Interior sound field characterization of automotive cabins by means of Acoustic Modal Analysis and Automatic Microphone Localization

Nowadays, the automotive industry is asked to fulfil ever more demanding requirements for noise reduction and passenger comfort. Design engineers are asked to face the big challenge of reducing in-vehicle noise and improving passengers’ acoustic experience by keeping the intervention costs to a minimum. It is clear that the adoption of a numerical method to perform vibration and acoustic analyses is attracting increasing attention because of its merits in saving costs and time. Nevertheless, it is obvious that the effectiveness of this approach greatly depends on the accuracy of the predictions made using such models. So, in order to guarantee reliable simulations of the interior sound field of a vehicle cabin, experimental Acoustic Modal Analysis (AMA) can be considered a “must-be-performed” step, since it allows for validation and updating of these numerical models, and improvement of the overall modelling know-how. By means of this testing technique, modal parameter estimation methods decompose the system behaviour into a set of individual resonance phenomena, each characterized by a resonance frequency, damping ratio, participation factor and mode shape. AMA is already well integrated in the product development process, but still today is one of the most demanding and challenging analyses, calling for novel solutions which aim at expediting the full testing process and providing accurate results. In this thesis, the particular AMA challenges, which range from the arrangement of the experimental setup to the post-processing analysis, are addressed and different solutions to face them have been developed and proposed. An AMA test can indeed easily consist of hundreds of degrees of freedom, particularly when the results are used for validating and updating finite element (FE) models, or, more generally, for having a good description of the mode shapes. Determining the exact location of so many sensors by hand would be extremely cumbersome. Hence, automatic techniques would be essential for drastically reducing the setup time and localizing microphones in a smarter way. For this purpose, a fast, accurate and cost-effective method to automatically localize microphones in a car cabin has been developed and implemented. A further challenge is represented by the high modal damping ratios typical in fully-trimmed cars resulting in highly overlapping modes with complex mode shapes. It has been observed that, due to the high damping, too few sources do not allow for correct identification of the mode shapes as exciter- location-dependent mode shape distortions are clearly visible. Thus, multiple references need to be used to improve the estimation of the model. Nevertheless, as observed in the literature, it is quite challenging for classical modal parameter estimation methods, to curve-fit an FRF matrix with so many columns. Therefore, the maximum likelihood modal model-based estimator, which has been proven to be more suited for this kind of data, has been employed and compared with a more traditional modal parameters identification method. Furthermore, a deeper insight into the nature of the mode shape distortion, experienced when dealing with highly damped systems, is provided.

Al giorno d’oggi, si richiede all'industria automobilistica di soddisfare requisiti sempre più esigenti per la riduzione del rumore e il comfort dei passeggeri. I progettisti devono quindi affrontare la non banale sfida di ridurre il rumore in veicolo e migliorare l'esperienza acustica dei passeggeri mantenendo al minimo i costi d'intervento. È chiaro che l'adozione di un metodo numerico per la simulazione di vibrazioni e analisi acustiche sta attirando un'attenzione crescente dato il non trascurabile risparmio dei costi e tempo. Tuttavia, è ovvio che l'efficacia di questo approccio dipende dall'accuratezza delle previsioni fatte usando tali modelli numerici. Al fine di garantire simulazioni affidabili del campo acustico di una cabina di un veicolo, l'analisi modale acustica sperimentale può essere considerata oggi come necessaria per la validazione e l'aggiornamento di tali modelli numerici, e, più in generale, per il miglioramento del “know-how” globale. Nell’analisi modale, i metodi di stima dei parametri modali decompongono il comportamento del sistema in un insieme di fenomeni di risonanza, ognuno caratterizzato da una frequenza di risonanza, rapporto di smorzamento, fattore di partecipazione e forma modale. L’analisi modale acustica è già ben integrata nel processo di sviluppo del prodotto, ma ancora oggi è una delle analisi più impegnative, che richiede soluzioni innovative miranti ad accelerare il complete processo sperimentale e fornire risultati accurati. In questa tesi sono state affrontate le particolari sfide di questa analisi, che vanno dalla disposizione del “set-up”, al “post-processing”, e sono state sviluppate e proposte diverse soluzioni per affrontarle. Un test di analisi modal acutstica può consistere facilmente di centinaia di gradi di libertà, in particolare quando i risultati vengono utilizzati per la validazione e l'aggiornamento dei modelli di elementi finiti o, più in generale, per avere una buona descrizione delle forme mdoali. Determinare l'esatta posizione di tali sensori a mano sarebbe estremamente difficile. Tecniche automatiche sarebbero quindi essenziali per ridurre drasticamente il tempo di installazione e localizzazione dei microfoni. A tal fine, è stato sviluppato e implementato un metodo veloce, preciso e a basso costo per localizzare automaticamente i microfoni in una cabina di auto. Un’ulteriore sfida è rappresentata dai rapporti di smorzamento modali estremament elevati tipici delle vetture automobilistiche “fully-trimmed”, con conseguente sovrapposizione modale e forme modali molto complesse. È stato infatti osservato che, a causa dell'alto smorzamento, poche sorgenti non consentono una corretta identificazione delle forme modali in quanto distorsioni della forma del modo di eccitazione sono evidenti. È pertanto necessario utilizzare più sorgenti di riferimento per migliorare la stima del modello. Tuttavia, come osservato in letteratura, i metodi classici di stima dei parametri modali falliscono quando la matrice delle funzioni di risposta in frequenza consiste di tante colonne. Al fine di risolvere questo problema, sono stati impiegati nuovi stimatori che si sono dimostrato più adatti a questo tipo di dati. Inoltre, in questa tesi, si spiega in dettaglio la natura della distorsione della forma modale che si riscontra in sistemi altamente smorzati.