5 Ebenen der Mvoid-Methodik sorgen für eine vollständige, virtuelle Produktentwicklungsumgebung

27. März 2015:

 

Die Entwicklung von Komponenten und die Evaluierung von Systemen mit modernen Simulationsmethoden in der frühen Konzept- und Designphase gewinnen zunehmend an Bedeutung, nicht zuletzt durch die stetig kürzer werdenden Entwicklungszyklen und der zunehmenden Ausweitung der Modellvielfalt.

Konzept-X (Mvoid) hat einen Simulationsprozess entwickelt, der auf den CAD-Daten des Fahrzeuges basiert. Es werden nicht nur graphische Auswertungen aufgezeigt, das Audio-System ist bereits am Computer hörbar. Klangeigenschaften sind virtuell mess- und bewertbar und können direkt am virtuellen Produkt optimiert werden. Einige von Ihnen kennen das Modell bereits. Es ist unter dem Namen Mvoid® (Multidisciplinary virtually optimizedindustrial design) auf dem Markt.

Mvoid® koppelt fünf verschiedene Ebenen für multidisziplinäre Modelle. Erst wenn alle fünf Ebenen abgebildet werden, entsteht eine vollständige, virtuelle Produktentwicklungsumgebung, die eine realistische Hörumgebung des virtuellen Audiosystems ermöglicht.


Ebene 1: Multiphysikalische Modellierung der Lautsprecher

In der ersten Ebene geht es darum, die multiphysikalische Modellierung der Lautsprecher durchzuführen. Die größte Herausforderung ist es, die verschiedenen physikalischen Gebiete zu analysieren, da diese bi-direktional miteinander interagieren. Elektromagnetismus, Mechanik, Akustik und teilweise auch Wärmeleitung und Strömung sind zu berücksichtigen. Zudem müssen pfadabhängige dynamische Effekte und Nichtlinearitäten (inklusive von Instabilitäten) in den einzelnen Gebieten berücksichtigt werden. Zur multiphysikalischen Simulation werden Lumped Parameter-Modelle, Finite Element-Modelle und Randelemente-Modelle eingesetzt.

 

Ebene 2: Multiphysikalisches Lautsprechermodell inklusive Gehäuse

Um hervorragende Klangeigenschaften zu erzielen, zählt nicht alleine der Lautsprecher. Von immenser Bedeutung ist auch die mechanische und akustischen Integration des Lautsprechers im Fahrzeug. Nicht verwunderlich ist, dass für die Entwicklungsingenieure die Raumanforderungen von Lautsprechern besonders herausfordernd sein können. In der Vergangenheit erfolgte die Integration hauptsächlich an realen Prototypen und somit zu einem relativ späten Zeitpunkt des Entwicklungsprozesses. Das kostete viel Zeit, teilweise hohe Entwicklungskosten und verursachte ein Risiko im Projektfortschritt.

Die CAE-basierenden Simulationswerkzeuge brachten viele Vorteile, um die Integration frühzeitig zu optimieren: Fehler können frühzeitig erkannt werden, wie beispielsweise die Erkennung von Störgeräuschen von Gehäusen und Bauteilen. Zudem konnten komplett neue Wege beschritten werden: die Verwendung von Hohlräumen der Fahrzeugstruktur als Resonanzvolumen für Lautsprecher. Denn: Lautsprecher benötigen ein Gehäuse als Resonanzvolumen, um niedrige Frequenzen zu reproduzieren. Eine komplexe Geometrie, wie dies häufig bei Hohlräumen anzutreffen ist bzw. Einschränkungen des verfügbaren Raums haben jedoch einen großen Einfluss auf den Klang. Folglich müssen in der zweiten Phase die Gehäuse der Lautsprecher in das zuvor erstellte multiphysikalische Simulationsmodell der Lautsprecher integriert werden. Ihre mechanischen und akustischen Eigenschaften müssen erfasst werden.

 

Ebene 3: Vollständiges, multiphysikalisches Simulationsmodell

Im nächsten Schritt ist die Fahrzeugkabine mit ihren mechanischen und akustischen Eigenschaften in das Simulationsmodell aufzunehmen. Auch die Fahrzeugkabine hat einen wesentlichen Einfluss auf die Wahrnehmung des Klangs. Aufgrund des unterschiedlichen Mix an Materialen in der Fahrzeugkabine, sei es Leder, Plastik, Textilien, Glas etc. wird ein hybrider Lösungsweg verfolgt. Denn: Alleine die Verwendung des gekoppelten multiphysikalischen Modells führt nicht zu realistischen Simulationen. Für die verschiedenen Werkstoffe mit stark unterschiedlichen Eigenschaften und unterschiedlichen Verbindungstechniken werden genaue Beschreibungen der Materialeigenschaften im elektrischen und mechanischen Gebiet benötigt. Ein Schlüsselaspekt stellen hierbei speziell entwickelte Messverfahren zur Bestimmung der elektrischen und mechanischen Materialparameter dar.

 

Multiphysikalische Analyse Fahrzeugkabine und Lautsprecher mit Gehäuse.

Die unterschiedlich gefärbten Flächen zeigen an, wo der Schalldruck besonders hoch ist und geben Hinweise zur Beseitigung von Störungen.

Im multiphysikalischen Simulationsmodell kann bis in die hinterste Ecke im Innenraum die Verteilung des Schalldrucks ermittelt werden. Alle Faktoren, die den Klang nur geringfügig beeinflussen, werden im Simulationsmodell berücksichtigt.

Bereits in diesem Stadium können wir mittels einer speziellen Wiedergabetechnik das virtuelle Soundsystem über unseren Computer hören. Hörtests werden durchgeführt, um den Klang weiter zu verbessern. Die optimale Position von Lautsprechern in dem zukünftigen Fahrzeugmodell wird virtuell untersucht und entsprechende Komponenten ausgewählt.

 

Ebene 4: Virtuelles Tuning des Audiosystems

In der Wahrnehmung und Bewertung von Schall spielen verschiedene psychoakustische Merkmale eine Rolle. Durch das sorgfältige virtuelle Tuning können Unregelmäßigkeiten und Resonanzen im Frequenzgang kompensiert werden. Umfangreiche Test- und Messverfahren werden durchgeführt. So muss der Frequenzgang aller Kanäle aufeinander abgestimmt werden. An allen Sitzplätzen werden die Laufzeitunterschiede von den verschiedenen Lautsprechern bis zum Hörer korrigiert, der Schallpegel wird angepasst, um einen optimalen Klang im Fahrzeug zu erzeugen.

 

Ebene 5: Auralisation des Audiosystems

Nachdem umfangreiche Tests und zahlreiche Messungen mittels moderner Simulationstechniken durchgeführt wurden, werden finale Hörtests am multiphysikalischen Simulationsmodell durchgeführt. Diese Hörtests sind notwendig, um den Klang zu bewerten, insbesondere in Bezug auf die räumliche Wiedergabe.

Erst wenn alle vorgenannten fünf Mvoid®-Ebenen abgebildet werden, entsteht eine vollständige, virtuelle Produktentwicklungsumgebung. Das Ergebnis ist ein virtuelles Modell, das von der Konzeptentwicklung für die nächste Generation von Fahrzeugen bis zum SOP verwendet werden kann. Das Fahrzeugprofil, die Ausstattung und die Materialeigenschaften eines Fahrzeuges ändern sich gewöhnlich im Laufe der Entwicklungszeit. Das virtuelle Modell kann jeweils angepasst, verschiedene Systemarchitekturen und Systeminhalte sowie Positionen der Lautsprecher können analysiert und während des gesamten Entwicklungszyklus optimiert werden.

Konzept-X (Mvoid) ist kontinuierlich dabei, die Genauigkeit und Effizienz der multiphysikalischen Berechnungen zu verbessern. Momentan arbeiten wir daran, auf einzelnen Ebenen nichtlineare Modelle und deren Verhalten zu erfassen, um weitere mögliche Störfaktoren innerhalb der Fahrzeugkabine zu identifizieren. In künftigen Arbeiten werden wir zunehmend auch physikalische Effekte, wie beispielsweise Straßenlärm oder Wärmeeffekte analysieren.