“Actran的仿真結(jié)果提供了比實驗測試更全面的信息，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)的制造樣機進行測試的方法節(jié)省一半的時間。

——現(xiàn)代汽車高級研發(fā)工程師 Jinmo Lee

行業(yè)挑戰(zhàn)

電動汽車在中速或高速行駛時，可聽到的外部噪聲僅僅由風(fēng)阻或胎噪產(chǎn)生。因此，電動汽車對于行人和自行車而言存在安全威脅，特別是視覺或聽覺有損傷的人或者在聽耳機的人。美國和歐盟已經(jīng)提出了相關(guān)的法規(guī)要求新出廠的電動汽車在低速行駛時必須發(fā)出可被聽到的聲音。這些法規(guī)對于警報聲音的大小和頻率范圍有不同的要求。

近些年，現(xiàn)代汽車已經(jīng)開發(fā)出主動行人警報系統(tǒng)（APAS）。此系統(tǒng)利用聲音聚焦技術(shù)可僅對處于危險中的行人定向發(fā)聲?，F(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， 同時降低城市噪聲污染問題。在設(shè)計APAS時，現(xiàn)代汽車工程師必須考慮既滿足法規(guī)要求，又能對行人提供足夠的警示音效果，同時還要避免發(fā)出多余的聲音引起車內(nèi)人員的不適感。

現(xiàn)代汽車主動行人警報系統(tǒng)

在過去，設(shè)計中考慮聲音問題時，現(xiàn)代工程師依賴于實驗測試來評估各種設(shè)計方法。這必須制造每一種設(shè)計方案的物理樣機，耗費一到兩個月的時間。物理實驗?zāi)軌蛱峁┑臄?shù)據(jù)也是有限的?！安捎梦锢韺嶒灒覀儍H僅能夠測量各個位置的聲音大小， 我們不得不猜測聲音產(chǎn)生和傳播的機理”，Jinmo Lee說道，“這對于改進設(shè)計方案來說很困難”。

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行耦合。Actran計算6000Hz以下車輛區(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

現(xiàn)代通過Actran進行一系列參數(shù)研究，尋找各主要設(shè)計變量對聲場的影響。歐盟和美國法規(guī)要 求，在1600Hz以下和800Hz以下至少分別發(fā)出一個頻率的警報聲音。APAS喇叭的驅(qū)動單元很小， 因此滿足低頻聲音要求比較困難。同時實驗分析顯示，在400Hz以下的一個頻率可以較明顯的傳遞到乘客艙，這影響了乘客的舒適感。接下來工程師 在喇叭上加入背腔設(shè)計，并做了數(shù)值仿真，通過 掃頻分析發(fā)現(xiàn)此時聲阻抗頻率從400Hz改變到490Hz，這一改變既可以滿足法規(guī)要求，同時也保證了成員的舒適性。

喇叭的背腔對頻譜特性的影響

聲波導(dǎo)管可以保護喇叭不受環(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管道聲場仿真技術(shù)進行導(dǎo)管的設(shè)計以加強中頻1500Hz聲音傳播。同時喇叭內(nèi)部覆蓋件和驅(qū)動單元之間的空間得到優(yōu)化，以加強4400Hz附近的聲壓級。

聲波導(dǎo)管對頻譜特性的影響

工程師在仿真中對保險杠上喇叭安裝的垂直 位置進行研究，考慮車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)最好的警示聲場效果，既提供了更高的聲壓級，又提供相對平緩的頻譜表現(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)果及測試對標(biāo)

工程師對仿真結(jié)果進行驗證，使用1V的正弦掃頻信號進行喇叭實驗和仿真。如上圖所示，仿真得到的喇叭1米遠處聲場頻譜與物理實驗完美匹配。

喇叭測試和仿真對比

現(xiàn)代工程師使用Actran優(yōu)化揚聲器腔體和管道的中的聲學(xué)共鳴，可以使喇叭設(shè)計中的低、中、高頻聲場特性均滿足美國和歐盟的法規(guī)要求，同時降低了喇叭的尺寸和能量的消耗?！癆ctran的仿真結(jié)果提供了比實驗測試更全面的信息，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)的制造樣機進行測試的方法節(jié)省一半的時間”，Lee 說道。

優(yōu)化設(shè)計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)計之后，制造了一個完整的APAS測試樣機。物理測試結(jié)果顯示，設(shè)計滿足了所有的設(shè)計要求和法規(guī)要求，使用一個小的喇叭即實現(xiàn)了聲音輻射的最大化，并提供了卓越的聲聚焦表現(xiàn)。