Simulation de haut-parleur AVAS sur la base de tests

General Motors utilise Actran pour créer un modèle de haut-parleur AVAS plus simple hautement fidèle à la réalité

L’introduction de l’électrification ouvre une nouvelle ère pour les constructeurs automobiles, y compris General Motors (GM), comptant des millions de véhicules dans le monde entier. La nouvelle architecture du groupe motopropulseur affecte de nombreux aspects fondamentaux du véhicule et des systèmes supplémentaires doivent être conçus pour s’adapter aux caractéristiques uniques des véhicules électriques.

En termes de bruit, l’absence de moteur thermique interne rend les véhicules électriques extrêmement silencieux, à tel point que les piétons ou les autres usagers de la route ne peuvent pas percevoir leur présence assez rapidement, ce qui a des conséquences évidentes en matière de sécurité. Une réglementation de l’Union européenne a été mise en œuvre pour imposer l’utilisation de systèmes sonores qui avertissent les usagers de la route de la présence du véhicule électrique.

Les systèmes d’alerte sonore des véhicules (AVAS) doivent garantir la conformité aux réglementations en fournissant un niveau sonore minimum à des endroits spécifiques. Le système doit donc fournir un modèle de directivité approprié répondant aux exigences.

Les systèmes AVAS comprennent des haut-parleurs généralement placés à l’avant du véhicule. La simulation est utilisée pour concevoir les haut-parleurs et garantir leur validation, car elle permet d’obtenir des résultats rapides sans exiger la construction de nombreux prototypes. En outre, elle évite des surprises au moment du test, car le système a été minutieusement étudié.

Le haut-parleur est généralement de petite taille – il a un diamètre d’environ 100 mm – et présente des structures très élaborées sur sa grille. Par conséquent, il est difficile d’utiliser un modèle de haut-parleur complexe lors de l’évaluation de ses performances dans le véhicule, car le modèle nécessiterait de grandes ressources informatiques pour être étudié à de très hautes fréquences, en général 3,5 kHz. Au lieu de cela, des sources génériques telles que des monopoles remplacent le haut-parleur dans le modèle du véhicule, produisant une puissance acoustique rayonnée équivalente au haut-parleur réel. D’autre part, le haut-parleur génère un champ sonore avec un modèle de directivité évident qui ne peut pas être représenté avec précision par un monopole acoustique.

Wenlong Yang, ingénieur senior bruit et vibrations chez General Motors et responsable de l’étude, déclare : « Avec ce projet, nous avons mis au point une méthodologie pour prendre en compte le schéma de directivité acoustique d’un haut-parleur AVAS dans un modèle de véhicule complet et pour développer un modèle de haut-parleur virtuel ayant les mêmes propriétés sonores que le haut-parleur physique. »

Obtenir les bons résultats du premier coup

La méthodologie et le processus proposés peuvent être décomposés en 6 étapes :

1. Génération de résultats numériques pour optimiser les décisions concernant la configuration de test
2. Test du haut-parleur pour mesurer les niveaux de pression acoustique sur les microphones
3. Extraction des vibrations de surface simplifiées du haut-parleur pour l’intégration dans le modèle complet du véhicule
4. Utilisation des données de test pour valider le modèle numérique
5. Intégration du haut-parleur dans un modèle de véhicule complet

Fig. 1 : Organigramme du processus proposé.

Génération de données numériques pour optimiser les décisions relatives aux essais

Pour extraire les vibrations de surface, on utilise l’analyse pelliculaire inverse dans Actran. Cette technique permet d’identifier un modèle de vibration sur la base des résultats obtenus avec un certain nombre de microphones. Pour que ce modèle de vibration soit précis, le nombre de microphones doit être suffisant pour représenter complètement le modèle sonore dans le champ lointain, en particulier parce qu’il devient plus complexe à mesure que la fréquence augmente. GM a testé virtuellement divers nombres de microphones, allant de 38 à 371.

Fig. 2 : Champ sonore généré par l’utilisation de différents nombres de microphones.

L’entreprise a découvert que même si elle pouvait représenter le modèle de rayonnement à 1 mètre de distance à 3 kHz avec 76 microphones, les conditions variables des tests physiques nécessitaient la réalisation d’une étude de fiabilité. Wenlong Yang précise : « Les tests réels sont toujours entachés d’erreurs de mesure. Il peut y avoir des imprécisions dans la mesure des emplacements de microphone ainsi que dans la mesure de la pression acoustique sur chaque microphone, y compris l’amplitude et la phase. Nous voulions donc vérifier comment ces erreurs se produisent et, pour cela, nous avons ajouté des interférences artificielles aux données d’entrée. » Avec la simulation, cela était simple.

Trois facteurs d’influence ont été évalués : l’emplacement du microphone, l’amplitude de la pression acoustique et la phase de pression acoustique. L’équipe a constaté que si l’utilisation de 76 microphones permettait une bonne représentation du modèle à un endroit donné et dans des conditions spécifiques, ce nombre était insuffisant pour garantir la fiabilité nécessaire durant les essais physiques consécutifs. Cette phase exigerait environ 300 microphones.

Tests physiques et validation

La phase de test a été réalisée dans l’installation d’essai de GM. Le haut-parleur a été placé au centre d’un réseau de microphones et les résultats des mesures ont été comparés à la simulation à différents emplacements du microphone ainsi qu’en termes de puissance acoustique rayonnée.

Fig. 4 : Test acoustique du haut-parleur physique.

Fig. 5 : NPA pour les microphones à trois fréquences.

Dans l’ensemble, une très bonne corrélation est obtenue entre les mesures et la simulation pour tous les microphones, avec de très petites différences à de plus basses fréquences, qui deviennent légèrement plus importantes aux fréquences plus élevées sans toutefois affecter la qualité globale de la simulation. Un exemple de niveau de pression acoustique sur un microphone donné est illustré sur la Fig. 6.

Fig. 6 : NPA sur un microphone donné.

Après validation, les vibrations de surface peuvent être extraites à l’aide d’une analyse pelliculaire inverse basée sur les mesures physiques. Cela peut ensuite être intégré dans la simulation complète du modèle de véhicule, en remplaçant le modèle de haut-parleur par cette condition aux limites équivalente.

Fig. 7 : Modèles de vibrations de surface du haut-parleur virtuel.

Intégration du haut-parleur virtuel dans l’ensemble du véhicule

Les vibrations de surface extraites ont été introduites dans le modèle complet du véhicule comme condition d’accélération limite pour permettre à GM d’évaluer la performance du haut-parleur dans le cadre du système complet. Les résultats ont été évalués aux emplacements de trois microphones de régulation, où la fonction de transfert acoustique a été calculée. La fonction de transfert acoustique est définie comme différence entre la puissance de la source de champ libre et le niveau de pression acoustique au niveau du microphone.

Fig. 8 : Fonctions de transmission acoustique du haut-parleur aux emplacements extérieurs du véhicule.