Calibrazione virtuale di impianti audio per l’automotive
Gli esperti di HARMAN associano agli esperimenti fisici la modellazione matematica e la simulazione numerica per migliorare lo sviluppo della più avanzata tecnologia di infotainment per i veicoli.
Grazie all’elettronica, i veicoli di oggi offrono stupefacenti possibilità di intrattenimento, dalla connettività degli smartphone ai display e agli schermi interattivi. HARMAN è leader sul mercato nell’allestimento di “auto connesse”: equipaggia infatti più dell’80% delle automobili di lusso nel mondo con sistemi audio all’avanguardia.
Ogni modello di veicolo richiede una configurazione unica e il team HARMAN, composto da specialisti di acustica e simulazione, si assicura che il processo di progettazione tenga conto dei diversi componenti e dell’acustica dell’automobile. Dettagli come la posizione ideale e l’orientamento degli altoparlanti, il loro involucro, la geometria dell’alloggiamento dei driver (ad esempio le portiere): tutto influenza la qualità del suono.
Il team ricorre ad analisi numeriche insieme a prove sperimentali per accelerare lo sviluppo del prodotto, calibrando virtualmente i sistemi prima di creare un prototipo reale. In questo modo risparmia il tempo delle prove sperimentali e fa sì che i test virtuali prendano il posto dell’ascolto in situ, così da poter cominciare a sviluppare il prodotto prima ancora che i progetti definitivi dell’automobile siano completi.
“Possiamo essere coinvolti nelle primissime fasi del processo di sviluppo dell’automobile, quando il progettista del veicolo non ha ancora deciso quali caratteristiche dovrà avere l’impianto audio”, spiega Michael Strauss, senior manager del Virtual Product Development and Tools (VPD) in HARMAN.
“Oppure possiamo avere a disposizione solo dettagli elementari, come le dimensioni e il volume dell’abitacolo. Eppure spesso ci troviamo a dover presentare un’idea di progetto nel giro di pochi giorni: una sfida complessa, che ha come obiettivo la soddisfazione delle esigenze del cliente e la realizzazione di sistemi di alta qualità”.
Simulazione e prove sperimentali “fanno squadra” per la soddisfazione del cliente
Per offrire ai clienti una risposta che sia veloce, ma anche accurata, i tecnici HARMAN si affidano alla modellazione matematica con il software COMSOL Multiphysics®. “Avevamo bisogno di risorse per la simulazione elettrica, meccanica e acustica all’interno di un unico ambiente integrato, e volevamo un programma che aiutasse a risparmiare il tempo e le energie necessari per creare e aggiornare i nostri strumenti”, racconta François Malbos, senior acoustics engineer in HARMAN.
“L’approccio multifisico è una delle parti più importanti del processo di sviluppo virtuale del prodotto”, aggiunge Michał Bogdanski, project leader del Virtual Product Development in HARMAN. “Possiamo studiare il comportamento acustico di un altoparlante in relazione a qualsiasi parte della struttura di un veicolo – per esempio la rigidezza di una portiera –, quindi fornire al nostro cliente linee guida per la progettazione.
In un caso specifico, i tecnici hanno contemporaneamente misurato e simulato i livelli di pressione acustica generati da un altoparlante nell’abitacolo di una Mercedes Benz ML (ved. Figura 1), per validare i modelli numerici e in seguito utilizzarli per ottimizzare l’impianto audio. “Le simulazioni degli abitacoli sono tra le più impegnative, perché coinvolgono diversi ambiti fisici”, spiega Strauss. Fortunatamente, il software COMSOL® offre opzioni per accoppiare gli effetti acustici, meccanici ed elettromagnetici all’interno del sistema.
Per supportare a livello aziendale l’attività di sviluppo, è stata creata una libreria di modelli validati e soluzioni note che consente di prevedere le performance di una grande varietà di configurazioni di altoparlanti. “Possiamo offrire di tutto, da un’analisi di tendenza ad alto livello fino a una disamina dettagliata delle performance di un sottosistema”, continua.
Analizzare le performance dell’altoparlante di un veicolo
Per uno studio, i tecnici hanno usato COMSOL per simulare un impianto audio nell’abitacolo di un’auto, così da ottimizzare l’acustica dell’altoparlante, in modo specifico per le onde sonore a bassa frequenza. Hanno poi progettato una serie di test per validare il modello. Fatto questo, il modello avrebbe consentito al team Harman di dedurre la migliore disposizione degli altoparlanti per una determinata automobile. Per i test di valutazione, un altoparlante è stato installato su una parete rigida vicino al sedile del conducente. Quattro array di microfoni disposti nell’abitacolo hanno misurato la pressione acustica media in ciascuna posizione (ved. Figura 2).
Per le frequenze sotto 1kHz, l’altoparlante è stato rappresentato come un pistone piatto rigido legato a un semplice circuito a parametri concentrati (Lumped Parameter Model, LPM), tenendo in considerazione la tensione di alimentazione del “voice coil”, la rigidezza delle sospensioni e della superficie della membrana dell’altoparlante. La geometria è stata generata da una scansione manuale 3D (ved. Figura 3). Utilizzando un algoritmo di preprocessing implementato nel software MATLAB® e il prodotto aggiuntivo di COMSOL® chiamato LiveLink™ for MATLAB®, un’interfaccia bidirezionale tra i due programmi, il team ha convertito la nuvola di punti creata dalla scansione nella mesh di superficie dell’abitacolo dell’auto (ved. Figura 4), creando così una mesh ottimizzata per lo studio delle onde acustiche.
La simulazione ha analizzato l’interazione delle onde sonore generate da un altoparlante con i diversi materiali di parabrezza, pavimento, sedili, poggiatesta, volante e altre sezioni dell’automobile come il tettuccio, le portiere, il cruscotto, ciascuno dei quali presenta diverse proprietà di assorbimento.
Ottimizzare il modello acustico
Oltre ad analizzare molti materiali diversi, il team ha anche determinato il movimento e l’accelerazione della membrana dell’altoparlante, direttamente sul volume dell’alloggiamento, utilizzando il LiveLink™ for MATLAB®; ha sviluppato inoltre script speciali con il software MATLAB® per semplificare le attività di preprocessing e postprocessing.
“Tutto il processo è completamente ottimizzato e automatico, così non dobbiamo calcolare l’accelerazione per ciascun caso. Quando una simulazione finisce, parte la successiva”, spiega Bogdanski. “Questo assicura che l’intero processo sia lineare e privo di errori; semplicemente lasciamo che gli script facciano il loro lavoro”. Il team ha anche ottimizzato i coefficienti di assorbimento in funzione della frequenza, necessari per ottenere una perfetta correlazione tra la pressione sonora misurata e simulata. A quel punto, l’analisi ha fornito i livelli di pressione sonora emessi da ciascun array di microfoni (ved. Figura 5).
Valutazioni oggettive e soggettive dalla postazione del conducente
Utilizzando le simulazioni validate, HARMAN può cominciare a sviluppare un impianto audio anche se il veicolo è ancora in fase di progettazione. La previsione accurata della pressione sonora all’interno dell’abitacolo permette di ottimizzare le prestazioni dell’impianto. Nell’algoritmo di calibrazione sono compresi equalizzatori ed effetti psicoacustici, così da consentire modifiche nella progettazione senza la necessità di un prototipo fisico.
Un metodo interessante per raggiungere un livello di eccellenza dell’impianto audio è l’auralizzazione, ovvero la produzione di suono attraverso un’acustica virtualmente calcolata. Utilizzando cuffie di prima qualità, i tecnici di hanno sviluppato un sistema di riproduzione che consente di ascoltare, valutare e confrontare qualsiasi impianto audio, inclusi subwoofer, midrange e tweeter. “Tutto questo è basato sui risultati di simulazione e sull’elaborazione del segnale”, dice Malbos.
I tecnici HARMAN calcolano anche l’effetto della testa umana, del torace e del canale uditivo sull’acustica per prevedere le risposte all’impulso binaurale (Binaural Impulse Response, BRIR), ovvero il modo in cui l’orecchio riceve il suono. Per catturare il suono in modo completo e tridimensionale, le BRIR sono calcolate per diverse posizioni della testa sul piano azimutale. Il sistema di riproduzione utilizza un rilevatore della posizione della testa per restituire in modo perfetto l’esperienza acustica che l’ascoltatore proverebbe, per esempio, dal sedile del conducente. La figura 6 raffigura la mesh creata con il software COMSOL®, utilizzato per prevedere le BRIR. La figura 7 mostra il confronto tra le BRIR misurate e quelle simulate.
Anche l’auralizzazione comporta diverse sfide. La qualità dell’auralizzazione, di per sé soggettiva, deve essere confrontata con l’ascolto nel mondo reale. Per questo vengono svolte valutazioni soggettive per garantire la qualità dell’esperienza di ascolto.
In HARMAN, la possibilità di valutare un impianto audio basandosi unicamente sulla simulazione ha migliorato la qualità del prodotto e la velocità dello sviluppo. Ha innalzato anche la ricettività del cliente e abbassato i costi connessi alle modifiche di progettazione, offrendo ai tecnici maggiore libertà di progetto.
“La bellezza della simulazione sta nel fatto che un tecnico può sedersi alla sua scrivania, indossare le cuffie e cominciare a mettere a punto un sistema senza l’automobile”, conclude Strauss.
“Utilizzando la simulazione i tecnici HARMAN potranno esaminare, ottimizzare, prevedere e valutare soggettivamente le performance di un impianto audio, anche se nel mondo reale non esiste ancora”.