Einsatz von akustischem Raytracing und GPU in Automobilanwendungen

Sowohl Hersteller von Luxusautos als auch Hersteller von Standardfahrzeugen konkurrieren darum, Kunden mit modernsten Features anzusprechen. Häufig werden erstklassige Sound- und Lautsprechersysteme sowie Komfortfunktionen wie Parksensoren beworben, um Kunden zum Kauf des Modells mit der höchsten Ausstattungsvariante zu bewegen. Die COMSOL^® Software bietet eine Möglichkeit, diese Features durch akustisches Raytracing zu entwickeln und zu optimieren, das mit strukturellen, elektrischen, Druck- oder anderen multiphysikalischen Elementen kombiniert werden kann. COMSOL^® unterstützt außerdem GPU-Beschleunigung, wodurch die Modellierungseffizienz erheblich gesteigert wird.

Piep Piep! Hinter Ihnen befindet sich ein Objekt

Das Tutorial-Modell Ultraschall-Parksensor berechnet die Antwort eines Sensors und kombiniert dabei multiphysikalische Elemente und mehrere COMSOL Multiphysics^® Features. Im Tutorial lösen Sie zunächst ein Finite-Elemente-Modell (FEM), um die räumliche Antwort des Parksensors zu berechnen. Das FEM-Submodell, das piezoelektrische Materialien, Strukturen und Luft umfasst, wird verwendet, um eine detaillierte Simulation des Ultraschallwandlers zu erstellen.

Das Abstrahlverhalten des Wandlers (seine Quellencharakteristik) wird als Quelle verwendet, um dann die Strahlenabgabe für ein bestimmtes Parkszenario zu modellieren. Die Kopplung von FEM und Raytracing kann mithilfe des Features Release from Exterior Field Calculation definiert werden, das in dem Interface Ray Acoustics integriert ist. Das Multiphysik-Modell des Parksensors koppelt die Interfaces Solid Mechanics, Electrostatics und Pressure Acoustics.

Neuwagen sind mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, die den Fahrer auf Objekte hinter sich aufmerksam machen.

In diesem Modell werden Strahlen von vier Empfängern am Heck des Fahrzeugs ausgesendet, um ein Objekt oder eine Oberfläche hinter dem Fahrzeug zu erkennen. Das Modell berechnet das Antwortsignal der Empfänger, wenn das Fahrzeug einen Meter Abstand hat, bevor es auf das Hindernis trifft. Der Abstand und die Konfiguration können geändert werden, um verschiedene Parkszenarien zu testen. In der ersten Abbildung analysiert der Sensor die Strahlwege aller simulierten Verbindungsquellen und Empfangssensoren. In der zweiten Abbildung visualisiert das Farbspektrum die Strahlleistung (den Schallpegel), wenn sich der Schall über eine gewisse Entfernung vom Wandler ausgebreitet hat. Rot steht für hohe Leistung.

Strahlen, die die Quelle und die Empfänger verbinden (links), und der Strahlengang aller simulierten Strahlen (rechts).

Zusammenarbeit von vier Empfängern

Die insgesamt empfangenen Signale können manuell rekonstruiert werden, indem das Eingabesignal mit der diskreten Impulsantwort gefaltet wird. Die von jedem einzelnen Empfänger gesammelten Daten bilden zusammen die vollständige Erkennung des Sensors. Die Tabellen 1 bis 4 sind in der Dokumentation des Tutorial-Modells enthalten und entsprechen den Empfängern 1, 2, 3 und 4.

Die Daten aus den Tabellen 1 bis 4 in der Modelldokumentation werden zur Rekonstruktion der empfangenen Signale verwendet.

Ein hybrider Ansatz für optimale Ergebnisse in der Fahrzeuginnenraumakustik

Die Akustik im Fahrzeuginnenraum ist ein weiteres wichtiges Feature im Bereich Fahrzeugakustik. Das Tutorial-Modell Akustik im Fahrzeuginnenraum unter Verwendung einer hybriden FEM-Ray-Source-Kopplung demonstriert die Modellierung der Akustik im Fahrzeuginnenraum unter Verwendung eines hybriden FEM-Raytracing-Ansatzes. In der Innenraumgeometrie wird der Schall von einem Hochtöner im Armaturenbrett des Fahrzeugs in der Nähe der Windschutzscheibe abgegeben. Die Lautsprecher in diesem Beispiel werden nicht vollständig detailliert modelliert, sondern durch Thiele-Small-Parameter dargestellt und mithilfe der Bedingung Lumped Speaker Boundary mit dem akustischen Gebiet gekoppelt. Der Rest des Fahrzeugmodells weist die Standardausstattung eines Sedan-Innenraums auf: Ledersitze, Teppichboden, Dachverkleidung und harte Oberflächen. Diese Eigenschaften werden mit Absorptionskoeffizienten, Oberflächenimpedanz und Materialmodellen modelliert.

Dieses Modell verwendet ein FEM-basiertes Submodell des Lautsprechers und seiner unmittelbaren Umgebung, um eine realistische Nahfeldquelle für die Strahlausbreitung zu berechnen. Die Kopplung von FEM und Raytracing erfolgt auf einer Oberfläche unter Verwendung des Features Release from Pressure Field, das die räumliche Verteilung der Leistung und den Intensitätsvektor berücksichtigt. Dies unterscheidet sich von der „klassischen” Hybridmethode, bei der die Niederfrequenz-FEM-Lösung mit der Hochfrequenz-Strahlungslösung verbunden wird. In diesem Beispiel werden die beiden Methoden für eine detaillierte Quellenbeschreibung kombiniert. Im Tutorial wird die Methode sowohl mit einer vollständigen FEM-Simulation als auch mit einem reinen Raytracing-Modell verglichen.

Ein Hochtöner am Armaturenbrett überträgt Schallwellen in den gesamten Innenraum des Fahrzeugs.

Die Simulation des gesamten Innenraums kann auch mit einem vollständig wellenbasierten Ansatz durchgeführt werden (unter Weglassung der Annahmen, die beim Raytracing getroffen werden). Solche Simulationen können entweder im Frequenzbereich durchgeführt werden, wie im Tutorial-Modell Akustik im Fahrzeuginnenraum – Frequenzbereichsanalyse, oder im Zeitbereich, wie im Tutorial-Modell Akustik im Fahrzeuginnenraum – Transiente Analyse dargestellt. Wir werden uns das letztere Modell im Folgenden im Zusammenhang mit beschleunigten Simulationen mit GPU näher ansehen.

Im Frequenzbereichsmodell werden die Lautsprecher erneut durch die Randbedingung Lumped Speaker modelliert, die die Lautsprecher als elektrische Ersatzschaltung mit festgelegten Thiele-Small-Parametern darstellt. Das Frequenzbereichsmodell veranschaulicht, wie verschiedene Löser-Strategien zur Lösung des Modells bei steigender Frequenz eingesetzt werden können. Mit zunehmender Frequenz wird die Wellenlänge kleiner, sodass ein feineres Netz erforderlich ist. COMSOL Multiphysics^® umfasst mehrere iterative Methoden. Bei sehr großen Modellen kann ein maßgeschneiderter Löser eingerichtet werden, wie im Tutorial-Modell Akustik im Fahrzeuginnenraum – Vorschlag für einen iterativen Löser für kubische Elemente gezeigt wird.

Kopplung von FEM und Raytracing für detaillierte Anregungsquellen

Wie oben erwähnt, umfasst die Raytracing-Komponente im Tutorial-Modell Akustik im Fahrzeuginnenraum unter Verwendung einer hybriden FEM-Ray-Source-Kopplung ein lokales, vollständig wellenbasiertes Submodell, das die Features Pressure Acoustics und Frequency Domain verwendet. Dieses Submodell wird mit Strahlen gekoppelt, die über das Interface Release from Pressure Field auf die Oberfläche des Fahrzeuginnenraums abgegeben werden. Der Strahlrichtungsvektor wird automatisch aus der wellenbasierten FEM-Lösung ermittelt. Die Richtwirkung der Quelle ist korrekt und führt zu genaueren Vorhersagen. Die Strahlleistung wird automatisch durch Verteilung der gesamten Strahlungsleistung auf die Strahlen unter Gewichtung der lokalen Intensität ermittelt.

Schallquellen in Fahrzeugen (in diesem Fall der Hochtöner im Armaturenbrett) verhalten sich nicht wie klassische Punktquellen, wie sie beispielsweise in Konzertsälen zu finden sind. Wellenphänomene treten auf, wenn die Schallquellen mit ihrer Umgebung, wie beispielsweise dem Innenraum des Fahrzeugs, interagieren.

Ein lokales wellenbasiertes FEM-Submodell wird mit Strahlenakustik gekoppelt, die über das Interface Release from Pressure Field freigesetzt werden.

Verbindung der Lösungen für den Nieder- und Hochfrequenzbereich

Um den Frequenzgang über den gesamten Bereich oder die Impulsantwort zu erhalten, wird die Lösung aus dem FEM-Modell mit niedrigen Frequenzen mit der Lösung aus dem Raytracing mit hohen Frequenzen kombiniert. Diese Kombination von Lösungen ermöglicht es Ihnen, die Breitband-Impulsantwort zu berechnen. Der hybride Ansatz wird im Tutorial-Modell Akustik im Fahrzeuginnenraum – Breitband-Impulsantwort veranschaulicht.

Hybridlösungen aus Niederfrequenz-FEM und Hochfrequenz-Raytracing werden kombiniert, um eine Breitband-Impulsantwort zu erzielen.

Höhere Effizienz

Die im Acoustics Module angebotene GPU-Unterstützung erhöht die Effizienz erheblich, indem sie die Zeit für die Lösung von Modellen drastisch reduziert. Das Modell Akustik im Fahrzeuginnenraum – Transiente Analyse veranschaulicht, wie frequenzabhängige Wandimpedanzdaten in den Zeitbereich einbezogen werden können. Der Innenraum wird mit einem gaußmodulierten 1000-Hz-Impuls angeregt. Die Lösung dieses Modells würde auf zwei Clusterknoten mit zwei Prozessen pro Knoten 19 Stunden dauern, wobei 30 Perioden mit 49 Millionen Freiheitsgraden gelöst werden müssten. Mit der beschleunigten Formulierung auf einer GPU dauert es etwa 1,5 Stunden (die Ergebnisse sind hardware- und problemspezifisch). Dies entspricht einer 20- bis 25-fachen Beschleunigung, was die Effizienz erheblich verbessert und Zeit und Ressourcen spart.

Partikelgeschwindigkeitsverteilung in einem Fahrzeuginnenraum mit einem gaußmodulierten 1000-Hz-Impuls.

Da sich die Technologie in Fahrzeugen kontinuierlich weiterentwickelt, wird die Kombination verschiedener Methoden wie Raytracing und FEM Ingenieure und Entwickler dabei unterstützen, Ultraschall-Parksensoren und Soundsysteme im Fahrzeuginnenraum weiter zu optimieren.

Nächste Schritte

• Probieren Sie die Tutorial-Modelle Ultraschall-Parksensor und Akustik im Fahrzeuginnenraum – Frequenzbereichsanalyse aus.
• Probieren Sie das Tutorial-Modell Akustik im Fahrzeuginnenraum unter Verwendung einer hybriden FEM-Ray-Source-Kopplung aus
• Erfahren Sie mehr über den hier besprochenen hybriden Modellierungsansatz im Tutorial-Modell Modellierung der Raumakustik unter Verwendung hybrider Druckakustik- und Raytracing-Methoden
• Probieren Sie den wellenbasierten Ansatz im Zeitbereich mit einer GPU im Tutorial-Modell Akustik im Fahrzeuginnenraum – Transiente Analyseaus