王志堅(jiān)，范朝綱

（沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

在汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，為乘客營(yíng)造高品質(zhì)的車載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)環(huán)境不僅能夠使駕乘人員充分享受到音樂的美妙，更能幫助駕駛員以最佳的心態(tài)駕駛車輛，已成為擴(kuò)大銷售額和增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有力突破點(diǎn)。車輛內(nèi)飾材料設(shè)計(jì)是車載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，它在美化車廂、保證乘坐舒適度的同時(shí)，營(yíng)造良好的吸音隔音環(huán)境。但目前車輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)仍然停留在設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)積累和大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，在耗費(fèi)大量人力物力的同時(shí)，也不能保證對(duì)聲場(chǎng)的有效控制。本文提出了一種基于聲線跟蹤法（計(jì)入了模型界面散射作用）的車輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)方法。該方法通過利用計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬軟件EASE中的AURA模塊對(duì)車載揚(yáng)聲器混響時(shí)間的高精度仿真，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的內(nèi)飾材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少實(shí)驗(yàn)周期，節(jié)省人力物力。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 混響時(shí)間定義

混響時(shí)間就是在聲場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定后，聲源突然停止發(fā)聲，聲場(chǎng)聲壓按線性規(guī)律衰減60dB所需的時(shí)間，一般用T60來表示[1-2]。然而在實(shí)際情況下，由于衰減量程及本底噪聲的干擾，造成在60dB內(nèi)很難有良好的衰減曲線，因此，人們也使用T20（RT20）或T30（RT30）來表示混響時(shí)間。T20為聲壓級(jí)衰減20dB所需時(shí)間乘以3；T30為聲壓級(jí)衰減30dB所需時(shí)間乘以2?；祉憰r(shí)間示意圖如圖1所示。

圖1 混響時(shí)間示意圖

1.2 混響時(shí)間的計(jì)算

早在1900年，美國(guó)哈佛大學(xué)賽賓教授發(fā)表了題為《論混響》的著名論文[3]，提出著名的混響時(shí)間為

式中：T60——封閉空間的混響時(shí)間（s）；

K——與聲音在空氣中傳播速度有關(guān)的常量，溫度 15℃，聲速為 340m/s時(shí)，K=0.163（s/m）；溫度為 20℃，聲速為 343m/s時(shí)，K=0.161（s/m）；

V——封閉空間的總?cè)莘e（m3）；

S——空間內(nèi)表面積（m2）；

Si——第i個(gè)面的面積（m2）；

αi——第i個(gè)面的吸聲系數(shù)。

后來，在研究影響混響時(shí)間的各因素過程中，人們發(fā)現(xiàn)吸收聲能的除了空間內(nèi)表面之外，還有空間內(nèi)空氣本身，并且不同的空氣濕度對(duì)聲能的吸收也不同。艾潤(rùn)-努特發(fā)表了更加精確的修正[4]為

式中：T60——混響時(shí)間（s）；

V——空間容積（m3）；

S——空間內(nèi)總表面積（m2）；

m——空氣中聲衰減系數(shù)（m-1）。

2 車體聲場(chǎng)仿真分析

2.1 車體物理模型

本文采用計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬軟件EASE，對(duì)樣車進(jìn)行實(shí)體建模，駕駛室內(nèi)部尺寸為：2.65 m×1.59 m×1.28m，建立模型如圖2所示。

圖2 駕駛室模型視圖

在駕駛室內(nèi)，頂棚A面（乘客見到的面，其反面為B面）的材料為纖維紡織物，B面為無紡布面料，地面鋪有薄地毯，儀表盤的表面材料為聚氯乙烯（PVC）軟質(zhì)表皮和聚氨酯塑料板，前圍隔熱墊材料為PET毛氈，車窗材料為玻璃，車門內(nèi)板表面材料為聚氯乙烯（PVC）軟質(zhì)表皮、纖維紡織物和聚氨酯塑料板，后置物臺(tái)表面材料為無紡布，中控臺(tái)表面材料為木板，座椅表面材料為絨布座套,立柱材料為聚氨酯塑料板。

2.2 內(nèi)飾材料吸聲系數(shù)

不同內(nèi)飾材料的面積和吸聲系數(shù)如表1所示。

表1 駕駛室內(nèi)飾材料面積及吸聲系數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

模型建立完畢后，使用EASE軟件中的AURA模塊進(jìn)行駕駛室混響時(shí)間的仿真計(jì)算。AURA運(yùn)算模塊采用聲線跟蹤法計(jì)算房間聲源至聽聲面上某一點(diǎn)處的聲場(chǎng)脈沖響應(yīng)，然后再計(jì)算出各種聲學(xué)參量；因此，它不僅適用于擴(kuò)散聲場(chǎng)，還適用于非擴(kuò)散聲場(chǎng)的聲學(xué)參量計(jì)算?；祉憰r(shí)間仿真曲線見圖3，聲場(chǎng)中各頻率的混響時(shí)間見表2。

表2 EASE仿真的混響時(shí)間

圖3 混響時(shí)間曲線

由圖3可以看出：混響時(shí)間在125Hz前處于減小趨勢(shì)，在125～500Hz又逐漸增大，在500～1000Hz急劇減小，之后處于平緩狀態(tài)。由于音樂信號(hào)的頻率范圍主要集中在8kHz以下，列出了125Hz～8kHz各頻率的混響時(shí)間，由表2可以發(fā)現(xiàn)，500Hz之前的混響時(shí)間均在0.4s以上，而1000Hz之后的混響時(shí)間均低于0.1s。

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

根據(jù)ISO 3382要求[5]，本文通過CLIO電聲測(cè)量系統(tǒng)，使用MLS最大脈沖序列法，通過接收車載揚(yáng)聲器向車內(nèi)發(fā)送的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)車載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)混響時(shí)間的測(cè)量分析。

測(cè)試過程中，計(jì)算機(jī)通過PB-4281PC板及SC-01信號(hào)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的交流信號(hào)經(jīng)CLIO QC放大器與轉(zhuǎn)換盒放大后輸入車載揚(yáng)聲器，MC-01麥克風(fēng)將接受到的音頻信號(hào)輸入到CLIO QC放大器與轉(zhuǎn)換盒，通過A/D、D/A轉(zhuǎn)換和18位數(shù)字化分析處理后儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。

由于汽車駕駛室的對(duì)稱性，選擇如下4個(gè)測(cè)量位置：前排主駕駛處（位置1）、前排座位中間處（位置2）、后排座位中間處（位置3）、后排右側(cè)座位處（位置4）。聲源采用樣車自身安裝的同軸揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器額定功率20 W，最大功率30 W，靈敏度為87±1.5%，有效頻率為 60Hz～20kHz。

測(cè)量過程中，車門關(guān)閉，麥克風(fēng)接收聲音的端口高出座椅約8cm，垂直指向汽車底部。測(cè)量過程中采用16k的脈沖序列，每個(gè)測(cè)量位置取3次測(cè)量的均值。位置2處測(cè)量結(jié)果見圖4、圖5、圖6，各頻率混響時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)見表3。

圖4 測(cè)量的脈沖響應(yīng)曲線

圖5 時(shí)間-能量曲線

圖6 混響時(shí)間（RT20）曲線

表3 CLIO測(cè)量的混響時(shí)間

由圖4和圖5可以看出，在前30ms內(nèi)脈沖信號(hào)衰減比較劇烈，而后衰減趨勢(shì)逐漸趨于平緩。圖6是測(cè)量出的聲場(chǎng)中32Hz～16kHz的混響時(shí)間（RT20）曲線，對(duì)照?qǐng)D6及圖3，我們可以看到，EASE仿真曲線與CLIO測(cè)量曲線吻合良好。通過對(duì)照表2與表3，各頻率混響時(shí)間值相差不超過0.061s，驗(yàn)證了EASE軟件仿真模擬的準(zhǔn)確性。

由于轎車內(nèi)部最佳混響時(shí)間在0.3～0.4s之間[6]，樣車在低頻范圍內(nèi)混響時(shí)間均高于0.4 s，500 Hz左右的混響時(shí)間已經(jīng)超過了1 s，造成音樂明晰度（C80）的嚴(yán)重下降。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，500 Hz處的明晰度只有-8.6dB，低于良好明晰度的最小值0dB；而在1000Hz以后的混響時(shí)間均低于0.1s，聲音就會(huì)變得枯燥干澀，缺乏真實(shí)感和表現(xiàn)力，在很大程度上降低了音樂的再放還原效果。因此，這兩個(gè)頻率段也是樣車混響時(shí)間優(yōu)化的重點(diǎn)所在。

鑒于EASE軟件在車載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)中模擬的準(zhǔn)確性，可以借助EASE軟件指導(dǎo)車輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)，在減少實(shí)驗(yàn)周期的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)車載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和有效控制，提高工作效率。以樣車為例，增加紡織材料表面密度或地毯針刺密度[7]、將絨布座套更換為亞麻座套[8]或三明治面料座套、使用玻璃纖維含量相對(duì)較高的纖維紡織物[9]等方法，可以實(shí)現(xiàn)駕駛室聲場(chǎng)的優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示：通過將薄地毯更換為針刺密度為116.7針/cm2的針刺地毯、將絨布座套更換為亞麻座套、將纖維紡織物中玻璃纖維含量從100g/m2增加到200g/m2的方法，500Hz的混響時(shí)間降低了0.22s，1000Hz以上的高頻聲混響時(shí)間最多增加了0.14s。

當(dāng)然，使用EASE進(jìn)行車載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)的模擬還存在以下需要改進(jìn)的問題：精確的車載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)需要考慮乘員的存在，而EASE在分析封閉小空間聲場(chǎng)的時(shí)候還不能將人的因素考慮進(jìn)來；EASE模擬的準(zhǔn)確性建立在對(duì)材料吸聲系數(shù)準(zhǔn)確掌握基礎(chǔ)上，而目前還沒有國(guó)產(chǎn)內(nèi)飾材料系統(tǒng)準(zhǔn)確的吸聲數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)束語

本文采用EASE軟件建模仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了某型轎車車載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)混響時(shí)間的仿真和測(cè)量，通過對(duì)比分析，驗(yàn)證了利用EASE軟件指導(dǎo)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的可行性。通過對(duì)混響時(shí)間的分析研究，分析了樣車混響時(shí)間在低頻和1 000 Hz以上高頻對(duì)音樂效果的影響，提出了內(nèi)飾優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行措施，對(duì)汽車車載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)的研究和優(yōu)化具有一定的借鑒意義。

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