Simulation akustischer Produkteigenschaften unter Nutzung der Virtual Reality während der Produktentwicklung

Husung, Stephan

In der Dissertation werden Grundlagen zur Nutzung der audio-visuellen VR in der Produktentwicklung erarbeitet. Damit die akustischen Produkteigenschaften technischer Systeme in der VR hörbar gemacht werden können, wird eine Repräsentation für diese Eigenschaften, verbunden mit der Gestaltbeschreibung, geschaffen. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen ist die Repräsentation der richtungsabhängigen Schallabstrahlung technischer Systeme im VR-Modell. Weiterhin werden Modelle entwickelt, die eine echtzeitfähige Simulation akustischer Produkteigenschaften auf der Körperschallebene ermöglichen. Hierfür wird eine komponentenweise Modellierung eingeführt. Durch eine generische Modellierung mit getrennter Datenhaltung und bereitstellung lassen sich die Parameter den Modellen effizient zuweisen. Für den Datenaustausch zwischen Simulations- und VR-Modell wird ein Kommunikationsserver entwickelt. Anhand eines Anwendungsbeispiels werden die Vorteile der parametrischen Modellbeschreibung erörtert.

This thesis is about the use of audio-visual Virtual Reality (VR) during the product development process. In order to represent acoustical information in the virtual product model the VR scene graph is enhanced by special sound-nodes which are linked to the struct ure and geometry information. Thus, a first evaluation of the acoustical product behaviour is possible by using empiric acoustic data, a component-wise representation in the scene graph, and interactive manipulation methods which allow for real-time adaptation of the sound field. Real components are characterised by a direction-dependent sound radiation. Therefore, two concepts for the representation of the directional characteristic of technical systems are developed using monopole-sources. The monopole-sources can be integrated directly into the scene graph. The concepts are evaluated by using examples. The main part of the thesis explains the real-time simulation of structure borne sound stimulation and transmission. A component-wise representation approach is introduced for efficient modelling. The component models can be connected to more complex technical systems via interfaces, implying effort and flow variables. Parametric, simplified models are developed for some stimulation mechanisms, which calculate the stimulation spectrum according to the design parameters of the product and its current state in real-time. In addition, measured sound spectra are used. The simulation of structure borne sound transmission is based on a four-pole approach. Different parameter identification methods for these four-poles are discussed. In order to simulate the acoustical product properties the current kinetic state of the technical system has to be known. For this purpose, state models are developed, which can be coupled with the acoustic models. For the real-time information exchange between simulation model and VR-model a communication server is developed. The simulation models and methods are evaluated via an application example. The example is also used to demonstrate the advantages of parametric modelling.

In der vorliegenden Arbeit werden Grundlagen zur Nutzung der audio-visuellen Virtual Reality (VR) in der Produktentwicklung erarbeitet. Damit die akustischen Produkteigenschaften technischer Systeme in der VR hörbar gemacht werden können, wird eine Repräsentation für diese Eigenschaften, verbunden mit der Gestaltbeschreibung, geschaffen. Unter Nutzung empirischer Daten, einer komponentenweisen Repräsentation im Szenengraph und einfacher Manipulationsmöglichkeiten zur Anpassung des Schallfeldes in Echtzeit können erste Bewertungen des akustischen Produktverhaltens durchgeführt werden. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen ist die Repräsentation der richtungsabhängigen Schallabstrahlung technischer Systeme im VR-Modell. Im Rahmen der Arbeit werden zwei indirekte Methoden zur Repräsentation der Richtcharakteristik durch räumlich verteilte Monopole erarbeitet, so dass sich die Repräsentation direkt in den VR-Szenengraph einbinden lässt. Die Methoden werden anhand konkreter Beispiele verifiziert. Im Hauptteil der Arbeit werden Modelle entwickelt, die eine echtzeitfähige Simulation akustischer Produkteigenschaften auf der Körperschallebene ermöglichen. Hierfür wird eine komponentenweise Modellierung eingeführt. Über Schnittstellen mit Potential- und Flussgrößen können die Komponentenmodelle zu komplexeren technischen Systemen zusammengesetzt werden. Für die Anregungssimulation werden für einzelne Anregungsmechanismen vereinfachte Modelle entwickelt, welche über Produktmerkmale parametrisiert werden und in Abhängigkeit von Zustandsparametern die Berechnung der Anregungsspektren in Echtzeit ermöglichen. Außerdem werden empirisch erfasste Körperschallspektren verwendet, welche über Kennfelder abgebildet werden. Zur Simulation der Körperschallübertragung werden Modelle entwickelt, welche auf dem Konzept der Vierpole beruhen. In der Arbeit werden unterschiedliche Methoden der Parameterbestimmung für die Vierpole erörtert. Die entwickelten Modelle werden als Signalflussmodelle implementiert. Durch die generische Modellierung der Vierpole mit getrennter Datenhaltung und -bereitstellung lassen sich die Vierpolparameter den Körperschallmodellen effizient zuweisen. Für die Durchführung einer Akustiksimulation muss eine Simulation des aktuellen Betriebszustandes eines technischen Systems vorgeschaltet werden, damit die veränderlichen Potential- und Flussgrößen als Eingangsgrößen für die Akustiksimulation in jedem Simulationsschritt vorhanden sind. Für den Datenaustausch zwischen Simulations- und VR-Modell wird ein Kommunikationsserver entwickelt. Anhand eines Anwendungsbeispiels werden die entwickelten Modelle validiert und die Vorteile der parametrischen Modellbeschreibung erörtert.

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Husung, Stephan: Simulation akustischer Produkteigenschaften unter Nutzung der Virtual Reality während der Produktentwicklung. Ilmenau 2012. Universitätsverlag Ilmenau.

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