Simulation Soundsystem

Bild 1: 3D-Schalldruckverteilung des linken vorderen Türwoofer in einer SUV Fahrzeugkabine. Mvoid

Wer herausragenden Klang im Fahrzeug und eine geräuschoptimierte Fahratmosphäre erleben will, ist auf eine maßgeschneiderte Soundanlage angewiesen, die Klang klar, kraftvoll und voller Emotionen wiedergibt. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, ist eine frühzeitige Integration der Akustikexperten während der Entwicklungsphase notwendig. Denn ein Fahrzeug liefert eine der schwierigsten Umgebungen, um exzellenten Klang zu produzieren. Akustikexperten sind hier mit einer äußerst komplexen Architektur auf engstem Raum konfrontiert. Zudem erfordert jedes Modell eine eigene Analyse. Die Struktur eines SUV etwa unterscheidet sich deutlich von der einer Limousine (Bild 1). Bei einem Cabrio wiederum muss der Klang so optimiert werden, dass sich sowohl mit offenem als auch mit geschlossenem Verdeck ein einwandfreies Klangprofil ergibt.

Entscheidend für ein herausragendes Klangerlebnis sind die geeignete Position und die optimale Integration der Lautsprecher in die Fahrzeugstruktur. Auch mit viel Erfahrung und Routine bei der Entwicklung von automobilen Soundsystemen werden Akustikexperten stets vor neue Herausforderungen gestellt. Störgeräusche und eine unausgewogene Wiedergabe von Tönen müssen frühzeitig erkannt, beurteilt und eliminiert werden. Werden diese erst an realen Prototypen entdeckt, führt dies zu einem deutlichen Zeitverzug und Mehrkosten. Moderne Methoden der virtuellen Akustik ermöglichen es, Qualität und Performance der automobilen Soundsysteme über den gesamten Prozess der Produktentwicklung zu beurteilen und zu optimieren.

Virtuelle Entwicklungsumgebung

Die Entwicklung eines neuen Soundsystems erfordert von Beginn an die Analyse und Beurteilung von Lautsprechern, Lautsprecherpositionen und -integration. Zunächst erzeugen die Akustikexperten einen sogenannten akustischen Fingerprint der Fahrzeugkabine. Mit Hilfe der multiphysikalischen Simulation unter Verwendung von Comsol Multiphysics  wird eine virtuelle Produktentwicklungsumgebung geschaffen. Dabei kommen Methoden und Werkzeuge der numerischen Akustik zum Einsatz, um die bestmögliche Position und Integration der Lautsprecher in der Fahrzeugkabine zu berechnen.

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Lautsprechern und Soundsystemen ist es, die verschiedenen physikalischen Gebiete – Elektromagnetismus (Motor/Antriebssystem), Strukturdynamik (mechanisches Schwingsystem), Akustik (umgebende Luft), teilweise auch Wärmeleitung und Strömung – gemeinsam zu analysieren, da diese stark miteinander gekoppelt sind. Darüber hinaus sind nichtlineare Effekte zu berücksichtigen, die zu störenden Verzerrungen führen.

Viele Faktoren beeinflussen den Klang

Simulation Soundsystem

Bild 2: Unerwünschte Schwingung (Rocking) analysiert mittels eines 3D-multiphysikalischem Lautsprechermodells. Mvoid

Um herausragende Klangeigenschaften zu erzielen, zählt nicht alleine der Lautsprecher. Von immenser Bedeutung ist die Integration der Lautsprecher. Denn Lautsprecher benötigen ein Gehäuse als Resonanzvolumen, um tiefe Frequenzen (Bass) zu reproduzieren. Ein Premium-Lautsprecher kann an der falschen Position oder bei ungeeigneter Verbauung keinen sauberen Klang reproduzieren. Die teuer erkaufte Klanggüte versagt in diesen Fällen. Zudem können Gehäuse und Bauteile unerwünschte Geräusche erzeugen (Bild 2).

Die multiphysikalische Simulation erlaubt neue Lösungswege. So werden etwa bisher ungenutzte Hohlräume in der Fahrzeugstruktur als Lautsprechergehäuse verwendet. Eine komplexe Geometrie, wie sie häufig bei Hohlräumen anzutreffen ist, und Einschränkungen des verfügbaren Raums haben großen Einfluss auf den Klang. Für einen herausragenden Klang analysieren und optimieren die Akustikexperten die mechanische und akustische Integration der Lautsprecher.

Simulation Soundsystem

Bild 3: Resonanzeffekte in einer Tür verursacht durch einen Woofer. Mvoid

Darüber hinaus hat die Fahrzeugkabine selbst, aufgrund der unterschiedlichen Materialien (Leder, Kunststoffe, Textilien, Glas…), einen wesentlichen Einfluss auf die Wahrnehmung des Klangs. Dieser komplexe Materialmix stellt die Experten bei der Simulation vor besondere Herausforderungen. Für die verschiedenen Bauteile mit stark unterschiedlichen Akustikeigenschaften werden passende Beschreibungen benötigt, die in die Simulation mit einfließen. Basierend auf 3D-CAD-Daten lassen sich die Interaktionen von Lautsprecher und Gehäuse mit dem Hörraum im multiphysikalischen Simulationsmodell analysieren, bewerten und optimieren (Bild 3).

 

Lesen Sie auf der nächsten Seite, wie durch Auralisation und Tuning ein besserer Klang erzielt werden kann.

Seite 1 von 3123