【技术应用】通过基于模型的开发流程和整车仿真完善座舱音频系统

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商业挑战

• 减少车辆调试和开发时间
• 减少所需物理原型的数量
• 开发并验证准确预测物理性能的仿真方法
  

成功的关键

• 使用Simcenter 3D进行基于模型的开发
• 与HEEDS集成加速优化
• 声学仿真频率覆盖人耳可听范围（20Hz-20000Hz）
  

结果

• 将扬声器格栅仿真时间从2.5天减少到4小时
• 创建可重复使用的模型，将完整的扬声器仿真时间减少到2小时
• 使用Simcenter 3D Ray Acoustics射线声学对整车内部的频域和时域声学进行仿真
  

Mazda使用Simcenter3D和HEEDS优化音频声学性能并将仿真时间从2.5天缩减到4小时。
近百年来，马自达汽车公司（马自达）一直致力于为客户打造最好、最安全、最舒适、最享受的汽车。随着时间的推移、标准和期望的稳步提高，公司定期投资于专业工程师和最新技术，以保持领先的竞争优势。
马自达工程技术有限公司（简称马自达E&T）是马自达全资子公司。马自达E&T是一家专业从事培训车、福利车等小批量专用车辆研发和制造的综合性工程公司。作为马自达的一员，他们每天都在迎接新的挑战，开拓汽车行业的未来。
没有音响系统的现代汽车是不完整的。对于马自达来说，这不仅仅是事后的想法。最好的汽车需要最好的音频体验；然而，改进音频系统并将其调整到每辆车，以确保最佳性能，这变得越来越具有挑战性。为了缩短开发时间，马自达E&T正在寻找方法，以减少花在物理整车原型上的工程时间，并加快音频调试过程。



马自达使用三路音频系统，由低，中，高频三组扬声器组成。

为了实现这一目标，Mazda转向西门子数字工业软件，并使用Simcenter3D软件和HEED软件，这是西门子Xcelerator软件、硬件和服务业务平台的一部分。

专注于完整的音频声学分析
为了提供最高的声品质，马自达开发了一种三路音频系统，该系统具有独立的低、中、高频扬声器，从赫兹(Hz)到千赫兹(kHz)。马自达E&T CAE技术开发部基于模型的开发部副经理Masaaki Sakiyama说：“人类听觉的整个范围非常宽，从20Hz到20KHz，这使得分析声学性能需要耗费大量的资源和时间。”“在分析音频系统的性能时，我们必须考虑这个范围内的所有频率，为了产生最佳声品质，分析车内的声音混响也很重要。”
为了创造一个最佳的设计，公司需要分析三个关键领域：扬声器，扬声器的格栅和座舱内部声学。在过去，建立和运行扬声器和栅格的仿真通常需要几天的时间。这使得建立一个仿真模型来分析车辆在相关频率下的座舱内部声学变得不切实际，因为基于声学有限元的方法需要花费太长时间来建模和仿真。
  


马自达分析汽车音频从扬声器通过格栅传递到座舱内部的能量流动
马自达电气电子性能开发部的技术主管Koji Wakamatsu表示：“我们的目标是在车辆制造之前，通过仿真分析和优化音频设计，减少车辆开发过程中的原型数量。”“要做到这一点，我们需要找到一种新的解决方案，使基于模型的开发成为可能。”

使用Simcenter 3D进行基于模型的开发
马自达E&T采用基于模型的开发方法，在重复仿真中重用模型，显著提高和加快了其音频系统的性能分析速度。
利用Simcenter 3D，团队为每个关键区域建立了独立的模型。第一个模型再现了每个扬声器的方向特性，以揭示扬声器的结构和材料选择如何改变其在不同频率下的声辐射特性。为了验证这些模型的保真度，工程师们在扬声器前方每隔10度对声音指向性进行了物理测试。这样，他们就可以将测试结果与Simcenter 3D中扬声器模型的声振仿真结果进行比较。
使用HEEDS优化扬声器材料
在创建扬声器模型后，工程师必须回答两个问题：首先，模型能否准确识别正确的扬声器材料属性？第二，从模型中获得的结果是否与物理测试的结果一样准确?
为此，工程师使用HEEDS驱动Simcenter 3D仿真模型，进行材料参数的迭代，以确保仿真结果与物理测试结果相匹配。Sakiyama说：“使用HEEDS，我们可以实时获取每个方案的结果图像，这是其他优化工具所不具备的。”



扬声器的运动和频率变化会影响声音的指向性

利用HEEDS确定了与测试结果相匹配的最佳扬声器材料性能
通过使用HEEDS，马自达E&T可以精确地预测物理模型中使用的同样材料特性，并发现仿真结果与物理测试结果的相关性比以前预测扬声器性能的方法更精确。通过这次试验，马自达E&T证明了仿真可以准确地预测扬声器的声学性能，这意味着马自达E&T可以通过仿真而不是物理模型来加快开发速度。
领先的FEMAO技术
接下来，工程师们研究了扬声器格栅以及孔的深度、直径和位置如何影响声辐射模式。使用标准的声学有限元(FE)模型，在可听频率范围内进行计算需要的时间太长。因此，该团队使用Simcenter 3D 中的FEM Adaptive Order（FEMAO，自适应阶次声学有限元法）来加速声振耦合分析，而无需简化格栅模型。


声学网格在低频下的单元阶次（100Hz）

声学网格在高频下的单元阶次（100Hz）
Simcenter 3D Acoustics FEMAO在整个频段使用一个网格，通过调整每个频率下的单元阶次来提高计算效率

扬声器格栅孔的深度和直径影响声散射特性
使用FEMAO可以根据分析的复杂性调整模型大小，从而提供更准确的结果和更快的求解时间。这意味着工程师只需要创建一个单一的声学有限元网格。然后，求解器根据每个单元的大小，在低频率下自动降低单元阶次（每个阶次的自由度较低），在高频率下自动增加单元阶次（每个阶次的自由度较高）。这大大减少了计算时间，因为工程师只需要一个声学有限元模型，而不是手动重新创建各种频率范围的模型。
此外，马自达E&T还使用了Simcenter NASTRAN软件，该软件也是西门子Xcelerator业务平台的一部分。Sakiyama指出，Simcenter 3D和Simcenter NASTRAN之间的集成帮助他们节省了时间。Sakiyama说：“以前，在声振耦合分析时，我们必须花时间检查Simcenter NASTRAN求解器的可用性并重复计算。“多亏了Simcenter 3D，我们可以立即进行这些计算。”
使用这种新的分析流程，该团队将扬声器格栅分析时间从2.5天减少到4小时，从而在更短的时间内实现更大的优化。

实现整车座舱声学仿真
为了了解车内乘客的音频体验，马自达E&T之前使用车辆原型对座舱音频系统进行了调整，这可能需要数周时间。该公司希望找到一种方法，通过仿真来确定座舱音频系统的调整方案。然而，建立一个整车级别的声学有限元仿真模型耗时太长，计算求解也是一个大问题。
另外，马自达E&T开始使用Simcenter 3D Ray Acoustics射线声学求解器，该技术有效地求解高频声学模型。对于汽车座舱，典型的适用频率范围在500Hz到20KHz之间。当声波波长与声场环境尺寸相比很小时，工程师们假设声波能量的传递像光线的传播类似。
这意味着工程师们不必创建一个大型、详细、精细网格化的车辆模型。相反，他们只需要对车身表面几何进行离散创建一个粗糙的网格就行。因此，工程师需要三个工作日就可以将CAD模型转换为CAE模型。
一旦初始模型完成，工程师就可以基于Simcenter3D Ray Acoustics分析频率和时域的声学响应，而不需要高质量的网格通过声学有限元（FEM）或声学边界元(BEM)来求解波动方程。此外，他们可以重复使用具有各种参数的模型，以达到全面优化。最终的结果是工程师们在2个小时内完成了对8种扬声器模型的全面分析，分析频率是0-20Khz，计算频率步长是1Hz。
使用最好的工具和支持进行优化
得益于这些西门子解决方案，马自达E&T在开发音频系统方面取得了进步;然而，集成新软件只是解决方案的一部分。“我们和Simcenter 3D、HEEDS的支持团队合作良好，这对实现我们的目标至关重要。”Sakiyama说。“使用这些解决方案可以帮助我们避免在早期过程中犯错误，这意味着我们可以更快地实现该技术的全部优势。”
更安静的电驱动系统的出现，使得音频音质问题，风噪或路噪不再被动力总成噪声掩盖，这为马自达E&T研究团队提供了进一步的机会，可以扩展他们的工作并展示其价值。此外，Wakamatsu认为，他们可以应用类似的仿真方法来改善车辆开发中的其他噪声、振动和声振粗糙度(NVH)问题，帮助马自达在未来为客户提供更舒适的体验。




Simcenter 3D Ray Acoustics可以帮助马自达在两小时内完成车辆模型的对比分析