“Actran的仿真結(jié)果提供了比實(shí)驗(yàn)測(cè)試更全面的信息，這些信息可以幫助現(xiàn)代工程師快速的迭代優(yōu)化方案，相比利用傳統(tǒng)的制造樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試的方法節(jié)省一半的時(shí)間。
——現(xiàn)代汽車(chē)高級(jí)研發(fā)工程師 Jinmo Lee
行業(yè)挑戰(zhàn)
電動(dòng)汽車(chē)在中速或高速行駛時(shí)，可聽(tīng)到的外部噪聲僅僅由風(fēng)阻或胎噪產(chǎn)生。因此，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于行人和自行車(chē)而言存在安全威脅，特別是視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)有損傷的人或者在聽(tīng)耳機(jī)的人。美國(guó)和歐盟已經(jīng)提出了相關(guān)的法規(guī)要求新出廠的電動(dòng)汽車(chē)在低速行駛時(shí)必須發(fā)出可被聽(tīng)到的聲音。這些法規(guī)對(duì)于警報(bào)聲音的大小和頻率范圍有不同的要求。
近些年，現(xiàn)代汽車(chē)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出主動(dòng)行人警報(bào)系統(tǒng)（APAS）。此系統(tǒng)利用聲音聚焦技術(shù)可僅對(duì)處于危險(xiǎn)中的行人定向發(fā)聲。現(xiàn)在的APAS系統(tǒng)使用駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）攝像頭和定向發(fā)聲設(shè)備， 同時(shí)降低城市噪聲污染問(wèn)題。在設(shè)計(jì)APAS時(shí)，現(xiàn)代汽車(chē)工程師必須考慮既滿(mǎn)足法規(guī)要求，又能對(duì)行人提供足夠的警示音效果，同時(shí)還要避免發(fā)出多余的聲音引起車(chē)內(nèi)人員的不適感。
現(xiàn)代汽車(chē)主動(dòng)行人警報(bào)系統(tǒng)
在過(guò)去，設(shè)計(jì)中考慮聲音問(wèn)題時(shí)，現(xiàn)代工程師依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)評(píng)估各種設(shè)計(jì)方法。這必須制造每一種設(shè)計(jì)方案的物理樣機(jī)，耗費(fèi)一到兩個(gè)月的時(shí)間。物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┑臄?shù)據(jù)也是有限的。“采用物理實(shí)驗(yàn)，我們僅僅能夠測(cè)量各個(gè)位置的聲音大小， 我們不得不猜測(cè)聲音產(chǎn)生和傳播的機(jī)理”，Jinmo Lee說(shuō)道，“這對(duì)于改進(jìn)設(shè)計(jì)方案來(lái)說(shuō)很困難”。
MSC 解決方案
1) APAS模擬
現(xiàn)代工程師利用MSC Actran軟件模擬喇叭， 使用喇叭制造商提供的規(guī)格單中的Thiele/Small(T/S)參數(shù)進(jìn)行建模，并將其與模擬喇叭內(nèi)部腔體和外部的聲輻射空間的有限單元模型進(jìn)行耦合。Actran計(jì)算6000Hz以下車(chē)輛區(qū)域的聲壓和聲阻抗。
喇叭的聲學(xué)有限元模型
2) 使用仿真結(jié)果優(yōu)化喇叭設(shè)計(jì)
現(xiàn)代通過(guò)Actran進(jìn)行一系列參數(shù)研究，尋找各主要設(shè)計(jì)變量對(duì)聲場(chǎng)的影響。歐盟和美國(guó)法規(guī)要 求，在1600Hz以下和800Hz以下至少分別發(fā)出一個(gè)頻率的警報(bào)聲音。APAS喇叭的驅(qū)動(dòng)單元很小， 因此滿(mǎn)足低頻聲音要求比較困難。同時(shí)實(shí)驗(yàn)分析顯示，在400Hz以下的一個(gè)頻率可以較明顯的傳遞到乘客艙，這影響了乘客的舒適感。接下來(lái)工程師 在喇叭上加入背腔設(shè)計(jì)，并做了數(shù)值仿真，通過(guò) 掃頻分析發(fā)現(xiàn)此時(shí)聲阻抗頻率從400Hz改變到490Hz，這一改變既可以滿(mǎn)足法規(guī)要求，同時(shí)也保證了成員的舒適性。
喇叭的背腔對(duì)頻譜特性的影響
聲波導(dǎo)管可以保護(hù)喇叭不受環(huán)境中水汽的影 響，而且在聲音調(diào)校方面起到重要作用。工程師使用Actran管道聲場(chǎng)仿真技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)管的設(shè)計(jì)以加強(qiáng)中頻1500Hz聲音傳播。同時(shí)喇叭內(nèi)部覆蓋件和驅(qū)動(dòng)單元之間的空間得到優(yōu)化，以加強(qiáng)4400Hz附近的聲壓級(jí)。
聲波導(dǎo)管對(duì)頻譜特性的影響
工程師在仿真中對(duì)保險(xiǎn)杠上喇叭安裝的垂直 位置進(jìn)行研究，考慮車(chē)的前部形狀和地面的影 響。仿真結(jié)果顯示，最低的安裝位置呈現(xiàn)最好的警示聲場(chǎng)效果，既提供了更高的聲壓級(jí)，又提供相對(duì)平緩的頻譜表現(xiàn)。仿真也顯示出最低位置可以將地面帶來(lái)的聲波相消干涉降到最小。
三種可能的喇叭陣列安裝位置
仿真結(jié)果及測(cè)試對(duì)標(biāo)
工程師對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，使用1V的正弦掃頻信號(hào)進(jìn)行喇叭實(shí)驗(yàn)和仿真。如上圖所示，仿真得到的喇叭1米遠(yuǎn)處聲場(chǎng)頻譜與物理實(shí)驗(yàn)完美匹配。
喇叭測(cè)試和仿真對(duì)比
現(xiàn)代工程師使用Actran優(yōu)化揚(yáng)聲器腔體和管道的中的聲學(xué)共鳴，可以使喇叭設(shè)計(jì)中的低、中、高頻聲場(chǎng)特性均滿(mǎn)足美國(guó)和歐盟的法規(guī)要求，同時(shí)降低了喇叭的尺寸和能量的消耗。“Actran的仿真結(jié)果提供了比實(shí)驗(yàn)測(cè)試更全面的信息，這些信息可以幫助現(xiàn)代工程師快速的迭代優(yōu)化方案，相比利用傳統(tǒng)的制造樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試的方法節(jié)省一半的時(shí)間”，Lee 說(shuō)道。
優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了非常好的聲音聚焦表現(xiàn)
現(xiàn)代使用Actran仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，制造了一個(gè)完整的APAS測(cè)試樣機(jī)。物理測(cè)試結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了所有的設(shè)計(jì)要求和法規(guī)要求，使用一個(gè)小的喇叭即實(shí)現(xiàn)了聲音輻射的最大化，并提供了卓越的聲聚焦表現(xiàn)。
