Im multiphysikalischen Simulationsmodell (Ebene 1 – 3 des MVOID®-Prozesses) wird bis in die hinterste Ecke im Innenraum die Verteilung des Schalldrucks über rein mathematische Parameter ermittelt. Die optimale Position für Lautsprecher wird gefunden. Die bestmöglichen Komponenten können ausgewählt werden.

Doch mit der Auswahl geeigneter Schallwandler – ob Standard oder High-End – und deren optimaler Positionierung ist es nicht getan. Erst durch die individuelle, auf den Fahrzeugtyp und die Musikanlage ausgelegte Soundabstimmung – das akustische Tuning – entfaltet sich das optimale Klangbild. Das virtuelle Tuning ermöglicht dabei eine computerbasierte Justierung, in der Kenntnisse der Psychoakustik, der subjektiven Sound-Wahrnehmung, mit einfließen.
 

Aufgaben des virtuellen Tunings

1. Minimierung von Resonanzen
Durch das sorgfältige virtuelle Tuning können Unregelmäßigkeiten und Resonanzen (= akustische Eigenmoden) im Frequenzgang minimiert werden. Am Bildschirm signalisieren unterschiedlich gefärbte Schwingungen den Akustikexperten das Zusammenwirken des Soundsystems. Deutliche Erhöhungen oder Absenkungen werden sichtbar.

So zeigen sich an bestimmten Positionen im Fahrzeug Resonanzen: Frequenzen, die zu laut oder zu leise für das menschliche Gehör wirken. Frequenzgänge, die deutliche Absenkungen aufweisen können ein Indikator dafür sein, dass bestimmte Frequenzen – ein wesentlicher Bestandteil der Musik – fehlen. Musikinstrumente sind nicht hörbar.

Der Schallpegel muss an allen Plätzen analysiert und Störungen ausgelöscht werden. In der komplexen Architektur der Fahrzeugkabine können sich Bereiche bilden, an denen sich die Schallwellen gegenseitig neutralisieren. In zahlreichen Messungen wird daher analysiert, wie jeder Kanal eingestellt werden muss, um ein einwandfreies Klangerlebnis zu erzeugen. Spezielle Filter – elektroakustische Elemente der Signalverarbeitung – unterstützen den Prozess, um Frequenzen heben und absenken zu können.

2. Ausgleich der Reflexionseigenschaften
Darüber hinaus können durch das virtuelle Tuning Reflexionen kompensiert werden, verursacht durch mitschwingende Verkleidungselemente, Fenster, Sitzbezüge etc. Ein Basslautsprecher kann beispielsweise deutlich auf der Windschutzscheibe reflektieren. Die vielfältigen Reflexionseigenschaften, die den guten Ton stören, müssen für jeden Kanal entzerrt werden.

3. Akustische Anpassung der Laufzeitunterschiede
Eine weitere Herausforderung besteht darin, die unterschiedlichen Laufzeitunterschiede von den verschiedenen Lautsprechern bis zum Hörer anzupassen. Der Lautsprecher in der Fahrertür erreicht den Fahrer wesentlich früher als der Lautsprecher, der beispielsweise in der Beifahrertür integriert ist. Der Schall trifft nicht gleichzeitig im Ohr ein. Zudem sind sie unterschiedlich laut.

Die Differenz des Schalldruckpegels muss ausgeglichen werden. Mit Hilfe des virtuellen Tunings lässt sich unmittelbar feststellen, dass beispielsweise Lautsprecher A um 5 Millisekunden später eintrifft als Lautsprecher B. Das bedeutet, dass der Lautsprecher B um 5 Millisekunden verzögert werden muss.

Die Laufzeitunterschiede der Lautsprecher der nahen Sitzposition und die abweichende Entfernung zu den jeweiligen Schallwandlern sind folglich auf ein einheitliches Niveau akustisch anzupassen, und zwar gleichzeitig auf allen Sitzplätzen für alle Lautsprecher.

Abbildung 1: Rohdaten vor dem Tuning

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Abbildung 1 zeigt einen deutlichen Einbruch im Frequenzgang. Die Ursache kann darin liegen, dass beispielsweise die vorhandene Energie nicht in akustische Energie umgewandelt werden kann. Der Lautsprecher schwingt und regt dadurch ein Teil an, das wiederum Auslöschungen verursacht. In diesem Beispiel ist keine Korrektur möglich.

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Abbildung 2: Orangefarbene Schwingung: Überlagerung aller Kanäle. Tuning von 6 Basskanälen/Rohdaten vor dem Tuning: Der Subwoofer (lila-farbene Schwingung) ist deutlich lauter als die Türwoofer. Es sind zahlreiche Einbrüche im Frequenzgang sichtbar.                                           

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Abbildung 3: Orangefarbene Schwingung: Überlagerung alle Kanäle. Messung nach dem Tuning-Prozess. Die Auswertung zeigt, dass der Einbruch nicht ausreichend ausgeglichen werden kann.

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Wie die Abbildungen 1 – 3 demonstrieren, kann eine Analyse durchaus zu dem Ergebnis führen, dass die geplante Positionierung von Lautsprechern ungünstig ist, um ein harmonisches Klangbild zu erzeugen.

Frequenzgang nach optimiertem Tuning:

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Abbildung 4 veranschaulicht einen optimierten Schwingungsverlauf. Das Ergebnis ist eine ausgewogene akustische Energieverteilung über alle Frequenzen.

Reale Schwingungen bestehen immer aus mehreren überlagerten Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen. In der Natur existieren keine perfekt sinusförmigen Schwingungen. Dies lässt sich unter anderem dadurch begründen, dass reale Schwingungen eine endliche Länge haben und durch einen Aus- und Einschwingvorgang begrenzt sind. Für den Tuning-Prozess bedeutet dies, dass Aus- und Einschwingvorgänge ebenso wie Elemente der Psychoakustik (menschlicher Hörbereich*) zu berücksichtigen sind. Eine mathematisch exakte Sinusschwingung wäre hingegen zeitlich invariant und ungestört.

Der menschliche Hörbereich umfasst in etwa den Bereich von 20Hz bis 20.000Hz (im höheren Alter kann die Obergrenze deutlich unter 10.000 Hz fallen).

Die einfachere Unterteilung in Bässe-Mitten-Höhen wird komplexen psychoakustischen Vorgängen nicht gerecht. Die nachfolgende Auflistung zeigt eine weitere Unterteilung:
(Microsoft PowerPoint - Pr344sentation1)

Die vorstehende Auflistung zeigt Richtwerte, die Frequenzbereiche lassen sich nicht trennscharf zuordnen.

Nachdem das Basis-Tuning, die Minimierung von Resonanzen, Ausgleich von Reflexionen und Anpassung der Laufzeitunterschiede erfolgt sind, klingt das System zumeist immer noch nicht optimal. In weiteren Tests und Messungen wird der Klang weiter verfeinert. Mittels binauraler Wiedergabetechnik ist die Musik zu diesem Zeitpunkt bereits am Bildschirm hörbar.
In der Vergangenheit mussten die akustischen Einflüsse manuell durch die Akustikexperten entzerrt bzw. ausgelöscht werden. Dabei musste eine Vielzahl von Parametern angepasst werden. Durch das virtuelle Tuning können heute aus den umfangreichen Messdaten beispielsweise Lautzeitunterschiede selbständig korrigiert werden. Das benötigt nur einen Bruchteil der Zeit im Vergleich zum manuellen akustischen Tuning der Fahrzeugkabine in der Vergangenheit.
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Binaurale Wiedergabetechnik macht Simulation hörbar
Der Übergang vom virtuellen Tuning zur Auralisation (Ebene 5 des MVOID®-Prozesses) ist fließend. In der Phase der Auralisation führen die Akustikexperten weitere Hörtest am virtuellen Modell durch, insbesondere in Bezug auf die räumliche Wiedergabe. In der Auralisation geht es um die Bühnenbreite und Bühnenhöhe – die Musik soll vergleichbar mit einer Liveperformance wiedergegeben werden. Musiker einer Band stehen einige Meter voneinander entfernt, sie stehen nicht zentral an einem Punkt. Dieser Effekt wird übertragen. Die räumliche Wiedergabe kann nicht alleine mit mathematischen Parametern oder Messungen ermittelt werden. Der Eindruck räumlicher Weite kann erst durch die Auralisation erzeugt werden.
Das endgültige Klangbild muss den höchsten Qualitätsanforderungen der Kunden entsprechen. Je nach Fahrzeugmodell sind dabei feine Nuancen gewünscht. Bei einem Sportwagen darf der Bass beispielsweise stärker hörbar sein im Vergleich zur Limousine. Die „DNA“ des Fahrzeugmodells spielt folglich immer auch eine Rolle in der finalen Sound-Abstimmung. Die Erfahrungen der Akustikexperten entscheiden über die gewünschte Charakterisierung und den finalen Klang, den das System im neuen Fahrzeug entfaltet.

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Übergang zwischen Virtualität und Realität
Sobald die ersten Prototypen existieren, können die Ergebnisse der virtuellen Messung nahtlos mit der realen Messung verglichen werden. Das virtuelle Tuning wird in diesem Schritt nochmals abgesichert. In zahlreichen Vergleichen der Vergangenheit kann belegt werden, dass die virtuellen Simulationen ausreichend genau sind, um erforderliche Entscheidungen bereits in der Konzeptphase zu treffen.
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Benefit: Enorm verbesserte Integration und hohe Einsparungspotentiale
Der besondere Benefit dieser realitätsnahen Simulation im Audiobereich ist, dass das Produkt bereits erlebbar – hörbar – ist, bevor der erste Prototyp entwickelt wurde. Die Systemarchitektur aus der Vorentwicklung kann abgesichert werden. Die gewünschten Produkteigenschaften werden überprüft und definiert. Bei starken Einbrüchen, sichtbar durch eine starke Absenkung der Schwingungen, wie in Abbildungen 1 bis 3 veranschaulicht, kann beispielsweise keine zufriedenstellende Korrektur durchgeführt werden. In der Konzeptphase wird folglich auch überprüft, wie gut ein System getunt werden kann. Wie stark können die unangenehmen Effekte ausgeglichen werden? Dies erfolgt in der Regel im Rahmen der Machbarkeitsstudie.

Dies ist ein Bonus, der den Entwicklungsprozess um ein Vielfaches beschleunigt und neben der enorm verbesserten Integration zudem hohe Einsparungspotentiale bietet.

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Vom multiphysikalischen zum multidisziplinären Simulationsmodell
Während wir im Simulationsmodell zunächst den einzelnen Lautsprecher bis bin zum kompletten Soundsystem in einem multiphysikalischen Modell darstellen und dabei die physikalischen Gebiete des Elektromagnetismus, der Mechanik und Akustik miteinander koppeln (Phase 1 – 3 des MVOID®-Prozesses), integrieren wir im Prozess des virtuellen Tunings nun verschiedene Ingenieursdisziplinen. Messdaten des Verstärkers und der Signalverarbeitungseinheit werden ebenso wie Erkenntnisse aus der Psychoakustik berücksichtigt. Wir sprechen folglich in diesem Stadium vom multidisziplinären Simulationsmodell.

Dies ist ein Bonus, der den Entwicklungsprozess um ein Vielfaches beschleunigt und neben der enorm verbesserten Integration zudem hohe Einsparungspotentiale bietet.

Um möglichst realitätsnahe Simulationsergebnisse zu erzielen und den größtmöglichen Benefit zu erhalten, muss der gesamte Prozess durchlaufen werden, von der Simulation des Lautsprechers und Lautsprechersystems bis hin zum virtuellen Tuning und der Auralisation. Das Tuning ist dabei ein unerlässlicher Schritt, um die Qualitätsanforderungen der Kunden und Endverbraucher zu erfüllen.