陳曦 宋雨 李浩 許京 馬文婷

（中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春130013）

0 引言

近年來，隨著汽車制造業(yè)水平升級(jí)，消費(fèi)者對(duì)乘用車的舒適性和娛樂性需求越來越高。汽車音響技術(shù)向大功率多路輸出、多揚(yáng)聲器環(huán)回音響的“3D 環(huán)繞聲”方向發(fā)展。世界音響制造商也為汽車音響開辟專門的工業(yè)部門，針對(duì)汽車的特殊環(huán)境，充分考慮車廂的音響效果，采用高新技術(shù)制造轎車音響設(shè)備，其播送的音響效果完全能與“家庭影院”相媲美[1]。在音響系統(tǒng)和車內(nèi)聲學(xué)環(huán)境方面，國(guó)外車企已經(jīng)進(jìn)行多年的研究，形成了較高的技術(shù)水平。其中，奧迪、奔馳、寶馬、豐田、現(xiàn)代等車企，在諸多高端車型上與頂級(jí)音響品牌開展了合作。

對(duì)音響系統(tǒng)和車內(nèi)聲學(xué)環(huán)境的仿真研究，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的熱門研究方向，也是本文的主要研究?jī)?nèi)容。本文通過仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)車內(nèi)音響系統(tǒng)進(jìn)行研究，并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析。

1 聲線法基本概念及應(yīng)用

音響系統(tǒng)的基礎(chǔ)是車內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境，而車內(nèi)聲場(chǎng)可以歸結(jié)為室內(nèi)聲學(xué)的一個(gè)分支，同時(shí)具有更多特殊性。

根據(jù)環(huán)境條件和使用場(chǎng)景要求，對(duì)室內(nèi)聲場(chǎng)的分析可采用不同的分析方法：統(tǒng)計(jì)聲學(xué)、波動(dòng)聲學(xué)、幾何聲學(xué)[2]。其中，統(tǒng)計(jì)聲學(xué)的分析方法主要是基于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析得到經(jīng)驗(yàn)公式，并將這些公式運(yùn)用到室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)中，Eyring等[3]使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法推導(dǎo)出混響時(shí)間的理論公式。波動(dòng)聲學(xué)是考慮聲的波動(dòng)特性，以此進(jìn)行室內(nèi)聲場(chǎng)的分析，Morse 在《振動(dòng)與聲》一書中，使用波動(dòng)方程對(duì)長(zhǎng)方體空間內(nèi)進(jìn)行模擬，用駐波形式解釋了各種室內(nèi)聲學(xué)現(xiàn)象[4]。幾何聲學(xué)的分析方法參考借鑒了幾何光學(xué)的方法，將室內(nèi)壁面環(huán)境看作反射面，使用聲線圖分析房間形狀和反射面對(duì)聲音的影響。

在不需要考慮聲波波動(dòng)性能的情況下，借助幾何光學(xué)中光線的概念，把聲波看作沿直線傳播的一簇簇聲音的能量，這就是幾何聲學(xué)中聲線法的概念。聲線法的使用的條件是聲場(chǎng)的尺寸要遠(yuǎn)大于聲波的波長(zhǎng)，此時(shí)可忽略聲波的波動(dòng)性，聲波在反射面上適用于幾何光學(xué)的反射定律。

國(guó)外車企和音響供應(yīng)商很早就采用聲線法對(duì)車內(nèi)音響系統(tǒng)開展仿真工作。2010 年，Harman 公司使用聲線法對(duì)汽車內(nèi)飾儀表板中高頻揚(yáng)聲器的最佳位置和布置方向進(jìn)行了研究[5]。2013 年，韓國(guó)現(xiàn)代汽車分別在3個(gè)頻率段建立有限元、邊界元和聲線法模型，其中聲線法計(jì)算了雙耳脈沖響應(yīng)和雙耳相干函數(shù)，討論了吸聲材料特性和揚(yáng)聲器的影響[6]。

國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)對(duì)此項(xiàng)工作剛剛起步，但是高鐵、船舶、航空工業(yè)等大型交通工具行業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究。2017 年，馮愛景等[7]對(duì)船舶艙室建立聲線法模型，模擬船舶多艙室聲場(chǎng)的分布，計(jì)算不同位置艙壁對(duì)目標(biāo)艙室噪聲的聲靈敏度，優(yōu)化艙室中高頻噪聲。2021年，季杰等[8]對(duì)高鐵車廂建立聲線法模型，進(jìn)行了語言清晰度仿真及優(yōu)化。2022 年，趙維等[9]使用聲線法對(duì)大型客滾船艙室的阻尼材料鋪設(shè)進(jìn)行了優(yōu)化。

2 聲線法分析方法

對(duì)于一些大尺寸、高頻的純聲學(xué)問題，需要借助計(jì)算機(jī)輔助分析，這也是使用聲線法進(jìn)行聲場(chǎng)仿真的需求來源。聲線法通過聲束追蹤技術(shù)來模擬聲傳播、聲波遇到壁面的反射吸收，以此解釋聲學(xué)現(xiàn)象。相較于聲學(xué)有限元邊界方法，聲線法的分析頻率與聲學(xué)區(qū)域的網(wǎng)格離散程度是相互獨(dú)立的，其只需要使用少數(shù)網(wǎng)格來模擬仿真對(duì)象的幾何形狀，因此可以對(duì)高頻、大尺度的聲學(xué)問題進(jìn)行高效仿真。

聲線法假設(shè)條件為：

（1）聲源在空間中以發(fā)射聲線的形式傳播聲能，每根聲線均攜帶相同的能量。

（2）聲場(chǎng)的邊界面均看作平面或多個(gè)平面近似的曲面，聲線每次與邊界面僅有一個(gè)碰撞點(diǎn)，且碰撞過程中能量會(huì)有所衰減。

（3）當(dāng)反射階次高于設(shè)定的數(shù)值或聲線攜帶能量低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，程序停止對(duì)該聲線的追蹤，并開始對(duì)下一根聲線進(jìn)行追蹤運(yùn)算，直到全部聲線均追蹤計(jì)算完畢。

（4）接收點(diǎn)設(shè)定在一定范圍內(nèi)，當(dāng)聲線穿過預(yù)定范圍時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)記錄聲線到達(dá)的時(shí)間、能量和方向，最后可以得到接收點(diǎn)處的聲脈沖響應(yīng)[10]。

若聲源功率為I，初始聲線In可表示為：

式中，n為聲線數(shù)量；s(x,y,z)為聲線由聲源發(fā)射時(shí)的初始傳播路徑。

空間i處聲壓級(jí)SPL為：

式中，∑In(x,y,z)為通過空間i處聲線能量的非相干疊加求和；ρ0為靜態(tài)空氣密度；c0為靜止空氣中的聲傳播速度[11]。

根據(jù)前文所述，聲線法的適用范圍要求是聲音波長(zhǎng)小于聲場(chǎng)尺寸。車內(nèi)聲腔的尺寸一般在2～3 m 以內(nèi)，按照該尺寸估算，聲線法適用于100 Hz 以上的車內(nèi)音響仿真。本文整車音響系統(tǒng)聲線法模型建立步驟如圖1所示。

圖1 整車音響系統(tǒng)聲線法建模步驟

3 整車音響系統(tǒng)聲線法模型建立

按照前文所述的技術(shù)路線，以某SUV 車型為例，建立整車音響系統(tǒng)聲線法模型。

3.1 仿真數(shù)據(jù)要求

音響系統(tǒng)車內(nèi)聲場(chǎng)分析模型輸入數(shù)據(jù)如下。

（1）揚(yáng)聲器單元正前方1 m處頻率響應(yīng)曲線；

（2）揚(yáng)聲器單體聲源指向性數(shù)據(jù)；

（3）揚(yáng)聲器數(shù)量及位置；

（4）車身結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)（模型需包含白車身，車門，內(nèi)飾，儀表板，座椅）；

（5）整車內(nèi)飾材料聲學(xué)參數(shù)（包含所有聲腔表面的內(nèi)飾材料）。

3.2 揚(yáng)聲器單體測(cè)試

揚(yáng)聲器單體測(cè)試按照GB/T 12060.5—2011《聲系統(tǒng)設(shè)備第5 部分:揚(yáng)聲器主要性能測(cè)試方法》[12]進(jìn)行，圖2為揚(yáng)聲器單體頻響測(cè)試系統(tǒng)流程。測(cè)試需要在全消聲室環(huán)境中進(jìn)行，模擬自由場(chǎng)環(huán)境。將揚(yáng)聲器單體布置在平面障板上，進(jìn)行單位電壓下的頻率響應(yīng)特性測(cè)量（圖3）。

圖2 揚(yáng)聲器單體頻響測(cè)試系統(tǒng)流程

圖3 揚(yáng)聲器單體頻響測(cè)試試驗(yàn)布置

揚(yáng)聲器聲源指向性是揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波隨空間位置和角度變化的衰減系數(shù)，需要通過試驗(yàn)測(cè)得。圖4是揚(yáng)聲器單體指向性試驗(yàn)示意。在全消聲室內(nèi)將揚(yáng)聲器布置在平面障板上，傳聲器布置在環(huán)形支架上，支架距離揚(yáng)聲器0.5 m、1 m、1.5 m、2 m。調(diào)整傳聲器與揚(yáng)聲器正面的角度，每隔15°進(jìn)行一次測(cè)量，一般最少要包含0°、15°、30°、45°、60°、90°角度，測(cè)試獲得各個(gè)位置和角度的聲壓，后續(xù)以此計(jì)算聲源指向性數(shù)據(jù)。

圖4 揚(yáng)聲器單體指向性試驗(yàn)示意

3.3 內(nèi)飾材料聲學(xué)參數(shù)測(cè)試

內(nèi)飾材料聲學(xué)參數(shù)一般可使用聲阻抗或散射吸聲系數(shù)。由于車內(nèi)音響對(duì)于內(nèi)飾件的聲音入射屬于無規(guī)則入射，所以使用散射吸聲系數(shù)作為仿真參數(shù)較為準(zhǔn)確。散射吸聲系數(shù)的測(cè)試方法按照GB/T 20247—2006 聲學(xué)混響室吸聲測(cè)量[13]。

對(duì)于整車仿真的內(nèi)飾件影響較大的是地毯、前圍擋板襯墊、頂棚和座椅。同時(shí)也要考慮儀表板、門護(hù)板等具有軟性包裹的內(nèi)飾件。圖5為內(nèi)飾件在小型混響室內(nèi)吸聲系數(shù)測(cè)量示意。

圖5 小型混響室吸聲系數(shù)測(cè)量示意

測(cè)量過程中，需要注意將樣件背對(duì)車內(nèi)聲場(chǎng)的一面或邊緣用非吸聲材料包裹，避免額外增加吸聲面積，如圖6所示。

圖6 樣件邊緣和背部密封

3.4 整車音響系統(tǒng)聲線法建模

本文的仿真建模使用Simcenter 3D 中的RAY 模塊。整車音響系統(tǒng)聲線法模型包括車身內(nèi)飾表面的殼體網(wǎng)格，平面場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格，揚(yáng)聲器位置和方向，內(nèi)飾表面吸聲系數(shù)數(shù)據(jù)。其中，車身內(nèi)飾表面的殼體網(wǎng)格尺寸要求8～10 mm，平面場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格尺寸一般要求10～50 mm，要包含人耳坐標(biāo)點(diǎn)。本文中原型車采用12個(gè)揚(yáng)聲器的典型配置，包含4個(gè)低音揚(yáng)聲器、3個(gè)中音揚(yáng)聲器、4個(gè)高音揚(yáng)聲器、1個(gè)環(huán)繞重低音揚(yáng)聲器。在實(shí)際內(nèi)飾對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格上，賦予3.3小節(jié)中實(shí)測(cè)的內(nèi)飾表面吸聲系數(shù)。圖7是完整的音響系統(tǒng)聲線法模型。

圖7 整車音響系統(tǒng)聲線法模型

4 聲線法仿真結(jié)果及影響因素分析

4.1 車內(nèi)音響頻響計(jì)算

基于第3章建立的模型，施加3.2小節(jié)實(shí)測(cè)的揚(yáng)聲器單體頻率響應(yīng)作為激勵(lì)。設(shè)置每條聲線的最大反射數(shù)為8次，最大透射數(shù)1次，計(jì)算車內(nèi)音響系統(tǒng)在人耳處的頻響。如圖8 所示為駕駛員外耳處頻響，圖9為右后乘員外耳處頻響。

圖8 駕駛員外耳頻響對(duì)比

圖9 右后乘員外耳頻響對(duì)比

由圖8和圖9可見，仿真與試驗(yàn)對(duì)比多數(shù)頻段誤差較小。但在駕駛員外耳頻響頻段在7 000 Hz以上、右后乘員外耳頻響頻段在8 000 Hz以上時(shí)有一定誤差。

同時(shí)，使用聲線法可以模擬某個(gè)聲源傳播至指定位置的傳播路徑，可以此對(duì)某個(gè)揚(yáng)聲器的布置位置和角度進(jìn)行優(yōu)化。如圖10 所示為右后門低音揚(yáng)聲器傳播至駕駛員內(nèi)耳處的路徑。

圖10 聲線法傳遞路徑示意

4.2 影響因素分析

由4.1 小節(jié)的仿真結(jié)果可見，仿真和試驗(yàn)在高頻段存在一定誤差，原因如下。

整車實(shí)際上存在一定的泄露，造成整車高頻隔聲水平下降，音響的高頻聲可沿泄露處傳至車外。但在聲線法仿真模型中，由于模型按照理想狀態(tài)建立，未考慮實(shí)際泄露問題，所以造成了仿真結(jié)果高于試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果。

按照整車氣密性試驗(yàn)的結(jié)果，車體的泄露主要處于地板、車門、窗框等位置。

根據(jù)氣體流量與泄露面積之前的關(guān)系，表達(dá)式為：

式中，Q為體積流量；aD為流量系數(shù)；A為泄露面積；Pi為車內(nèi)壓力；ρ0為空氣密度。以該樣車實(shí)測(cè)氣密性泄漏量120 m3/h為例，折合成泄露面積為16.4cm2。在上述位置對(duì)應(yīng)的模型處刪除響應(yīng)泄露面積的網(wǎng)格，以模擬整車泄露效果。再次計(jì)算人耳處頻響，結(jié)果如圖11所示。

圖11 有無泄露駕駛員外耳頻響對(duì)比

由圖11 結(jié)果可見，增加泄露面積后，6 000～10 000 Hz 高頻段頻率響應(yīng)有一定下降，降幅大約為1～5 dB。這是由于音響的高頻聲波長(zhǎng)較小，會(huì)沿著泄露處泄漏到車外，造成音響品質(zhì)的下降，需要在音響設(shè)計(jì)中加以關(guān)注。

在本次仿真中，內(nèi)飾材料僅考慮了表面吸聲的影響。但實(shí)際中，音響聲會(huì)透過玻璃和內(nèi)飾材料傳至車外，這就需要給玻璃和內(nèi)飾材料增加透聲系數(shù)τ。透聲系數(shù)的數(shù)值需要大于0且小于1，其物理意義為：0表示不傳輸聲能的反射表面，1 表示傳輸所有聲能的全透聲表面。平板的傳輸損失TL可通過公式（4）計(jì)算：

由實(shí)測(cè)的傳遞損失可反推出透聲系數(shù)，由公式（5）計(jì)算：

根據(jù)公式（4）和混響-消聲隔聲套組實(shí)測(cè)的玻璃傳遞損失計(jì)算得到玻璃透聲系數(shù)，如表1所示。

表1 車窗玻璃傳遞損失和透聲系數(shù)

在模型中增加玻璃的透聲系數(shù)后，人耳處頻響如圖12所示。

圖12 有無透聲車內(nèi)頻響對(duì)比

由圖12 結(jié)果可見，在增加了玻璃透聲系數(shù)之后，在全頻段的頻響約有1～2 dB(A)的下降，說明玻璃透聲對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響。

近年來隨著用戶需求的變化和汽車工藝的發(fā)展，玻璃的布置面積越來越來大。尤其是天窗玻璃有發(fā)展成玻璃車頂?shù)内厔?shì)，而這樣的設(shè)計(jì)對(duì)車內(nèi)聲學(xué)環(huán)境是不利的。由于玻璃的傳遞損失普遍低于鈑金加隔音墊，所以會(huì)造成音響的頻響效果變差，影響駕乘人員的聽覺感受。

在揚(yáng)聲器內(nèi)部，由控制器發(fā)出的控制電流通過磁電路內(nèi)的線圈，在制定方向產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力使紙盆振動(dòng)，繼而帶動(dòng)空氣振動(dòng)產(chǎn)生聲音。由于車載揚(yáng)聲器功率有限，其發(fā)聲效率必然會(huì)隨著空間和角度衰減，即空間距離越遠(yuǎn)、發(fā)射角度越大，聲源的聲能隨之減小。這里需要考慮聲源指向性問題，由4.2 小節(jié)揚(yáng)聲器單體試驗(yàn)中測(cè)得的聲源指向性數(shù)據(jù)。圖13 是未增加聲源指向性和增加指向性的車內(nèi)頻響計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

圖13 有無聲源指向性對(duì)比

由圖13可見，沒有指向性的頻響計(jì)算結(jié)果普遍高于有指向性的結(jié)果。在頻響頻段約為7 000 Hz 時(shí)，2者差距達(dá)到20 dB(A)左右，與實(shí)際相差較多。這說明了增加指向性數(shù)據(jù)的必要性，在音響系統(tǒng)的開發(fā)過程中，對(duì)于揚(yáng)聲器單體性能的控制也是必須考慮的。

5 結(jié)論

本文對(duì)車載音響系統(tǒng)所在的車內(nèi)聲學(xué)環(huán)境進(jìn)行研究，對(duì)聲場(chǎng)的研究現(xiàn)狀及影響因素進(jìn)行分析。針對(duì)100 Hz 以上頻段的音響計(jì)算使用聲線法仿真，以某SUV車型為例，建立整車音響系統(tǒng)聲線法模型。計(jì)算駕駛員和右后乘員外耳頻響，與試驗(yàn)結(jié)果相比，100～7 000 Hz頻段吻合度較高。但在7 000 Hz以上頻段有較大誤差。針對(duì)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行了3個(gè)方面的影響因素分析。研究結(jié)果表明，在音響系統(tǒng)開發(fā)過程中，實(shí)車的高頻泄露、玻璃的透聲和聲源指向性是造成誤差的主要原因，需要重點(diǎn)關(guān)注。本文完成了影響因素的定性分析和簡(jiǎn)單的定量分析。后續(xù)將本文的研究作為基礎(chǔ)，對(duì)誤差原因進(jìn)行詳細(xì)的定量分析和驗(yàn)證。