置き換えることで、これを完全な車両モデルシミュレーションに組み込むことができます。

図 7：仮想スピーカーの表面振動パターン。

仮想スピーカーを車両全体に組み込む

抽出された表面振動は、加速の境界条件として完全な車両モデルに取り込まれ、GM がシステム全体の一部としてスピーカーの性能を評価することを可能にしました。結果は、音響伝達関数を計算した 3 つの規制対応マイクの位置で評価されました。音響伝達関数は、自由音場における音源の音響パワーからマイクの音圧レベルを差し引いたものとして定義されます。

図 8：スピーカーから車外の場所への音響伝達関数。