設(shè)計(jì)仿真 | 基于測(cè)試車(chē)輛聲學(xué)警報(bào)系統(tǒng)仿真

電氣化為汽車(chē)制造商開(kāi)啟了一個(gè)新時(shí)代，其中包括通用汽車(chē) (GM)，該公司在全球范圍內(nèi)有數(shù)百萬(wàn)輛汽車(chē)在道路上行駛。新的動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)影響著車(chē)輛的許多基本方面，必須設(shè)計(jì)額外的系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)的獨(dú)特特性。

在噪音方面，由于沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)，電動(dòng)汽車(chē)變得極其安靜，以至于行人或其他道路使用者難以快速感知到汽車(chē)的存在，存在明顯的安全隱患。歐盟已實(shí)施一項(xiàng)法規(guī)，要求電動(dòng)汽車(chē)搭配音響系統(tǒng)，以向行人提示車(chē)輛的存在。

車(chē)輛聲學(xué)警報(bào)系統(tǒng)(AVAS) 需要通過(guò)在特定位置發(fā)出最低噪音水平來(lái)確保合規(guī)性，這意味著系統(tǒng)需要提供滿(mǎn)足要求的適當(dāng)聲學(xué)指向性。

AVAS 系統(tǒng)由通常放置在車(chē)輛前部的揚(yáng)聲器組成。在設(shè)計(jì)揚(yáng)聲器時(shí)，采用仿真可確保其充分通過(guò)認(rèn)證流程，因?yàn)檫@樣可以快速獲得結(jié)果，無(wú)需構(gòu)建多個(gè)原型。此外，由于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了徹底研究，因此可確保在測(cè)試時(shí)減少意外情況。

揚(yáng)聲器通常尺寸很小，直徑約為 100 mm，格柵上有非常復(fù)雜的圖案。因此，在評(píng)估其作為車(chē)輛一部分的性能時(shí)，使用復(fù)雜的揚(yáng)聲器模型并不容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵撃Ｐ托枰^大的計(jì)算資源來(lái)解決非常高的頻率，通常為 3.5 kHz 。相反，將單極子等通用聲源來(lái)替代揚(yáng)聲器作為車(chē)輛模型的一部分，可產(chǎn)生與實(shí)際揚(yáng)聲器等效的聲輻射功率。不過(guò)另一方面，揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲場(chǎng)具有明顯的指向性，聲學(xué)單極子無(wú)法準(zhǔn)確表示。

負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的通用汽車(chē)高級(jí)噪聲和振動(dòng)工程師 Wenlong Yang 表示：“通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，我們開(kāi)始開(kāi)發(fā)一種方法，來(lái)探索整車(chē)模型中 AVAS 揚(yáng)聲器的聲學(xué)指向性，并開(kāi)發(fā)一種具有與物理?yè)P(yáng)聲器相同的聲音特性的虛擬揚(yáng)聲器模型”。

■ 所提方法和流程可分為5個(gè)步驟：

生成數(shù)值結(jié)果，以進(jìn)行測(cè)試決策

測(cè)試揚(yáng)聲器以收集麥克風(fēng)上的聲壓級(jí)

測(cè)試揚(yáng)聲器以收集麥克風(fēng)上的聲壓級(jí)

使用測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值模型

將揚(yáng)聲器集成到整車(chē)車(chē)型上

01

生成數(shù)值數(shù)據(jù)以進(jìn)行測(cè)試決策

整體流程如圖1所示。首先通過(guò)數(shù)值模型進(jìn)行虛擬測(cè)試（pseudo test），通過(guò)揚(yáng)聲器振膜激勵(lì)計(jì)算出麥克風(fēng)上的聲壓響應(yīng)。接下來(lái)，通過(guò)這些麥克風(fēng)響應(yīng)利用逆方法反推一個(gè)虛擬揚(yáng)聲器表面的加速度場(chǎng)。再利用此加速度場(chǎng)進(jìn)行自由場(chǎng)的聲壓計(jì)算，并對(duì)比此聲壓結(jié)果與前一步振膜激勵(lì)計(jì)算的聲壓結(jié)果以進(jìn)行驗(yàn)證。這個(gè)流程可以把復(fù)雜的揚(yáng)聲器模型簡(jiǎn)化為一個(gè)較為簡(jiǎn)單的等效邊界表面加速度輸入。

圖1：所提出的流程圖

為了提取表面振動(dòng)情況，使用 Actran 中的反向薄膜（inverse pellicular）分析。該技術(shù)可以基于多個(gè)麥克風(fēng)的結(jié)果來(lái)識(shí)別揚(yáng)聲器的振型。為確保識(shí)別振型的準(zhǔn)確，麥克風(fēng)的數(shù)量必須足以完全代表遠(yuǎn)場(chǎng)中的聲場(chǎng)分布，特別是隨著頻率的增加，聲場(chǎng)空間會(huì)變得更加復(fù)雜。GM 以虛擬方式測(cè)試（pseudo test）了布置不同麥克風(fēng)數(shù)量的情況，從最少布置38個(gè)麥克風(fēng)到最多371 個(gè)麥克風(fēng)（圖2）。

圖2：使用不同數(shù)量的麥克風(fēng)產(chǎn)生的聲場(chǎng)

他們發(fā)現(xiàn)，盡管可以用76個(gè)麥克風(fēng)表示1米處3kHz的輻射聲場(chǎng)，但實(shí)際測(cè)試的條件多變，這意味著需要進(jìn)行穩(wěn)健性研究。Yang 提到：“實(shí)際測(cè)試總是受到測(cè)量誤差的影響。我們?cè)跍y(cè)量傳聲器位置以及每個(gè)傳聲器的聲壓測(cè)量（包括幅度和相位）時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)誤差。因此，我們希望檢查這些錯(cuò)誤是如何發(fā)生的，并為此在輸入數(shù)據(jù)中添加了人工擾動(dòng)”。這可以通過(guò)仿真輕松完成。

評(píng)估對(duì)象包括三個(gè)影響因素：麥克風(fēng)位置、聲壓幅度和聲壓相位。他們發(fā)現(xiàn)，盡管在使用76個(gè)麥克風(fēng)時(shí)，可以很好地復(fù)現(xiàn)特定位置和條件下的振型，但它們不足以確保將該過(guò)程轉(zhuǎn)化為物理測(cè)試所需的穩(wěn)健性（圖3）。下一階段需要大約300個(gè)麥克風(fēng)：接下來(lái)是物理測(cè)試。

圖3：關(guān)于不同測(cè)量誤差因素的穩(wěn)健性分析

02

物理測(cè)試和驗(yàn)證

圖4：物理?yè)P(yáng)聲器的聲學(xué)測(cè)試

測(cè)試階段在 GM 的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。將揚(yáng)聲器放置在麥克風(fēng)陣列的中心（圖4），并將測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果在不同麥克風(fēng)位置以及聲輻射功率方面進(jìn)行了比較（圖5）。

圖5：三種頻率下麥克風(fēng)的聲壓級(jí)

總體而言，在所有麥克風(fēng)的測(cè)量和仿真之間實(shí)現(xiàn)了非常好的關(guān)聯(lián)，在低頻的差異很小，在高頻的差異略大，但未影響仿真的整體質(zhì)量。圖6展示了一個(gè)特定麥克風(fēng)處的聲壓級(jí)示例。

圖6：特定麥克風(fēng)處的聲壓級(jí)

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后，就可以根據(jù)物理測(cè)量結(jié)果，使用反向薄膜分析法提取表面振動(dòng)。然后可以將其集成到整車(chē)模型仿真中，用這種等效邊界條件取代揚(yáng)聲器模型。

03

將虛擬揚(yáng)聲器集成到整車(chē)中

圖7：虛擬揚(yáng)聲器的表面振型

提取的表面振動(dòng)（圖7）作為加速度邊界條件被引入整車(chē)模型，使通用汽車(chē)能夠評(píng)估揚(yáng)聲器作為完整系統(tǒng)一部分的性能。在計(jì)算聲學(xué)傳遞函數(shù)的三個(gè)調(diào)節(jié)麥克風(fēng)位置對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。聲學(xué)傳遞函數(shù)被定義為自由聲場(chǎng)源功率減去傳聲器處的聲壓級(jí)。

圖8：從揚(yáng)聲器到車(chē)輛外部位置的聲學(xué)傳遞函數(shù)，紅色曲線為單極子假設(shè)激勵(lì)，藍(lán)色曲線為逆向識(shí)別的表面加速度振型激勵(lì)

這一新方法的傳遞函數(shù)與之前基于單極子聲源的方法進(jìn)行了比較，結(jié)果看起來(lái)比以前更真實(shí)（圖8）。Yang 總結(jié)道：“盡管兩種方法的聲功率級(jí)相同，但我們可以看到，在特定頻率和位置的差異高達(dá)4 dB。這進(jìn)一步證明了我們必須在車(chē)輛開(kāi)發(fā)的 AVAS 揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)過(guò)程中正確對(duì)待聲源指向性這一因素?！?/p>

04

結(jié)論和未來(lái)工作

借助仿真，Yang 和通用汽車(chē)團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一種方法，考慮了AVAS 揚(yáng)聲器的聲學(xué)指向性，并在過(guò)程中研究了其物理測(cè)試設(shè)置的穩(wěn)健性。

這促使他們開(kāi)發(fā)出一個(gè)合適的測(cè)試設(shè)備，幫助他們創(chuàng)建一個(gè)幾何形狀更簡(jiǎn)單，但具有實(shí)際揚(yáng)聲器所有基本聲音特性的虛擬揚(yáng)聲器。虛擬揚(yáng)聲器作為整車(chē)模型的一部分經(jīng)過(guò)獨(dú)立驗(yàn)證。

未來(lái)，通用汽車(chē)將利用在此間獲得的所有知識(shí)，將虛擬揚(yáng)聲器應(yīng)用于車(chē)內(nèi)噪音預(yù)測(cè)，并評(píng)估揚(yáng)聲器對(duì)于車(chē)輛聲學(xué)包的影響。

他們將把這一概念擴(kuò)展到其他具有獨(dú)特聲學(xué)指向性且難以精確測(cè)量表面振動(dòng)的車(chē)輛部件上。