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LMS SYSNOISE支持聲學(xué)傳感系統(tǒng)的優(yōu)化

作者: 時(shí)間:2014-01-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
當(dāng)您正駕駛汽車進(jìn)入一個(gè)狹小的停車空間時(shí),有一個(gè)友好的聲音在提醒您車前車后的障礙物。聲音頻率越快,就說明車離看不到的障礙物越近。這就是Valeo超聲波停車輔助系統(tǒng)的工作。此前,工程師花費(fèi)數(shù)月時(shí)間努力地調(diào)整車輛模型上安裝的系統(tǒng)以獲得多個(gè)高級汽車模型,現(xiàn)在Valeo已經(jīng)將其業(yè)務(wù)擴(kuò)展到小型貨車、運(yùn)動(dòng)型車輛(SUVs)和家庭車輛等市場。這些車輛的利潤空間很小,但其市場空間很大—是公司不斷增長的收入。但此策略也面臨著巨大的挑戰(zhàn):工程師在設(shè)計(jì)每個(gè)車輛模型的傳感器及其安裝上只能花費(fèi)少量時(shí)間。這正是聲學(xué)仿真的切入點(diǎn),可以使Valeo只需先前實(shí)物試驗(yàn)時(shí)間的一半即可開發(fā)出具有創(chuàng)新性的聲學(xué)設(shè)備。超聲波停車輔助系統(tǒng)正是Valeo從現(xiàn)在到未來在不同檢測和開關(guān)裝置的開發(fā)過程中,應(yīng)用仿真方法的產(chǎn)品戰(zhàn)略之一。這些檢測和開關(guān)裝置包括目前正在設(shè)計(jì)中的車窗開關(guān)裝置。

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在Valeo的超聲波停車輔助(UPA)設(shè)備的開發(fā)中使用聲學(xué)仿真是開關(guān)與傳感系統(tǒng)部門仿真經(jīng)理Richard Rapp博士的想法。Richard Rapp博士受雇于1997年,主要研究使用分析技術(shù)的方法,他所在的公司是當(dāng)今世界上在汽車交通傳感和警告系統(tǒng)方面的領(lǐng)先者,這些系統(tǒng)包括超聲波停車輔助設(shè)備、盲點(diǎn)檢測設(shè)備、車道啟動(dòng)警告和其它駕駛輔助設(shè)備。該公司是當(dāng)今世界上幾乎每個(gè)主要汽車公司的一級供應(yīng)商。Rapp博士說,他直接確定高效進(jìn)行開發(fā)工作的需求,以滿足有利于停車輔助設(shè)備市場的商業(yè)需求。“由于以前大量的工作都是通過對實(shí)物原型進(jìn)行許多試驗(yàn)來進(jìn)行的,因而使用仿真來加速這些傳感器及其安裝的開發(fā)是非常合適的,”他解釋到。

概念簡單,設(shè)計(jì)困難

超聲波停車輔助系統(tǒng)(UPA)非常簡單,就像蝙蝠和潛艇中的聲納系統(tǒng)一樣。通過40千赫的電信號激發(fā),安裝在汽車緩沖器上的壓電陶瓷膜就在其共振頻率上振動(dòng),并發(fā)射出一種聲波,該聲波可以通過車輛行駛道路上的物體反射回來?;夭軌蛲ㄟ^相同的隔膜檢測出來,它可以振動(dòng)并逆轉(zhuǎn)壓電過程-把聲波能量轉(zhuǎn)變成電信號。系統(tǒng)內(nèi)部電路可以跟蹤回波所用的時(shí)間,從而計(jì)算出汽車和物體之間的距離。

Rapp博士解釋說,在系統(tǒng)開發(fā)過程中,工程師必須設(shè)置發(fā)射聲波的幅值和方向以確保正確的操作?!斑^多的能量將會(huì)產(chǎn)生虛假的二次回波來迷惑系統(tǒng),”他說,“能量太少又不會(huì)產(chǎn)生反射而無法進(jìn)行檢測?!辈粌H如此,發(fā)射聲波還將在很大程度上受到傳感器在車輛緩沖器上的安裝方式的影響:安裝的凹進(jìn)深度、漏斗形安裝的開口角度、在緩沖器上的位置、和所有周圍部件的位置,例如牌照、散熱器護(hù)柵、拖車拴鉤、車飾和前懸。

解決這些很多實(shí)際問題需要相當(dāng)多的技術(shù)和時(shí)間。在采用仿真技術(shù)之前,工程師要花費(fèi)大量時(shí)間熔補(bǔ)緩沖器的實(shí)物原型和車身模型,直到他們找到一個(gè)適合的結(jié)構(gòu)。但不幸的是,車身的頻繁變動(dòng)迫使工程師一次又一次地重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)。并且很多質(zhì)量問題都是直到最后的試驗(yàn)階段才出現(xiàn)的,因此需要快速修改,不一定實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

連續(xù)虛擬過程鏈

為了克服這些問題,Rapp博士實(shí)施了這樣一個(gè)策略,即通過一種他稱為是“連續(xù)虛擬過程鏈”將這些問題移入到完全數(shù)字化開發(fā)流程中,這樣就可以通過虛擬原型和仿真使設(shè)計(jì)從概念進(jìn)入到最終的設(shè)計(jì)?!斑@個(gè)過程能夠幫助我們在開發(fā)初期開展更多的工程,以便研究更多的設(shè)計(jì)方案并在早期改進(jìn)這些設(shè)計(jì),而不是在開發(fā)周期結(jié)束時(shí)來彌補(bǔ)不足,” Rapp博士解釋道,“實(shí)物原型將僅僅用于設(shè)計(jì)的最終驗(yàn)證?!?

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半球形表面輸出結(jié)果(右邊)與顯示在兩個(gè)里面(中間)或曲線圖(左邊)
的輸出結(jié)果相比,可以使Valeo工程師對三維空間聲場的形態(tài)和強(qiáng)度具有更深的了解

連續(xù)虛擬過程鏈開始于ANSYS有限元軟件的模態(tài)分析,以確保傳感器隔膜共振頻率接近40千赫。接著,在ANSYS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算以確定振動(dòng)幅值大小。這些數(shù)據(jù)提供給 聲學(xué)模擬軟件,使用邊界元法計(jì)算表面壓力和傳感器產(chǎn)生的聲場。通過大量后處理選項(xiàng), 能夠提供各種輸出結(jié)果,包括聲壓的瞬態(tài)或頻率響應(yīng)函數(shù)、聲強(qiáng)、表面速度、彩色等高線圖、柱形統(tǒng)計(jì)圖表、和2維方向極坐標(biāo)圖。

通過Rapp博士的解釋,對于Valeo工程師最有價(jià)值的信息是一個(gè)半球形表面包絡(luò),它可以描述聲場的形態(tài)和強(qiáng)度。“ 提供了一個(gè)三維空間中聲場的精確表述方式。這使得我們的工程師對傳感器有所理解,這在以前是不可能的,”Rapp博士說道,“這種功能在評價(jià)傳感器安裝和周圍結(jié)構(gòu)的影響是特別有用的。我們需要在水平面上有寬闊的輻射,以覆蓋車后的整個(gè)范圍,還需要在垂直面上較小的輻射,以減少地面的反射。以前進(jìn)行實(shí)物模型研究包括很多試驗(yàn),如今我們的工程師了解產(chǎn)品的性能,并能在實(shí)物原型建好之前對設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)?!?

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