基于聲線跟蹤法的汽車?yán)冉鼒雎晧悍抡?/h1>
2024-02-22 06:17米路
汽車工程師 2024年2期
米路
（長城汽車股份有限公司保定技術(shù)研發(fā)分公司，保定 071003）
1 前言
根據(jù)GB 7258—2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》要求，機(jī)動車應(yīng)配置具有連續(xù)發(fā)聲功能的喇叭。在距車前2 m、離地高度為1.2 m 處，喇叭聲壓級應(yīng)為90～115 dB(A)[1]；在距車前7 m、離地高度為0.5～1.5 m 處，喇叭聲壓級應(yīng)為87～112 dB(A)[2]。一般高、低音喇叭各配置一個，布置于機(jī)艙前端兩側(cè)，同時發(fā)聲。
在乘用車?yán)冗x型研究中，徐中明等[3]基于主觀評價開展了喇叭的聲品質(zhì)分析，張志飛等[4]進(jìn)行了基于客觀測試的喇叭聲特性研究，梁占飛等[5]進(jìn)行了汽車?yán)仍O(shè)計(jì)、布置經(jīng)驗(yàn)及常見問題解析。然而，上述研究對于在車型開發(fā)前期如何進(jìn)行喇叭選型鮮有說明。目前，常用的喇叭選型方法為車型開發(fā)后期實(shí)車測試，即在車輛下線后安裝不同品牌和型號的喇叭，在車前方2 m 和7 m 處用聲級計(jì)分別測試?yán)鹊穆晧杭?，直到找到滿足法規(guī)要求的喇叭為止。這種方法無法在車型開發(fā)前期確定喇叭的規(guī)格型號，不能為喇叭預(yù)留準(zhǔn)確的空間，后期可能因空間不足無法安裝，影響車型量產(chǎn)進(jìn)度，且實(shí)車測試人力和設(shè)備成本較高。
本文基于聲傳遞特性，提出在車型開發(fā)前期通過仿真計(jì)算喇叭近場聲壓級的方法，為車型開發(fā)前期喇叭選型提供依據(jù)。在車型開發(fā)階段，提取車體外表面硬壁板數(shù)據(jù)，在VAOne 軟件中應(yīng)用聲線跟蹤（Ray Tracing）模塊建立求解模型；應(yīng)用LMS Test Lab測試系統(tǒng)中的逆矩陣模塊[6]測試得到喇叭的聲功率并將其加載到聲線跟蹤法求解模型中，通過參數(shù)設(shè)置、模型調(diào)校計(jì)算得到喇叭近場聲壓。
2 聲線跟蹤法
聲線跟蹤法將噪聲源定義為一個緊湊型聲源，認(rèn)為所有的聲能量都從一點(diǎn)以聲波的形式發(fā)出。聲波有4 種傳遞形式，即直射、反射、散射、衍射，反射遵循斯內(nèi)爾定律（Snell Law）[7]，散射遵循朗伯定律（Lambert’s Law）[8]，衍射遵循衍射定律[9]。
聲波在空氣中的傳播如圖1 所示，在Ⅰ-Ⅱ區(qū)域，聲波的傳播有直射、反射、散射3種形式，此區(qū)域接收到的聲能量為：
圖1 聲波在空氣中傳播示意
式中：Qz、Qf、Qs分別為聲波通過直射、反射、散射方式傳遞到接收點(diǎn)的聲能量。
在Ⅱ-Ⅲ區(qū)域，聲波的傳播有直射、散射2 種形式，此區(qū)域接收到的聲能量為：
在Ⅲ-Ⅳ區(qū)域，聲波的傳遞只有衍射一種形式，此區(qū)域接收到的聲能量為：
式中：Qy為聲波通過衍射方式傳遞到接收點(diǎn)的聲能量。
3 聲線跟蹤法模型建立
某轎車的前期外表面（Concept A Surface，CAS）數(shù)據(jù)如圖2所示。對CAS及車輪數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何修整并生成網(wǎng)格，將網(wǎng)格導(dǎo)入VAOne 軟件，如圖3 所示。應(yīng)用VAOne 軟件中的依據(jù)網(wǎng)格自動生成板件（Auto Create Plate from FE）指令生成全車板件[10]，在車體上方6 m 處創(chuàng)建聲線跟蹤法模塊，并調(diào)用車體板件，如圖4所示。
圖2 某轎車車體CAS數(shù)據(jù)
圖3 將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入VAOne軟件示意
圖4 聲線跟蹤法模塊調(diào)用車體板件示意
在模型中添加緊湊聲源和聲壓檢測傳感器。由于此車型為新能源車型，無散熱格柵，機(jī)艙整體為全密封形式，若將緊湊聲源按照喇叭設(shè)計(jì)位置置于機(jī)艙內(nèi)，聲線無法傳播到車外，故將緊湊型聲源置于車外，緊貼前保險杠面罩，X向與前保險杠的距離為10 mm，且Y向、Z向坐標(biāo)與喇叭安裝位置保持一致。聲壓檢測傳感器的位置為車前2 m、高度1.2 m和車前7 m、高度分別為0.5 m、0.8 m、1.1 m、1.5 m。
VAOne 軟件中聲線跟蹤模塊所涉及的參數(shù)如表1所示。
表1 聲線跟蹤模塊參數(shù)
4 喇叭聲功率和近場響應(yīng)聲壓獲取
4.1 喇叭聲功率獲取
測試高、低音喇叭聲功率時需要注意的是，測試的位置應(yīng)為喇叭安裝位置的等效位置，即前文中添加緊湊型聲源的位置。本文采用LMS Test Lab 測試系統(tǒng)中的逆矩陣功能模塊獲取該車型高、低音喇叭的聲功率。
測試原理如圖5所示，車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，分別測試高、低音喇叭到6 個麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)TH-i、TL-i，其中TH-i、TL-i分別為高、低音喇叭到麥克風(fēng)i（i=1,2,3,4,5,6）的傳遞函數(shù)。所使用的麥克風(fēng)數(shù)量越多，測試結(jié)果越準(zhǔn)確，測試過程如圖6所示。
圖5 高、低音喇叭聲功率測試原理
圖6 高、低音喇叭到麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)測試
保持6 個麥克風(fēng)的位置不變，按響喇叭，測試6個麥克風(fēng)的有效聲壓p1～p6。傳遞函數(shù)與有效聲壓的關(guān)系可表示為：
式中，SH、SL分別為高、低音聲源體積加速度。
式（4）可改寫為：
由式（5）可知，測得傳遞函數(shù)和麥克風(fēng)的有效聲壓后即可計(jì)算出高、低音喇叭的聲源體積加速度，需將其轉(zhuǎn)換為聲功率：
式中：SW為聲源的聲功率，S為體積加速度，c為聲速。
聲源聲功率的頻率范圍為0.1～10 kHz，頻率間隔為1 Hz，半消聲室測得的高、低音喇叭的聲功率如圖7所示，為方便展示，僅列出800～900 Hz頻段的數(shù)據(jù)，間隔為5 Hz。
4.2 近場響應(yīng)聲壓獲取
在半消聲室內(nèi)測試?yán)劝l(fā)聲，如圖8所示，測量車前2 m、高1.2 m和車前7 m、高度分別為0.5 m、0.8 m、1.1 m、1.5 m處的聲壓，用于模型調(diào)校時參照。
圖8 喇叭近場響應(yīng)聲壓測試現(xiàn)場
5 喇叭近場響應(yīng)仿真精度分析
將揚(yáng)聲器發(fā)聲時測試計(jì)算得到的聲功率加載到聲線跟蹤法求解模型中，得到近場響應(yīng)的仿真結(jié)果，并與測試結(jié)果對比，通過調(diào)節(jié)聲線跟蹤模塊的參數(shù)使各位置85%以上頻點(diǎn)近場響應(yīng)仿真結(jié)果與測試結(jié)果的誤差在±3 dB(A)范圍內(nèi)。以車前2 m、高度為1.2 m 和車前7 m、高度為1.5 m 2 個位置為例，喇叭發(fā)聲時的仿真和測試結(jié)果如圖9所示。
圖9 喇叭近場響應(yīng)仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比
由圖9 可知，應(yīng)用聲線跟蹤法計(jì)算得到的喇叭近場響應(yīng)仿真結(jié)果與測試結(jié)果一致性較好。
6 結(jié)束語
本文以某轎車為研究對象，通過提取車體外表面硬壁板數(shù)據(jù)，在VAOne 軟件中建立聲線跟蹤法求解模型，利用逆矩陣模塊得到喇叭的聲功率并加載到聲線跟蹤法求解模型計(jì)算喇叭近場聲壓，仿真與測試對比結(jié)果表明，應(yīng)用聲線跟蹤法計(jì)算得到的喇叭近場聲壓與測試結(jié)果一致性較好。該方法可在車型開發(fā)前期為揚(yáng)聲器選型提供數(shù)據(jù)支持。
猜你喜歡
水聲中非直達(dá)聲下的聲速修正方法①高技術(shù)通訊(2022年12期)2022-03-23 能量強(qiáng)悍就是最大的優(yōu)勢 Proficient Audio FDS-15有源低音音箱家庭影院技術(shù)(2021年9期)2021-11-05 搭載革命性Uni-Core技術(shù) KEF宣布推出KC62超低音揚(yáng)聲器家庭影院技術(shù)(2021年3期)2021-05-21 基于聲線法的特殊體育館模型中聲場均勻性分析聲學(xué)技術(shù)(2020年6期)2021-01-08 What it's like to be a deaf DJ瘋狂英語·新讀寫(2020年3期)2020-06-06 整體道床軌道扣件剛度對鋼軌聲功率特性的影響西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)(2018年5期)2018-11-08 簡單、好用、承傳貴族血統(tǒng) SUMIKO S.9超低音音箱家庭影院技術(shù)(2017年11期)2017-12-20 糾纏的曲線優(yōu)雅(2017年3期)2017-03-09 三維溫度梯度場中本征聲線軌跡的求取*沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(2016年2期)2016-09-15 自由風(fēng)扇聲功率級測量方法與測量不確定度汽車與新動力(2015年1期)2015-02-27
米路
（長城汽車股份有限公司保定技術(shù)研發(fā)分公司，保定 071003）
1 前言
根據(jù)GB 7258—2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》要求，機(jī)動車應(yīng)配置具有連續(xù)發(fā)聲功能的喇叭。在距車前2 m、離地高度為1.2 m 處，喇叭聲壓級應(yīng)為90～115 dB(A)[1]；在距車前7 m、離地高度為0.5～1.5 m 處，喇叭聲壓級應(yīng)為87～112 dB(A)[2]。一般高、低音喇叭各配置一個，布置于機(jī)艙前端兩側(cè)，同時發(fā)聲。
在乘用車?yán)冗x型研究中，徐中明等[3]基于主觀評價開展了喇叭的聲品質(zhì)分析，張志飛等[4]進(jìn)行了基于客觀測試的喇叭聲特性研究，梁占飛等[5]進(jìn)行了汽車?yán)仍O(shè)計(jì)、布置經(jīng)驗(yàn)及常見問題解析。然而，上述研究對于在車型開發(fā)前期如何進(jìn)行喇叭選型鮮有說明。目前，常用的喇叭選型方法為車型開發(fā)后期實(shí)車測試，即在車輛下線后安裝不同品牌和型號的喇叭，在車前方2 m 和7 m 處用聲級計(jì)分別測試?yán)鹊穆晧杭?，直到找到滿足法規(guī)要求的喇叭為止。這種方法無法在車型開發(fā)前期確定喇叭的規(guī)格型號，不能為喇叭預(yù)留準(zhǔn)確的空間，后期可能因空間不足無法安裝，影響車型量產(chǎn)進(jìn)度，且實(shí)車測試人力和設(shè)備成本較高。
本文基于聲傳遞特性，提出在車型開發(fā)前期通過仿真計(jì)算喇叭近場聲壓級的方法，為車型開發(fā)前期喇叭選型提供依據(jù)。在車型開發(fā)階段，提取車體外表面硬壁板數(shù)據(jù)，在VAOne 軟件中應(yīng)用聲線跟蹤（Ray Tracing）模塊建立求解模型；應(yīng)用LMS Test Lab測試系統(tǒng)中的逆矩陣模塊[6]測試得到喇叭的聲功率并將其加載到聲線跟蹤法求解模型中，通過參數(shù)設(shè)置、模型調(diào)校計(jì)算得到喇叭近場聲壓。
2 聲線跟蹤法
聲線跟蹤法將噪聲源定義為一個緊湊型聲源，認(rèn)為所有的聲能量都從一點(diǎn)以聲波的形式發(fā)出。聲波有4 種傳遞形式，即直射、反射、散射、衍射，反射遵循斯內(nèi)爾定律（Snell Law）[7]，散射遵循朗伯定律（Lambert’s Law）[8]，衍射遵循衍射定律[9]。
聲波在空氣中的傳播如圖1 所示，在Ⅰ-Ⅱ區(qū)域，聲波的傳播有直射、反射、散射3種形式，此區(qū)域接收到的聲能量為：
圖1 聲波在空氣中傳播示意
式中：Qz、Qf、Qs分別為聲波通過直射、反射、散射方式傳遞到接收點(diǎn)的聲能量。
在Ⅱ-Ⅲ區(qū)域，聲波的傳播有直射、散射2 種形式，此區(qū)域接收到的聲能量為：
在Ⅲ-Ⅳ區(qū)域，聲波的傳遞只有衍射一種形式，此區(qū)域接收到的聲能量為：
式中：Qy為聲波通過衍射方式傳遞到接收點(diǎn)的聲能量。
3 聲線跟蹤法模型建立
某轎車的前期外表面（Concept A Surface，CAS）數(shù)據(jù)如圖2所示。對CAS及車輪數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何修整并生成網(wǎng)格，將網(wǎng)格導(dǎo)入VAOne 軟件，如圖3 所示。應(yīng)用VAOne 軟件中的依據(jù)網(wǎng)格自動生成板件（Auto Create Plate from FE）指令生成全車板件[10]，在車體上方6 m 處創(chuàng)建聲線跟蹤法模塊，并調(diào)用車體板件，如圖4所示。
圖2 某轎車車體CAS數(shù)據(jù)
圖3 將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入VAOne軟件示意
圖4 聲線跟蹤法模塊調(diào)用車體板件示意
在模型中添加緊湊聲源和聲壓檢測傳感器。由于此車型為新能源車型，無散熱格柵，機(jī)艙整體為全密封形式，若將緊湊聲源按照喇叭設(shè)計(jì)位置置于機(jī)艙內(nèi)，聲線無法傳播到車外，故將緊湊型聲源置于車外，緊貼前保險杠面罩，X向與前保險杠的距離為10 mm，且Y向、Z向坐標(biāo)與喇叭安裝位置保持一致。聲壓檢測傳感器的位置為車前2 m、高度1.2 m和車前7 m、高度分別為0.5 m、0.8 m、1.1 m、1.5 m。
VAOne 軟件中聲線跟蹤模塊所涉及的參數(shù)如表1所示。
表1 聲線跟蹤模塊參數(shù)
4 喇叭聲功率和近場響應(yīng)聲壓獲取
4.1 喇叭聲功率獲取
測試高、低音喇叭聲功率時需要注意的是，測試的位置應(yīng)為喇叭安裝位置的等效位置，即前文中添加緊湊型聲源的位置。本文采用LMS Test Lab 測試系統(tǒng)中的逆矩陣功能模塊獲取該車型高、低音喇叭的聲功率。
測試原理如圖5所示，車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，分別測試高、低音喇叭到6 個麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)TH-i、TL-i，其中TH-i、TL-i分別為高、低音喇叭到麥克風(fēng)i（i=1,2,3,4,5,6）的傳遞函數(shù)。所使用的麥克風(fēng)數(shù)量越多，測試結(jié)果越準(zhǔn)確，測試過程如圖6所示。
圖5 高、低音喇叭聲功率測試原理
圖6 高、低音喇叭到麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)測試
保持6 個麥克風(fēng)的位置不變，按響喇叭，測試6個麥克風(fēng)的有效聲壓p1～p6。傳遞函數(shù)與有效聲壓的關(guān)系可表示為：
式中，SH、SL分別為高、低音聲源體積加速度。
式（4）可改寫為：
由式（5）可知，測得傳遞函數(shù)和麥克風(fēng)的有效聲壓后即可計(jì)算出高、低音喇叭的聲源體積加速度，需將其轉(zhuǎn)換為聲功率：
式中：SW為聲源的聲功率，S為體積加速度，c為聲速。
聲源聲功率的頻率范圍為0.1～10 kHz，頻率間隔為1 Hz，半消聲室測得的高、低音喇叭的聲功率如圖7所示，為方便展示，僅列出800～900 Hz頻段的數(shù)據(jù)，間隔為5 Hz。
4.2 近場響應(yīng)聲壓獲取
在半消聲室內(nèi)測試?yán)劝l(fā)聲，如圖8所示，測量車前2 m、高1.2 m和車前7 m、高度分別為0.5 m、0.8 m、1.1 m、1.5 m處的聲壓，用于模型調(diào)校時參照。
圖8 喇叭近場響應(yīng)聲壓測試現(xiàn)場
5 喇叭近場響應(yīng)仿真精度分析
將揚(yáng)聲器發(fā)聲時測試計(jì)算得到的聲功率加載到聲線跟蹤法求解模型中，得到近場響應(yīng)的仿真結(jié)果，并與測試結(jié)果對比，通過調(diào)節(jié)聲線跟蹤模塊的參數(shù)使各位置85%以上頻點(diǎn)近場響應(yīng)仿真結(jié)果與測試結(jié)果的誤差在±3 dB(A)范圍內(nèi)。以車前2 m、高度為1.2 m 和車前7 m、高度為1.5 m 2 個位置為例，喇叭發(fā)聲時的仿真和測試結(jié)果如圖9所示。
圖9 喇叭近場響應(yīng)仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比
由圖9 可知，應(yīng)用聲線跟蹤法計(jì)算得到的喇叭近場響應(yīng)仿真結(jié)果與測試結(jié)果一致性較好。
6 結(jié)束語
本文以某轎車為研究對象，通過提取車體外表面硬壁板數(shù)據(jù)，在VAOne 軟件中建立聲線跟蹤法求解模型，利用逆矩陣模塊得到喇叭的聲功率并加載到聲線跟蹤法求解模型計(jì)算喇叭近場聲壓，仿真與測試對比結(jié)果表明，應(yīng)用聲線跟蹤法計(jì)算得到的喇叭近場聲壓與測試結(jié)果一致性較好。該方法可在車型開發(fā)前期為揚(yáng)聲器選型提供數(shù)據(jù)支持。
猜你喜歡
高技術(shù)通訊(2022年12期)2022-03-23
家庭影院技術(shù)(2021年9期)2021-11-05
家庭影院技術(shù)(2021年3期)2021-05-21
聲學(xué)技術(shù)(2020年6期)2021-01-08
瘋狂英語·新讀寫(2020年3期)2020-06-06
西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)(2018年5期)2018-11-08
家庭影院技術(shù)(2017年11期)2017-12-20
優(yōu)雅(2017年3期)2017-03-09
沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(2016年2期)2016-09-15
汽車與新動力(2015年1期)2015-02-27
