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Akustiksimulation mit Fluid-Struktur-Interaktion (FSI)

Optimierung des Abstrahlverhaltens eines Studiolautsprechers

Akustiksimulation mit Fluid-Struktur-Interaktion (FSI)

Aufgabenstellung

Ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Studiolautsprechern (Nahfeldmonitor) ist das räumliche Abstrahlverhalten. Dieses wird als besonders gut empfunden, wenn die Lautsprecher eine möglichst gleichmäßige Charakteristik haben, und zwar über den gesamten Frequenzbereich, der abgedeckt werden soll.

Um dieses zu erreichen, muss neben der akustischen Ausbreitung in der Luft auch die Interaktion zwischen den Schalldruckwellen und dem Lautsprechergehäuse beachtet werden. Ziel der Simulation war es, den Einfluss der (nachgiebigen) Gehäusewände auf das Abstrahlverhalten der Lautsprecher zu ermitteln.

Lösung

Die Analyse der Abstrahlcharakteristik des Studiolautsprechers erfolgte mit ANSYS Mechanical. Dazu wurde zwischen Gehäuse und umgebender Luft eine Fluid-Struktur-Interaktion definiert, mit der die gegenseitige Beeinflussung realitätsnah abbildbar ist.

Damit die Modellgröße in gut handhabbaren Dimensionen verbleibt, wurde lediglich der maßgebliche Bereich der umgebenden Luft bei der Simulation berücksichtigt. Trotzdem konnte sich der Schall auf Grund der verwendeten Unendlichkeits-Randbedingungen ungehindert ausbreiten. Basierend auf dem Prinzip der äquivalenten Schallquellen ließen sich auch außerhalb des simulierten Modells die erforderlichen Auswertungen vornehmen.

Die Unterteilung in mehrere Frequenzbereiche und die Parametrisierung des Netzes sowie der umgebenden Luft reduzierten die Rechenzeiten. Eine weitere Beschleunigung ließ sich durch die gute Parallelisierbarkeit für den HPC-Einsatz (High Performance Computing) erreichen.

Nutzen für den Kunden

Die Simulationen führten zu einem besseren Verständnis der Interaktionen zwischen Gehäuse und umgebender Luft. Auf dieser Grundlage war eine effiziente Optimierung des Abstrahlverhaltens des Studiolautsprechers möglich, ohne Prototypen fertigen zu müssen.

Außerdem wurde gegenüber den bisherigen Messungen mit Prototypen ein höherer Informationsgehalt erzielt, da eine „raumumfassende“ Analyse der Schallausbreitung möglich war und nicht nur an einzelnen Punkten, gemessen wurde wie bei Mikrofonen. Folglich konnte in kurzer Zeit und mit überschaubarem Kostenaufwand eine hohe Produktqualität erreicht werden.

Anwendungsfall_Lautsprecher_Akustik_FSI.pdf

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