Acoustic Vehicle Alerting System Soundsysteme in E-Autos: Der richtige Sound für mehr Sicherheit

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In E-Autos integrierte Soundsysteme machen Verkehrsteilnehmer auf geräuscharme Elektrofahrzeuge aufmerksam. General Motors entwickelt mithilfe von Hexagon Actran ein einfaches, realitätsgetreues AVAS-Lautsprechermodell.

Mit der Elektrifizierung beginnt für Automobilhersteller eine neue Ära, auch für den Auto­mobilgiganten General Motors (GM), der weltweit Millionen von Fahrzeugen verkauft. Da sich die neue Powertrain-­Architektur auf grundlegende Aspekte des Fahrzeugs auswirkt, bedarf es im Hinblick auf die besonderen Eigenschaften von Elektrofahrzeugen der Entwicklung zusätzlicher Systeme beziehungsweise Systemaufgaben.

Soundsysteme gesetzlich vorgeschrieben

So bemerken Fußgänger und andere Verkehrsteilnehmer aufgrund fehlender Motorengeräusche herannahende Elektro­fahrzeuge oft sehr spät, was zu einem ­Sicherheitsrisiko führt. Die Europäische Union schreibt daher den Einsatz von Soundsystemen vor, die Verkehrsteilnehmer auf geräuscharme Elektrofahrzeuge aufmerksam machen sollen.

Diese Vorgabe erfüllen akustische Warnsysteme für Elektrofahrzeuge (AVAS –Acoustic Vehicle Alerting System), die ortsabhängig einen entsprechenden Sound mit einer geeigneten Richtcharakteristik erzeugen.

AVAS-Systeme verfügen über Lautsprecher, die hauptsächlich vorne am Fahrzeug angebracht sind. Um entsprechende Zulassungsverfahren zu bestehen, setzt man bei der Entwicklung von Lautsprechern Simulationen ein. So lassen sich ganz ohne den Einsatz von Prototypen schnelle Ergebnisse erzielen.

Generische Schallquellen für Soundsysteme

In der Regel sind die Lautsprecher mit einem Durchmesser von zirka 100 Millimeter eher klein und weisen sehr aufwändige Gittermuster auf. Aufgrund der für den typischerweise hohen Frequenzbereich von 3,5 Kilohertz erforderlichen Rechenressourcen gestaltet sich der Einsatz komplexer Modelle bei der Leistungsbewertung der Lautsprecher als Teil des Fahrzeuges schwierig. Deshalb werden generische Schallquellen wie Monopole verwendet, die den Lautsprecher als Teil des Fahrzeugmodells ersetzen und eine dem eigentlichen Lautsprecher gleichwertige abgestrahlte Schallleistung entwickeln. Jedoch erzeugt der Lautsprecher ein Schallfeld mit eindeutiger Richtcharakteristik, die sich mit einem akustischen Monopol nicht präzise abbilden lässt.

„Im Rahmen dieses Projekts entwickeln wir eine Methodik, welche die akustische Richtcharakteristik eines AVAS-Lautsprechers in einem Gesamtfahrzeugmodell berücksichtigt, sowie ein virtuelles Lautsprechermodell, dessen Klangeigenschaften die des physischen Lautsprechers exakt abbilden“, erläutert Wenlong Yang, Sr., verantwortlicher Noise and Vibration Engineer bei General Motors.

Prinzip „Right First Time“

Die vorgeschlagene Methodik und der Prozess lassen sich in mehrere Schritte unterteilen:

• → Erzeugen numerischer Ergebnisse als Entscheidungsgrundlage für den Testaufbau.

• → Lautsprechertests zum Erfassen der Schalldruckpegel an den Mikrofonen.

• → Extrahieren der vereinfachten Oberflächenschwingung des Lautsprechers zur Integration in das Gesamtfahrzeugmodell.

• → Verwenden der Testdaten zur Validierung des numerischen Modells.

• → Integration des Lautsprechers in ein Gesamtfahrzeugmodell.

Numerische Daten als Grundlage für Testentscheidungen

Für die Extraktion der Oberflächenschwingung kommt die inverse „Pellicular Analysis“ in der Akustik-Simulationssoftware Hexagon Actran zum Einsatz, um ein Schwingungsmuster auf Grundlage der Messergebnisse mehrerer Mikrofone zu identifizieren. Für ein präzises Schwingungsmuster und die vollständige Darstellung des mit zunehmender Frequenz komplexer werdenden Klangmusters im Fernfeld ist eine ausreichende Anzahl von Mikrofonen erforderlich. General Motors führte zahlreiche virtuelle Tests durch, mit einer Mikrofonanzahl von 38 bis hin zu 371 Mikrofonen.

Dabei stellte sich heraus, dass sich die Schallabstrahlung mit 76 Mikrofonen in einem Meter Entfernung bei drei Kilohertz zwar darstellen ließ, jedoch aufgrund der variablen Bedingungen der physischen Tests eine Robustheitsstudie erforderlich war. Yang erläutert: „Bei realen Tests treten immer Messfehler auf. Sowohl beim Messen der ­Mikrofonpositionen als auch des Schalldrucks an jedem Mikrofon, einschließlich Stärke und Phase, können Ungenauigkeiten auftreten. Um zu prüfen, wie diese Fehler entstehen, haben wir die Eingabedaten künstlich gestört. Und zwar einfach per Simulation.“

Drei Einflussfaktoren wurden bewertet: die Mikrofonposition, die Stärke und die Phase des Schalldruckes. Das Ergebnis zeigte, dass 76 Mikrofone die Schallabstrahlung an einem bestimmten Ort und unter bestimmten Bedingungen zwar gut abbildeten, aber nicht die für physische Tests erforderliche Robustheit gewährleisten können. Für den nächsten Schritt, die physische Testphase, waren rund 300 Mikrofone erforderlich.

Physische Tests und Validierung

Die Tests wurden in der Versuchsanlage von GM durchgeführt. Die Ingenieure platzierten den Lautsprecher in der Mitte eines Mikrofon-Arrays. Die Messergebnisse hat man mit der Simulation an verschiedenen Mikrofonpositionen sowie hinsichtlich der abgestrahlten Schallleistung verglichen. 

Insgesamt lässt sich für alle Mikrofone eine hohe Korrelation zwischen den Messungen und der Simulation erzielen, mit geringen Abweichungen bei niedrigeren Frequenzen, welche bei höheren Frequenzen leicht zunehmen, jedoch ohne die Gesamtqualität der Simulation zu beeinträchtigen. 

Nach der Validierung lassen sich auf Grundlage der physischen Messungen Oberflächenschwingungen mithilfe der inversen „Pellicular Analysis“ extrahieren und in die Gesamtfahrzeugmodell-Simulation integrieren. Das Lautsprechermodell wird dabei durch diese äquivalente Randbedingung ersetzt.

Soundsysteme: Integration des virtuellen Lautsprechers in das Gesamtfahrzeug

Zur Bewertung der Leistung des Lautsprechers als Teil des Gesamtsystems wurde die extrahierte Oberflächenschwingung als Randbedingung für die Beschleunigung in das Gesamtfahrzeugmodell integriert. Man bewertete die Ergebnisse an den Positionen von drei Messmikrofonen, wo die akustische Übertragungsfunktion berechnet wurde. Die akustische Übertragungsfunktion ist definiert als die Freifeld-Leistung abzüglich des Schalldruckpegels am Mikrofon.

Die Übertragungsfunktionen für diese neue Methodik wurden mit der früheren, auf Monopolquellen basierenden Methodik verglichen. Die neuen Ergebnisse sind realitätsgetreuer. Wenlong Yang fasst zusammen: „Obwohl der Schallleistungspegel bei beiden Ansätzen gleich ist, wird deutlich, dass bei bestimmten Frequenzen und Standorten Unterschiede von bis zu vier Dezibel zu verzeichnen sind. Dies ist ein weiteres Argument dafür, dass bei der Entwicklung von AVAS-Lautsprechern die Schallrichtung entsprechend zu berücksichtigen ist.“

Mithilfe der Simulation gelang es Yang und dem GM-Team, eine Methodik zu entwickeln, welche die akustische Richtcharakteristik eines AVAS-Lautsprechers berücksichtigt und gleichzeitig die Robustheit des physischen Testaufbaus untersucht.

Mithilfe des neu entwickelten Prüfstands konnte man einen virtuellen Lautsprecher realisieren, der mit wesentlich einfacherer Geometrie alle grundlegenden Klangeigenschaften des realen Lautsprechers abbildet. Der virtuelle Lautsprecher wurde sowohl unabhängig als auch als Teil eines Gesamtfahrzeugmodells validiert.

Die Autorin Cornelia Thieme ist Manager Presales DACH der Hexagon-Division Manufacturing Intelligence.