Simulation: Störgeräusche erkennen und beseitigen

Die Exa Corporation, ein Lösungsanbieter von Software für die Produktentwicklung, hat heute sein zum Patent angemeldetes FIND Modul (Flow-Induced Noise Detection = strömungsbasierte Geräuschortung) als Teil von Exa PowerACOUSTICS vorgestellt. Diese integrierte Lösung stellt einen entscheidenden Fortschritt innerhalb von Exas existierenden aeroakustischen Simulationsverfahren auf der Basis der numerischen Strömungsmechanik dar (Computational Fluid Dynamics, CFD), weil FIND den Ursprung von Geräuschen aufspürt, die von einer Luftströmung transportiert werden. Exa PowerFLOW gilt als wichtiges Produkt zur Simulation von Luftstrom-Akustik. Dennoch war es für Entwickler bisher schwierig, komplexe turbulente Strömungen gezielt im Hinblick auf akustisch vorteilhafte Konstruktionsverbesserungen an einem Produkt zu analysieren. Jetzt kann die FIND Software den Strömungsfluss in einer Konstruktion analysieren und die einzelnen Geräuschursachen nach ihrer Bedeutung ordnen. Damit gewinnen Entwickler einen bisher fehlenden Grad an Transparenz. Es ist sogar möglich, sich Geräusche vor und nach Konstruktionsveränderungen anzuhören, so dass sich die Wirkung geplanter Maßnahmen vorab akustisch bewerten lässt. Exa Lösungen versetzen Entwickler in die Lage, mögliche Problembereiche schon in einer sehr frühen Phase der Produktentstehung zu untersuchen. So lassen sich Konstruktionen bereits in einer digitalen Umgebung optimieren – lange bevor teure Prototypen gebaut werden, die zur Analyse kaum beitragen.

Für die Automobilbranche errechnet das FIND Modul innerhalb von Exa PowerACOUSTICS durch Strömung verursachte Geräusche, etwa im Bereich der Cockpit-Verglasung oder des Unterbodens, bei Klimaanlagen (Heating, Ventilation, Air Conditioning, HVAC) und bei Lüftergeräuschen. Auf der Basis eines zum Patent angemeldeten Verfahrens analysiert FIND die von Exa PowerACOUSTICS simulierte Luftströmung. Damit setzt FIND auf dem marktführenden Produkt für die Luftströmungsakustik auf und nutzt die schnellste sowie genaueste derzeit erhältliche Lösung. Wie bei allen PowerFLOW-Produkten gibt die Simulation transiente Zustände der realen Strömung wider und liefert damit eine akkurate Modellierung von Turbulenzen. Strömungsbedingte Geräuschquellen werden innerhalb des FIND Modells anschließend geortet und nach ihrer Intensität klassifiziert. Das funktioniert sogar, wenn diese Geräuschquellen von Turbulenzen überdeckt werden. Geräuschprobleme lassen sich auf diesem Weg genau lokalisieren und in ihrer Dringlichkeit bewerten. Mit anderen Exa Podukten lassen sich die Ergebnisse schnell, deutlich und auf der Basis der tatsächlichen Produktgeometrie dreidimensional darstellen. Für Entwickler und Entscheider werden die Ergebnisse sowie mögliche Maßnahmen zur Abhilfe somit gut erfassbar.

„Exa PowerFLOW prognostiziert exakt die aeroakustische Geräuschbildung, und PowerACOUSTICS FIND ermöglicht eine bisher nicht verfügbare Analyse von Geräuschquellen. Das versetzt Entwickler in die Lage, die Geräuschentwicklung gezielt durch konstruktive Maßnahmen zu dämpfen“, sagte Dr. Franck Pérot, Senior Director im Bereich Akustikanwendungen bei Exa. „Diese Funktion ist für aeroakustische Anwendungen in zahlreichen Branchen relevant. Dazu zählen Windgeräusche und HVAC Geräusche in Fahrzeugen, Fahrwerkgeräusche bei Flugzeugen oder Anwendungen in der Bahntechnik. FIND liefert unseren Kunden einen erheblichen zusätzlichen Nutzen, weil diese bahnbrechenden Analysemöglichkeiten bisher nirgendwo verfügbar waren.“

Zusammenarbeit mit BMW

Geräusche, die vom HVAC System verursacht werden, gehören zu den häufigen Beschwerden seitens der Autofahrer. In enger Zusammenarbeit mit Exa hat die BMW Gruppe bereits komplette Klimatisierungssysteme mit dem neuen FIND Modul aeroakustisch untersucht und bewertet. Zuvor hatte BMW festgestellt, dass die Strömungsanalyse einzelner Komponenten, etwa Luftführungen oder Lüfter, nur unvollständige Aussagen über das akustische Verhalten des Gesamtsystems erlaubt. Schlimmer noch hatte sich gezeigt, dass die Geräuschbildung eines Subsystems für sich genommen irreführend sein kann als Entscheidungsgrundlage, wo optimiert werden sollte.

„Ursprünglich haben wir PowerFLOW und PowerACOUSTICS FIND bei der BMW 7er Reihe und beim Rolls Royce Phantom eingesetzt“, sagte Dr.-Ing. Michael Spickenreuther, Gruppenleiter Entwicklung Gesamtfahrzeug bei der BMW Gruppe. „Die Geräuschortungsfunktion hat sich als derart nützlich erwiesen, dass wir FIND jetzt quer über alle unsere Plattformen einsetzen. FIND ermöglicht es uns, leisere Fahrzeuge zu entwickeln.“

Durch den Einsatz der transienten Simulation mit PowerFLOW als Grundlage für die Analyse kompletter Klimatisierungssysteme, konnten BMW Entwickler nicht nur nachverfolgen, wo Geräusche entstehen sondern auch, wie sie sich von ihrem Entstehungsort durch das Fahrzeug fortpflanzen, bis sie an das Ohr der Fahrzeuginsassen dringen. Das neue FIND Modul vertiefte das Verständnis der Vorgänge durch Ortung, Bewertung und Klassifizierung der akustischen Effekte. Damit entsteht eine komplexere und genauere Sicht darauf, wo geräuschmindernde Verbesserungen im System vorgenommen werden können. Insgesamt kam BMW zu dem Ergebnis, dass das Werkzeug eine effiziente Optimierung der HVAC Akustik in der frühesten Phase der Entwicklung ermöglicht. BMW hat diese Aktivitäten in einem Aufsatz mit dem Titel „Acoustic Source Detection for Climate Systems via Computational Fluid Dynamics for Improved Cabin Comfort“ veröffentlicht und als Vortrag auf der 3. Internationalen ATZ-Fachtagung Automotive Acoustics Conference in Zürich (Schweiz) präsentiert.

 

Bild: HVAC Volumenvisualisierung von strömungsbasierten Geräuschquellen anhand des zum Patent angemeldeten FIND Modules der Exa PowerACOUSTICS Software.
 

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