Utilisation du lancer de rayons acoustiques et du calcul sur GPU dans des applications automobiles

Les constructeurs automobiles, tant sur le segment luxe que grand public, rivalisent pour attirer les clients avec des fonctionnalités de pointe. Les fabricants vantent souvent les qualités sonores de leurs systèmes audio et haut-parleurs, ainsi que la praticité des équipements, tels que les capteurs de stationnement, afin d’inciter les clients à choisir le modèle le plus haut de gamme. Le logiciel COMSOL Multiphysics^® permet de développer et d’optimiser ces systèmes grâce au lancer de rayons acoustiques, qui peut être associé à des fonctionnalités d’analyse structurelle, électrique, de pression ou à d’autres fonctionnalités multiphysiques. De plus, COMSOL^® prend en charge l’accélération GPU, ce qui augmente considérablement l’efficacité de la modélisation.

Bip bip ! Regardez derrière vous

Le tutoriel Ultrasonic Car Parking Sensor calcule la réponse d’un transducteur de capteur, en couplant des éléments multiphysiques et plusieurs fonctionnalités de COMSOL Multiphysics^®. Dans ce modèle, vous résolvez d’abord un modèle avec la méthode des éléments finis (FEM) pour calculer la réponse spatiale du transducteur du capteur de stationnement. Ce sous-modèle FEM est une simulation détaillée du transducteur ultrasonore, comprenant les matériaux piézoélectriques et les éléments structurels du transducteur, ainsi que l’air environnant.

Le diagramme de rayonnement du transducteur (ses caractéristiques de source) est utilisé comme source pour modéliser ensuite l’émission des rayons pour un scénario de stationnement donné. Le couplage FEM vers Lancer de rayons peut être configuré à l’aide de la fonctionnalité Emission à partir du calcul du champ extérieur présente dans l’interface Lancer de rayons acoustique. Le modèle multiphysique du capteur de stationnement couple les interfaces Mécanique du solide, Electrostatique et Pression acoustique.

Les nouvelles voitures sont équipées de différents types de capteurs qui alertent les conducteurs de la présence d’objets derrière eux.

Dans le modèle, des rayons sont transmis depuis quatre émetteurs-récepteurs situés à l’arrière de la voiture afin de détecter un objet ou une surface derrière elle. Le modèle calcule le signal de réponse des récepteurs lorsque la voiture se trouve à un mètre de l’obstacle. La distance et la configuration peuvent être modifiées afin de tester différents scénarios de stationnement. Dans la première figure, le capteur analyse les trajectoires des rayons de tous les capteurs sources et récepteurs simulés. Dans la seconde, la palette de couleurs indique la puissance des rayons (le niveau acoustique) lorsque le son s’est propagé à une certaine distance du transducteur. Le rouge indique une puissance élevée.

A gauche: rayons reliant la source et les récepteurs; à droite: trajectoire de tous les rayons simulés.

Quatre récepteurs fonctionnant ensemble

Le signal global reçu peut être reconstruit manuellement en convoluant le signal d’entrée avec la réponse impulsionnelle discrète. Les données collectées par chaque récepteur individuellement constituent la détection complète du capteur. Les tableaux 1 à 4 sont inclus dans la documentation du tutoriel et correspondent aux récepteurs 1, 2, 3 et 4.

Les données des tableaux 1 à 4 présents dans la documentation du modèle sont utilisées pour reconstruire les signaux reçus.

Une approche hybride pour des résultats optimaux en matière d’acoustique de l’habitacle

L’acoustique de l’habitacle est un autre aspect important de la conception dans le domaine automobile. Le tutoriel Car Cabin Acoustics Using Hybrid FEM-Ray Source Coupling montre comment modéliser l’acoustique de l’habitacle d’une voiture à l’aide d’une approche hybride FEM-Lancer de rayons. Dans la géométrie de l’habitacle, le son est émis par un tweeter situé dans le tableau de bord de la voiture, près du pare-brise. Les haut-parleurs de cet exemple ne sont pas modélisés en détail, mais représentés par des paramètres Thiele–Small et couplés au domaine acoustique à l’aide de la condition Haut-parleur réduit, frontière. Le reste du modèle de voiture présente l’intérieur standard d’une berline: sièges en cuir, tapis, garniture de toit et surfaces dures. Ces caractéristiques sont modélisées à l’aide de coefficients d’absorption, d’impédance de surface et de modèles de matériaux.

Ce modèle utilise un sous-modèle basé sur la méthode des éléments finis (FEM) du haut-parleur et de son environnement immédiat pour résoudre une source réaliste en champ proche pour la propagation des rayons. Le couplage entre FEM et lancer de rayons est effectué sur une surface à l’aide de la fonctionnalité Emission à partir d’un champ de pression, qui prend en compte la distribution spatiale de la puissance et le vecteur d’intensité. Cela diffère de la méthode hybride “classique”, où la solution FEM en basse fréquence est concaténée à la solution pour les rayons en haute fréquence. Dans cet exemple, les deux méthodes sont combinées pour obtenir une description détaillée de la source. Dans le tutoriel, la méthode est comparée à la fois à une simulation FEM complète et à un modèle de lancer de rayons pur.

Un tweeter situé sur le tableau de bord diffuse des ondes sonores dans tout l’habitacle de la voiture.

La simulation de l’habitacle complet peut également être réalisée à l’aide d’une approche purement ondulatoire (en laissant de côté les hypothèses faites dans le lancer de rayons). Ces simulations peuvent être effectuées dans le domaine fréquentiel, comme le montre le tutoriel Car Cabin Acoustics — Frequency-Domain Analysis, ou dans le domaine temporel, comme le montre le tutoriel Car Cabin Acoustics — Transient Analysis. Nous examinerons plus en détail ce dernier modèle ci-dessous, dans le contexte des simulations accélérées par le calcul sur GPU.

Dans le modèle en domaine fréquentiel, les haut-parleurs sont à nouveau modélisés avec la condition aux limites Haut-parleur réduit, qui représente les haut-parleurs comme un circuit électrique équivalent avec des paramètres Thiele–Small spécifiés. Le modèle en domaine fréquentiel montre comment différentes stratégies de résolution peuvent être utilisées pour résoudre le modèle lorsque la fréquence augmente. À mesure que la fréquence augmente, la longueur d’onde diminue et un maillage plus fin est nécessaire pour le calcul. COMSOL Multiphysics^® comprend plusieurs méthodes itératives. Dans le cas de modèles très volumineux, un solveur sur mesure peut être configuré, comme le montre le tutoriel Car Cabin Acoustics — Iterative Solver Suggestion for Cubic Elements.

Coupler la FEM avec le lancer de rayons pour des modèles précis des sources

Comme mentionné ci-dessus, dans le tutoriel Car Cabin Acoustics Using Hybrid FEM-Ray Source Coupling, le composant qui lance des rayons comprend un sous-modèle local avec une approche ondulatoire, qui utilise les fonctionnalités Pression acoustique et Domaine fréquentiel. Ce sous-modèle est couplé avec les rayons émis à la surface de l’habitacle de la voiture à l’aide de la condition Emission à partir d’un champ de pression. Le vecteur de direction du rayon est automatiquement déterminé à partir de la solution FEM basée sur l’approche ondulatoire. La directivité de la source sera correcte et permettra d’obtenir des prévisions plus précises. La puissance du rayon est automatiquement donnée en répartissant la puissance totale rayonnée sur les rayons, pondérée par l’intensité locale.

Les sources acoustiques dans les voitures (dans ce cas de figure, le tweeter dans le tableau de bord) ne se comportent pas comme des sources ponctuelles classiques, comme celles que l’on trouve par exemple dans les salles de concert. Des phénomènes ondulatoires se produisent lorsque les sources interagissent avec leur environnement, comme l’intérieur de l’habitacle d’une voiture.

Un sous-modèle local avec une approche ondulatoire est couplé avec des rayons émis à l’aide de la fonctionnalité Emission à partir d’un champ de pression.

Concaténation de solutions obtenues à basses et hautes fréquences

Afin d’obtenir la réponse en fréquence sur toute la gamme, ou réponse impulsionnelle, la solution du modèle FEM avec les basses fréquences est combinée à la solution du lancer de rayons avec les hautes fréquences. Cette combinaison de solutions permet de calculer la réponse impulsionnelle à large bande. L’approche hybride avec concaténation est illustrée dans le tutoriel Car Cabin Acoustics – Broadband Impulse Response.

Des solutions hybrides FEM à basse fréquence et lancer de rayons à haute fréquence sont combinées pour obtenir une réponse impulsionnelle à large bande.

Augmentation de l’efficacité

La prise en charge du calcul sur GPU disponible avec le module Acoustics augmente significativement l’efficacité en réduisant considérablement le temps nécessaire à la résolution des modèles. Le tutoriel Car Cabin Acoustics — Transient Analysis montre comment inclure des données d’impédance des parois dépendant de la fréquence dans le domaine temporel. L’habitacle est excité par une impulsion de 1 000 Hz modulée selon une loi gaussienne. Il faudrait 19 heures pour résoudre ce modèle sur deux noeuds de cluster avec deux processus par noeud, en résolvant 30 périodes avec 49 millions de degrés de liberté (DOF). En utilisant la formulation accélérée sur un GPU, cela prend environ 1,5 heure (les résultats dépendent du matériel et du problème spécifique). Cela représente un gain de vitesse de 20 à 25 fois, ce qui améliore considérablement l’efficacité et permet d’économiser du temps et des ressources.

Répartition de la vitesse des particules dans l’habitacle d’une voiture avec une impulsion modulée gaussienne de 1 000 Hz.

À mesure que la technologie automobile continue d’évoluer, la combinaison de différentes méthodes telles que le lancer de rayons et la FEM aidera les équipes d’ingénierie et de développement à poursuivre l’optimisation des capteurs ultrasonores de stationnement et les systèmes audio des habitacles.

Prochaines étapes

• Testez les tutoriels Ultrasonic Car Parking Sensor et Car Cabin Acoustics — Frequency-Domain Analysis.
• Testez le tutoriel Car Cabin Acoustics Using Hybrid FEM-Ray Source Coupling.
• Pour en savoir plus sur l’approche de modélisation hybride présentée ici, consultez le tutoriel Modeling Room Acoustics Using Hybrid Pressure Acoustics and Ray-Tracing Methods.
• Testez l’approche basée sur les ondes dans le domaine temporel avec un GPU avec le tutoriel Car Cabin Acoustics — Transient Analysis.