Das Shanghai Automotive Wind Tunnel Center der Tongji-Universität (Tongji-SAWTC) war der erste aeroakustische Fahrzeug-Windkanal in China. Es ist weltweit in diesem Fachgebiet anerkannt und unterstützt die Automobilindustrie seit 2009 – mittlerweile seit über 15 Jahren.
Im Jahr 2013 stellte gfai tech Tongji-SAWTC ihre erste Acoustic Camera zur Verfügung – ein hochentwickeltes, maßgeschneidertes System mit einer einzelnen Anordnung von 120 Mikrofonen. Wir fühlten uns geehrt durch ihr Vertrauen und freuen uns, erneut ausgewählt worden zu sein, um ein hochmodernes 3D-Windkanalsystem zu liefern. Dies stellt sicher, dass die Einrichtungen weiterhin an der Spitze der technologischen Entwicklung bleiben.
Dieser Artikel beleuchtet einige der wichtigsten Aspekte dieses Projekts.
Da jeder Windkanal einzigartige Eigenschaften aufweist – von unterschiedlichen Größen und Windgeschwindigkeiten bis hin zu spezifischen Schichtströmungsdynamiken – war die Entwicklung des 3D-akustischen Kartierungssystems für Tongji-SAWTC ein hochgradig kooperativer Prozess.
Bei gfai tech wissen wir, dass ein One-Size-Fits-All-Ansatz nicht ausreicht. Deshalb haben wir mehrere Komponenten des Systems individuell angepasst – sowohl in der Hardware als auch in der Software. In enger Zusammenarbeit mit dem Kunden stellten wir sicher, dass alle Projektanforderungen und Zielvorgaben erfüllt wurden und das System termingerecht geliefert werden konnte.
Drei Mikrofon-Arrays wurden speziell für dieses Projekt entwickelt. Jedes Array besteht aus 168 optimal verteilten Mikrofonen. Faktoren wie die Größe des Windkanals, die gewünschte Messentfernung und die Bedeutung unterschiedlicher Frequenzbereiche wurden sorgfältig berücksichtigt. Zusätzlich verwendete unser Team firmeneigene Algorithmen, um die optimale Mikrofonverteilung zu bestimmen.
Die Arrays wurden so konzipiert, dass sie einfach an der Tragstruktur befestigt und wieder entfernt werden können. Sie sind zudem transportierbar, mit Rollen ausgestattet und lassen sich für den einfachen Transport und die platzsparende Lagerung zusammenklappen. Darüber hinaus verfügt die Traverse selbst über einen Transportmechanismus, der es ermöglicht, sie hinter die Düse des Windkanals zu bewegen, ohne die Arrays zu demontieren. Dies schafft Platz im Testbereich für andere Messungen.
Die Signale der 504 Mikrofone werden synchronisiert mit einer außergewöhnlichen Abtastrate von bis zu 192 kHz von den leistungsstarken Datenaufzeichnungsgeräten von gfai erfasst. Die digitalisierten Audiodaten sowie die Signale der Videokameras werden anschließend zuverlässig über ein dediziertes Netzwerk an den Hochleistungsrechner im Kontrollraum übertragen.
Das Acoustic Camera System ermöglicht die Berechnung von akustischen Karten über die äußere Hülle eines Testfahrzeugs, basierend auf dessen CAD-Modell. Der erste Schritt hierfür ist die präzise Bestimmung der Position und Ausrichtung des Fahrzeugs in Bezug auf die Mikrofon-Arrays. Um diesen Prozess bei Tongji-SAWTC effizient zu gestalten, haben wir ein hochmodernes und äußerst präzises 3D-Laserscanning- und automatisches Modellanpassungssystem integriert.
Dieser Vorgang erfolgt, nachdem das Fahrzeug die Testsektion des Windkanals betreten hat und sicher auf dem großflächigen Drehteller fixiert wurde. Mit jeder Änderung des Gierwinkels – also des Winkels zwischen der Windrichtung und der Längsachse des Fahrzeugs – scannt das System die Szene und passt das vorab geladene CAD-Modell automatisch an. Dadurch wird sichergestellt, dass das Modell exakt mit der aktuellen Position und Orientierung des Fahrzeugs auf dem Prüfstand übereinstimmt.
Das integrierte System automatisiert nicht nur eine ansonsten zeitaufwändige Aufgabe, die mit jeder Drehung des Drehtellers und jedem neuen Fahrzeugwechsel anfallen würde, sondern ermöglicht auch noch präzisere akustische Kartierungen. Dies liegt daran, dass durch die Verwendung von CAD-Modellen die Distanzen zwischen den Mikrofon-Arrays und jedem Berechnungspunkt auf den Fahrzeugoberflächen exakt bestimmt werden. Diese Daten werden dann vom 3D-WindTunnel-Modul unserer NoiseImage-Software berücksichtigt.
Das Herzstück des Systems ist eine Reihe fortschrittlicher Software, die speziell für die Anforderungen des Tongji-SAWTC ausgewählt wurde.
Mit dem NoiseImage Controller von Gfai können die Bediener den gesamten Datenerfassungsprozess überwachen und verwalten, einschließlich des reibungslosen Informationsaustauschs mit dem Modellanpassungssystem, und gleichzeitig die Speicherung großer Datenmengen effizient handhaben.
Sobald die Daten erfasst sind, was nur wenige Sekunden dauert, werden sie mit unserer NoiseImage-Software und ihrem speziellen WindTunnel-Modul verarbeitet und analysiert. In dieser Phase ist der Einsatz von gfai's fortschrittlichem Algorithmusmodul für NoiseImage von entscheidender Bedeutung für Windkanalmessungen, da es die Herausforderung meistert, mehrere Geräuschquellen mit unterschiedlichen Schalldruckpegeln zu lokalisieren, die von verschiedenen Teilen des Fahrzeugs ausgehen. Dieser Verarbeitungsschritt kann außerhalb des Windkanals durchgeführt werden, so dass er für weitere Messungen verfügbar bleibt. Da die effektive Nutzung der Zeit im Windkanal ein kritischer Aspekt ist, sind sowohl der gesamte Kurzzeitmessprozess als auch die Möglichkeit, die Daten extern nachzubearbeiten, unerlässlich.
Nach der Fertigstellung des Designs baute unser Produktionsteam das System vom Mikrofonarray bis zu den Datenerfassungsgeräten mit viel Liebe zum Detail zusammen. Nach Abschluss der Montage wurde das gesamte System in unserem Berliner Werk einer vorläufigen Kalibrierung und einem Funktionstest unterzogen, um die volle Funktionalität vor dem Versand sicherzustellen.
Das fertiggestellte Acoustic Camera System wurde sorgfältig in maßgeschneiderten Transportkisten verpackt und nach Shanghai transportiert, wo unser Team die Installation und Kalibrierung überwachte.
Innerhalb von weniger als zwei Wochen vor Ort haben wir das System mit höchster Präzision montiert und installiert, wobei wir eine Reihe von Prozessen mit größter Sorgfalt durchführten, darunter:
Nach Abschluss der Installation und finalen Anpassungen führte unser Team eine umfassende Schulung für das Personal von Tongji-SAWTC durch, die sowohl die Hardware als auch die Software umfasste.
Unterstützt durch detaillierte Dokumentationen wurde das System schließlich von Tongji-SAWTC gemäß dem festgelegten Protokoll erfolgreich abgenommen und freigegeben.
Der durch aeroakustische Phänomene erzeugte Lärm kann mit den in das Acoustic Camera System von gfai integrierten Werkzeugen aus verschiedenen Perspektiven analysiert und bewertet werden.
Durch akustische Karten – die auf hochauflösende Mikrofon-Arrays, fortschrittliche Signalverarbeitungsalgorithmen und umfassende Software-Tools zurückgreifen – können die Operatoren, Ingenieure und Forscher von Tongji-SAWTC aeroakustische Geräuschquellen in verschiedenen Frequenzbereichen detailliert visualisieren und analysieren.
Bei höheren Geschwindigkeiten wird der Komfort von Fahrern und Passagieren maßgeblich durch Windgeräusche beeinflusst. Daher ist die Identifikation und Reduzierung aeroakustischer Geräuschquellen von besonderer Bedeutung. Darüber hinaus weisen die lauteren Geräuschquellen häufig auch auf Bereiche mit erhöhtem Luftwiderstand hin – die Widerstandskraft, die ein Fahrzeug beim Bewegen durch die Luft erfährt. Somit können die akustischen Karten auch zur Unterstützung der aerodynamischen Analyse herangezogen werden.
Der Luftwiderstand spielt beispielsweise eine zentrale Rolle für die Fahrzeugleistung, insbesondere für die Kraftstoffeffizienz.
Es ist zudem möglich, den Schalldruckpegel einer spezifischen Geräuschquelle oder mehrerer Quellen innerhalb eines Bereichs der akustischen Karte detailliert zu untersuchen sowie die Bandbreite des von ihnen erzeugten Geräuschs zu analysieren. Diese Daten ermöglichen einen effektiven Vergleich und eine Optimierung der Form und Konstruktion verschiedener Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise der Außenspiegel.
Dank der drei hochauflösenden Mikrofon-Arrays können Fahrzeuge bei Tongji-SAWTC aus mehreren Perspektiven bewertet werden. Pfeifartige oder tonale Geräusche, die durch Windturbulenzen entstehen, sowie Breitbandgeräusche aufgrund von Oberflächenrauigkeit, werden schnell identifiziert und ihre spektralen Eigenschaften analysiert.
Für aeroakustische Ingenieure und Spezialisten kann das direkte Hören der vom Fahrzeug erzeugten Geräusche und die Nutzung ihrer subjektiven Eindrücke wertvolle Erkenntnisse liefern. Bei Tongji-SAWTC ist dies nun nicht nur durch das Betreten der Testsektion möglich – was oft Einschränkungen mit sich bringt – sondern auch mithilfe des Acoustic Camera Systems.
Die NoiseImage-Software und ihre leistungsstarken Werkzeuge ermöglichen es, eine bestimmte Position auf der akustischen Karte auszuwählen und den Schall gezielt aus dieser Richtung zu hören – wie im folgenden Beispiel gezeigt.
Dies sind nur einige Beispiele für die Messungen und Ergebnisse, die das System liefern kann.
Mit dem neuen System hat Tongji-SAWTC einen bedeutenden Meilenstein erreicht und gleichzeitig die Flexibilität bewahrt, ihre Hardware- und Software-Fähigkeiten jederzeit zu erweitern. Beispielsweise:
Erweiterung durch ein Sphere-Array wie das Sphere48 AC Pro, das im Fahrzeuginnenraum platziert werden kann. Dadurch können interne und externe Messungen gleichzeitig durchgeführt werden. Diese Fähigkeit ermöglicht die Korrelation interner und externer Geräuschquellen und liefert wertvolle Erkenntnisse darüber, welche Geräuschquellen den Komfort der Fahrzeuginsassen am stärksten beeinflussen.
A/B-Tests können problemlos mit der NoiseImage Conclusions-Software durchgeführt werden – einem spezialisierten Tool, das den Vergleich von Produktdesigns vereinfacht.
Die NoiseImage Controller-Software kann mit dem Windkanal-Betriebssystem integriert werden, um eine Echtzeitkommunikation und Datenübertragung zu ermöglichen – z. B. von Windgeschwindigkeit und Temperatur – und somit einen noch effizienteren Arbeitsablauf zu gewährleisten.
Die Kombination aus Hardware und Software bleibt dabei flexibel und kann an die individuellen Bedürfnisse, Prioritäten und das Budget jedes Kunden angepasst werden.
Die Zusammenarbeit mit unseren Kunden an maßgeschneiderten Projekten ist eine der zentralen Stärken von gfai tech. Neben der Bereitstellung vorgefertigter Produkte für akustische Messungen und strukturdynamische Analysen sind wir darauf spezialisiert, individuelle Lösungen zu entwickeln.
Als führendes Unternehmen im Bereich der aeroakustischen Messungen in Windkanälen hat sich unsere Acoustic Camera als wertvolles Werkzeug für F&E-Ingenieure bewährt. Sie unterstützt dabei, Geräusche zu verstehen und zu reduzieren. Ihre Vielseitigkeit geht jedoch über den Automobilsektor hinaus und macht sie zu einer bedeutenden Lösung für zahlreiche Branchen.
Wir bedanken uns herzlich beim Tongji-SAWTC-Team für ihr anhaltendes Vertrauen in unser Unternehmen und unsere Produkte.
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