Loudness scattering due to vibro-acoustic model variability

The use of numerical simulation in the design and evaluation of products performance is ever increasing. To a greater extent, such estimates are needed in a early design stage, when physical prototypes are not available. When dealing with vibro-acoustic models, known to be computationally expensive, a question remains, which is related to the accuracy of such models in view of the well-know variability inherent to the mass manufacturing production techniques. In addition, both academia and industry have recently realized the importance of actually listening to a products sound, either by measurements or by virtual sound synthesis, in order to assess its performance. In this work, the scatter of significant parameter variations on a simplified vehicle vibro-acoustic model is calculated on loudness metrics using Monte Carlo analysis. The mapping from the system parameters to sound quality metric is performed by a fully-coupled vibro-acoustic finite element model. Different loudness metrics are used, including overall sound pressure level expressed in dB and Specific Loudness in Sones. Sound quality equivalent sources are used to excite this model and the sound pressure level at the driver's head position is acquired to be evaluated according to sound quality metrics. No significant variation has been perceived when evaluating the system using regular sound pressure level expressed in in dB and dB(A). This happens because of the third-octave filters that averages the results under some frequency bands. On the other hand, Zwicker Loudness presents important variations, arguably, due to the masking effects

Active Sound Quality Control: Design Tools and Automotive Applications (Ontwerptools voor actieve controle van geluidskwaliteit)

Actieve controle is een potentiele oplossing om het hoofd te bieden aan de gestaag toenemende eisen voor ruisonderdrukking in de voertuigindustrie. Holte ruisonderdrukking, zoals die in vliegtuigcabines en voertuiginterieurs voorkomen, is een typisch voorbeeld. Niet alleen ruisonderdrukking wordt nagestreefd, echter ook een verbetering van de appreciatie van de geluidshinder door de inzittenden. De eerste eis is daarom de beoordeling van de controle-efficiëntie die de menselijke perceptie in acht moet nemen, bijvoorbeeld door middel van psycho-acoustische statistieken. Een volgende stap betreft het ontwerp van specifieke controleschema's voor geluidskwaliteitsverbetering. Dit proefschrift stelt simulatieprocedures voor, voor het ontwerp en de optimalisatie van een vibro-akoestische systeem en zijn geïntegreerde controllers. Met de hulp van een real-time motorgeluidsimulator en een proefmodel van een voertuig, wordt de evaluatie van de optimale controle op de prestaties, door middel van SQ maatstaven, beoordeeld. Experimentele validatie van passieve en optimale systemen, die de toegevoegde waarde van het voorgestelde ontwerpprocedure verklaart, wordt hier ook vermeld. Het is gebleken dat het gebruik van standaard controlestrategieën de geluidskwaliteit kan verbeteren, maar dit is niet altijd gegarandeerd. Een nieuwe actieve geluidskwaliteitscontroller wordt hier ook voorgesteld. Dit adaptieve systeem is niet alleen in staat harmonisch geselecteerde componenten van het storend geluid te verminderen, maar ook om deze te egaliseren. Resultaten tonen grote orde-niveau vermindering voor stationaire excitatie aan, waardoor een comfortabele marge voor egalisatie onstaat. Vanwege haar verbeterde convergentiesnelheid, kan ze omgaan met niet-stationaire storingen met een beperkt verlies aan performantie.Acknowledgements Abstract Beknopte Samenvatting Table of contents 1 Introduction 1.1 The research goals 1.2 Active control of noise and the mobility industry 1.2.1 Successful market applications of ANC 1.2.2 Active control in the automotive sector 1.2.3 Recent challenges in automotive sound control 1.3 Sound quality and active control 1.4 Requirements for smart-system development 1.5 Contributions 1.6 Thesis structure 1.7 Conclusions 2 A state-space modelling approach for active structural acoustic control Abstract 1. Introduction 2. Modelling Procedure 2.1 Vibro-acoustic modelling 2.2 Reduced State-Space formulation 2.3 SAP model 3. Results 3.1 Passive results 3.2 ASAC Simulation 4. Summary and Conclusions Acknowledgements References 3 Concurrent mechatronic design approach for active control of cavity noise Abstract 1. Introduction 2. Fully Coupled Vibro-Acoustic Modelling Approach 2.1. From vibro-acoustic FE to state-space formulation 2.2. Experimental Validation 2.3. Inclusion of sensor and actuators pairs (SAP) models 3. Concurrent Mechatronic Design of Active Systems 4. Conclusions and Future Work Acknowledgements Bibliography 4 Active sound quality control of engine induced cavity noise Abstract 1. Introduction 2. ASAC simulation scheme and experimental validation 2.1 From vibro-acoustic FE to state-space model 2.2 Control strategy: collocated velocity feedback 2.3 Passive and active system experimental validation 3. Sound quality assessment 3.1 Specific Loudness and Zwicker Loudness 3.2 Roughness and Modulation Index 4. Results 5. Conclusions Acknowledgements Bibliography 5 Active control of engine noise transmitted into cavities: simulation, experimental validation and sound quality assessment Abstract 1. Introduction 2. Control Strategies 3. ASAC simulation scheme 4. Experimental Validation 4.1 Feedback control 4.2 Adaptive feedforward control 5. Conclusions and Future Work Acknowledgements References 6 NEX-LMS: a novel adaptive control scheme for sound quality control Abstract 1. Introduction 2. Novel adaptive algorithm for sound quality control: NEX-LMS 3. Controller implementation 4. Results 5. Conclusions Acknowledgements Bibliography 7 Conclusions and future developments 7.1 Main achievements 7.2 General conclusions 7.3 Future developments Bibliography Curriculum Vitae List of Publicationsnrpages: 200status: publishe

Interaction between electrodynamic exciters and the structure under test in multiple input tests

Apresenta-se um estudo analítico e experimental do fenômeno de interação entre excitadores eletrodinâmicos e a estrutura em ensaios de vibração e discutem-se causas e efeitos desta interação na qualidade dos resultados obtidos. Inicialmente, realizam-se simulações numéricas que contemplam as características mecânicas e eletromagnéticas do excitador. Definido o modelo para o excitador, realizam-se simulações de teste com estruturas, dos quais obtêm-se as forças de entrada e funções de resposta em freqüência (FRFs) estimadas que serão comparadas às FRF reais da estrutura. Posteriormente, considera-se a inclusão de graus de liberdade rotacionais aos modelos do excitador e da estrutura. Finalmente, as simulações de testes com múltipla excitação têm como objetivo principal o de observar os fenômenos de queda de força de excitação e seus efeitos sobre as FRFs estimadas. Com os resultados experimentais verificam-se os principais fenômenos da interação excitador / estrutura observados nas simulações numéricas tais como a queda da força de excitação e a influência da dinâmica do conjunto excitador / amplificador na resposta da estrutura. Através dos resultados experimentais obtidos com uma viga metálica observam-se os principais efeitos previstos pelas simulações. Ainda, comparam-se as alterações nos dados obtidos com outros métodos de excitação tais como, martelo impulsivo e excitação em malha fechada. Testes realizados com diferentes estruturas, como um pneumático e um chassi tubular, vêem complementar os dados obtidos até então para excitação com um único excitador. Os testes realizados com a finalidade de validar os modelos que incluem graus de liberdade rotacionais mostram que tais grandezas não podem ser negligenciadas, principalmente no que se referem aos testes com excitação via base, em que o item de teste é montado diretamente sobre o excitador. Ainda, verificam-se os resultados obtidos com diversos estimadores de FRFs em ensaios com acréscimo de ruído aos sinais de entrada e saída. Os resultados experimentais realizados com dois excitadores mostram os mesmos efeitos observados nas simulações, em geral uma redução na queda da força de excitação e uma melhor distribuição de energia pela estrutura.An analytical and experimental study of the interaction between electrodynamic exciters and the structure under test is presented, and the causes and effects of this interaction on the obtained data quality are discussed. Initially, some numerical simulations are performed concerning the shaker\'s mechanical and electrical features. Once the shaker model is defined, some tests with structures were simulated in order to obtain the input forces and the estimated frequency response functions to be compared with the measured FRFs. Afterwards, the rotational degrees of freedom were included in the shaker and structure models. Ending this section, tests with multiple input forces were simulated. The experimental results confirm most of the phenomena observed in the simulation section, such as the input force drop-off and the influence of the shaker / power amplifier assembly on the structure\'s response. The tests conducted with a steal beam confirmed the effects predicted by the simulations. Therefore, these results are compared with others, obtained from alternative methods such as impact test and closed loop shaker tests. Tests with structures like a truck tyre and a tubular chassis complement the assessment of single input tests. The tests performed with the objective of validating the models considering rotational degrees of freedom show that these quantities cannot be neglected, mainly when base driven tests are concerned. Also, the efficiency of FRF estimators applied to shaker tests, in the presence of noise on the input and output channels is verified experimentally. The multiple input tests corroborate the effects observed in the simulations, in general, a reduction of the droopoff on the force and an improvement on the input energy distribution on the structure

Active control of noise in vehicles and its impact on sound quality

A crescente demanda por reduções nos níveis de ruído gerados por veículos, e, mais recentemente, pela melhoria na qualidade sonora, aliada às penalidades associadas ao espaço e peso das soluções passivas, sugerem o uso de técnicas de controle ativo de ruído. O projeto de sistemas ativos deve fazer parte do desenvolvimento de produto desde sua fase de concepção para que tais soluções sejam aplicadas em nível industrial. Portanto, propõem-se metodologias de simulação para o projeto de sistemas de controle de ruído. Modelos vibroacústicos em elementos finitos são reduzidos e formulados em espaço de estados para permitir a simulação do sistema em malha fechada. Os modelos envolvidos permitem a inclusão da dinâmica de sensores e atuadores para que o desempenho seja previsto de forma acurada. As vantagens do uso de simulação de sistema de controle de ruído, além da redução de custo e tempo de projeto, permite o desenvolvimento de sistemas ativos onde estrutura e controle são desenvolvidos de forma simultânea. O procedimento de simulação é validado experimentalmente, tanto para malha aberta quanto para malha fechada, com o uso de uma geometria simplificada de veículo. Graças à redução dos modelos originais, é possível utilizar técnicas de otimização, onde a interação entre a estrutura e o controle são considerados de forma simultânea, resultando em um sistema ativo com desempenho superior a sistemas desenvolvidos separadamente. Através dos resultados obtidos com a otimização observam-se os parâmetros conflitantes e as decisões de compromisso envolvendo o controle de transmissão de ruído em veículos. Demonstra-se, que um sistema de controle estrutural, descentralizado, de alimentação de velocidade, oferece praticidade de implementação e desempenho satisfatório. Finalmente, o impacto do controle ativo na percepção dos ocupantes é avaliado por meio de métricas objetivas de qualidade sonora, como tonalidade e nível de pressão sonora.The demands for improvement in sound quality and noise reduction generated by vehicles are steadily increasing, as are the penalties for space and weight of passive control solutions. This scenario suggests the use of active noise control. In order to bring active solutions to industrial level applications, the design of such systems should be part of the product development cycle. Therefore, methodologies for simulating and designing such active solutions are proposed. These models should allow the inclusion of sensors and actuators models, if accurate performance indexes are to be accessed. The challenge thus resides in deriving reasonable sized models that integrate structural, acoustical, and even sensor/actuator models in the controller algorithm simulation. The proposed modelling procedure coupe with this challenge, and besides the advantages on the cost and time reduction in the development phase, it allows the development of active systems with structure and controllers being designed concurrently. An experimental validation is performed using data obtained from simplified car geometry. Thanks to the reduced models, it is possible to run optimization routines in which the interaction of structure and control is considered, thus resulting in an improved system when compared to conventional stepwise procedure. The optimization results presented give some insights on the problem of designing active noise controllers for transmission loss in vehicles. It is shown that, a purely structural decentralized velocity feedback controller can offer both, easy practical implementation and satisfactory noise reduction. Also, the impact of the active control on the perceived noise reduction is evaluated with objective sound quality metrics, such as sound pressure level and specific loudness

Interaction between electrodynamic exciters and the structure under test in multiple input tests

Apresenta-se um estudo analítico e experimental do fenômeno de interação entre excitadores eletrodinâmicos e a estrutura em ensaios de vibração e discutem-se causas e efeitos desta interação na qualidade dos resultados obtidos. Inicialmente, realizam-se simulações numéricas que contemplam as características mecânicas e eletromagnéticas do excitador. Definido o modelo para o excitador, realizam-se simulações de teste com estruturas, dos quais obtêm-se as forças de entrada e funções de resposta em freqüência (FRFs) estimadas que serão comparadas às FRF reais da estrutura. Posteriormente, considera-se a inclusão de graus de liberdade rotacionais aos modelos do excitador e da estrutura. Finalmente, as simulações de testes com múltipla excitação têm como objetivo principal o de observar os fenômenos de queda de força de excitação e seus efeitos sobre as FRFs estimadas. Com os resultados experimentais verificam-se os principais fenômenos da interação excitador / estrutura observados nas simulações numéricas tais como a queda da força de excitação e a influência da dinâmica do conjunto excitador / amplificador na resposta da estrutura. Através dos resultados experimentais obtidos com uma viga metálica observam-se os principais efeitos previstos pelas simulações. Ainda, comparam-se as alterações nos dados obtidos com outros métodos de excitação tais como, martelo impulsivo e excitação em malha fechada. Testes realizados com diferentes estruturas, como um pneumático e um chassi tubular, vêem complementar os dados obtidos até então para excitação com um único excitador. Os testes realizados com a finalidade de validar os modelos que incluem graus de liberdade rotacionais mostram que tais grandezas não podem ser negligenciadas, principalmente no que se referem aos testes com excitação via base, em que o item de teste é montado diretamente sobre o excitador. Ainda, verificam-se os resultados obtidos com diversos estimadores de FRFs em ensaios com acréscimo de ruído aos sinais de entrada e saída. Os resultados experimentais realizados com dois excitadores mostram os mesmos efeitos observados nas simulações, em geral uma redução na queda da força de excitação e uma melhor distribuição de energia pela estrutura.An analytical and experimental study of the interaction between electrodynamic exciters and the structure under test is presented, and the causes and effects of this interaction on the obtained data quality are discussed. Initially, some numerical simulations are performed concerning the shaker\'s mechanical and electrical features. Once the shaker model is defined, some tests with structures were simulated in order to obtain the input forces and the estimated frequency response functions to be compared with the measured FRFs. Afterwards, the rotational degrees of freedom were included in the shaker and structure models. Ending this section, tests with multiple input forces were simulated. The experimental results confirm most of the phenomena observed in the simulation section, such as the input force drop-off and the influence of the shaker / power amplifier assembly on the structure\'s response. The tests conducted with a steal beam confirmed the effects predicted by the simulations. Therefore, these results are compared with others, obtained from alternative methods such as impact test and closed loop shaker tests. Tests with structures like a truck tyre and a tubular chassis complement the assessment of single input tests. The tests performed with the objective of validating the models considering rotational degrees of freedom show that these quantities cannot be neglected, mainly when base driven tests are concerned. Also, the efficiency of FRF estimators applied to shaker tests, in the presence of noise on the input and output channels is verified experimentally. The multiple input tests corroborate the effects observed in the simulations, in general, a reduction of the droopoff on the force and an improvement on the input energy distribution on the structure