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Harman利用模擬及資料分析技術 加速汽車音響開發

Harman工程團隊利用數值分析來模擬、預測和評估實際上還不存在的音響系統。Harman

Harman為車聯網裝置的市場領導者,為全球逾80%豪華車供應高級汽車音響系統。由於每個車型都需要獨特配置,Harman聲學和模擬團隊會在設計過程中設法找出最理想的音響擺法、方向及考慮駕駛室的幾何形狀等會影響音質的因素,用實驗結合數值分析來加速產品開發。

據IEEE Spectrum報導,設計團隊在創建原型之前,就能先在模擬情況下調整系統。因此不僅能節省實際測試時間,還能用虛擬測試替代原位聆聽,甚至在汽車完成最終設計之前就能開始設計音響。

Harman虛擬產品開發與工具高級經理Michael Strauss表示,在汽車設計師尚未決定揚聲器的需求時,他們就會參與設計。有時可能只有車廂大小等基本細節,但常要在幾天內提出設計概念。

為更迅速、準確地回應客戶,Harman決定採用COMSOL Multiphysics軟體中的數學建模工具。HARMAN首席聲學工程師Francois Malbos表示,必須能在整合環境中進行機械、聲學和電氣模擬,因此希望有方案來節省創建和更新自主工具所花費的時間和精力。

在某個案例中,該團隊測量及模擬賓士(Mercedes-Benz)ML車廂內的揚聲器產生的聲壓級以驗證其數值模型,再用它來最佳化聲學設備。汽車車廂包括許多不同的物理領域,因此模擬難度相當高。

COMSOL軟體能在整個系統中將聲學、機械和電氣效應耦合在一起。團隊還建立驗證模型和已知方案庫,可對各種揚聲器配置進行性能預測。

Harman工程師在一項研究中使用COMSOL創建汽車駕駛室聲音系統的模擬,並設計一系列測試來驗證該模型。驗證完成後,該模型就能讓HARMAN團隊推演出特定汽車的最佳揚聲器設置。

在驗證測試中,揚聲器會安裝在汽車駕駛座附近的剛性外殼上。整個機艙會安置4組麥克風陣列,以測量每個位置的平均聲壓級。而幾何形狀是以手動3D掃描來產生,並將掃描創建的點雲轉換為汽車的表面網格,並創建用於研究聲壓波的最佳化網格。

此次模擬分析揚聲器產生的聲波與擋風玻璃、地板、座椅、頭枕、方向盤,以及車頂、車門和儀表板等各種材料的互動,而每種材質各有不同的吸收音波屬性。

除了考慮許多不同材料,該團隊還使用LiveLink for MATLAB來定義基於機箱音量的揚聲器膜運動和加速度,並開發特殊的MATLAB腳本,以簡化預處理和後處理作業。當一個模擬完成時,下個模擬就會啟動。這樣可確保整個流程更容易及不會出錯,只需讓腳本運行。

該團隊還最佳化頻率相依吸收係數,以獲得測量和模擬聲壓之間所需的強相關性。而後續進行的分析就能提供每個麥克風陣列發出的聲壓級。

藉由已經驗證的模擬,即使車輛仍在設計中,也能開始開發音響系統。準確預測整個車廂內的聲壓場,可最佳化音響系統的性能。等化器和心理聲學效應也包括在其調音演算法中,而毋須實體原型就能修改設計。

Harman工程師使用高階耳機開發出一套播放系統,可收聽、評估和比較由低音、中音和高音揚聲器組成的音響系統,而這一切墜是基於模擬結果和訊號處理。

此外必須還納入人體頭部、軀幹和耳道對預測雙耳脈衝響應(Binaural Impulse Responses;BRIR)的聲學效果。為擷取完整的3D聲音,會在方位面中的不同頭部位置計算BRIR。這套播放系統使用頭部位置追蹤器來完美地再現聽者的聲音體驗,例如在司機座位上的體驗。

Harman能純粹基於模擬來評估音響系統的能力,提高產品品質和產品開發速度,還提高客戶回應速度,降低設計修改的成本,提高工程師之間的設計自由感。模擬的好處是系統工程師不用開車,坐在桌子前戴上耳機就能開始調整系統。

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