設(shè)計仿真 | 基于測試車輛聲學(xué)警報系統(tǒng)仿真
電氣化為汽車制造商開啟了一個新時代，其中包括通用汽車 (GM)，該公司在全球范圍內(nèi)有數(shù)百萬輛汽車在道路上行駛。新的動力系統(tǒng)架構(gòu)影響著車輛的許多基本方面，必須設(shè)計額外的系統(tǒng)來適應(yīng)電動汽車的獨特特性。
在噪音方面，由于沒有內(nèi)燃機，電動汽車變得極其安靜，以至于行人或其他道路使用者難以快速感知到汽車的存在，存在明顯的安全隱患。歐盟已實施一項法規(guī)，要求電動汽車搭配音響系統(tǒng)，以向行人提示車輛的存在。
車輛聲學(xué)警報系統(tǒng)(AVAS) 需要通過在特定位置發(fā)出最低噪音水平來確保合規(guī)性，這意味著系統(tǒng)需要提供滿足要求的適當(dāng)聲學(xué)指向性。
AVAS 系統(tǒng)由通常放置在車輛前部的揚聲器組成。在設(shè)計揚聲器時，采用仿真可確保其充分通過認證流程，因為這樣可以快速獲得結(jié)果，無需構(gòu)建多個原型。此外，由于對系統(tǒng)進行了徹底研究，因此可確保在測試時減少意外情況。
揚聲器通常尺寸很小，直徑約為 100 mm，格柵上有非常復(fù)雜的圖案。因此，在評估其作為車輛一部分的性能時，使用復(fù)雜的揚聲器模型并不容易實現(xiàn)，因為該模型需要較大的計算資源來解決非常高的頻率，通常為 3.5 kHz 。相反，將單極子等通用聲源來替代揚聲器作為車輛模型的一部分，可產(chǎn)生與實際揚聲器等效的聲輻射功率。不過另一方面，揚聲器產(chǎn)生的聲場具有明顯的指向性，聲學(xué)單極子無法準確表示。
負責(zé)這項工作的通用汽車高級噪聲和振動工程師 Wenlong Yang 表示：“通過這個項目，我們開始開發(fā)一種方法，來探索整車模型中 AVAS 揚聲器的聲學(xué)指向性，并開發(fā)一種具有與物理揚聲器相同的聲音特性的虛擬揚聲器模型”。
■ 所提方法和流程可分為5個步驟：
生成數(shù)值結(jié)果，以進行測試決策
測試揚聲器以收集麥克風(fēng)上的聲壓級
測試揚聲器以收集麥克風(fēng)上的聲壓級
使用測試數(shù)據(jù)驗證數(shù)值模型
將揚聲器集成到整車車型上
01
生成數(shù)值數(shù)據(jù)以進行測試決策
整體流程如圖1所示。首先通過數(shù)值模型進行虛擬測試（pseudo test），通過揚聲器振膜激勵計算出麥克風(fēng)上的聲壓響應(yīng)。接下來，通過這些麥克風(fēng)響應(yīng)利用逆方法反推一個虛擬揚聲器表面的加速度場。再利用此加速度場進行自由場的聲壓計算，并對比此聲壓結(jié)果與前一步振膜激勵計算的聲壓結(jié)果以進行驗證。這個流程可以把復(fù)雜的揚聲器模型簡化為一個較為簡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)可以基于多個麥克風(fēng)的結(jié)果來識別揚聲器的振型。為確保識別振型的準確，麥克風(fēng)的數(shù)量必須足以完全代表遠場中的聲場分布，特別是隨著頻率的增加，聲場空間會變得更加復(fù)雜。GM 以虛擬方式測試（pseudo test）了布置不同麥克風(fēng)數(shù)量的情況，從最少布置38個麥克風(fēng)到最多371 個麥克風(fēng)（圖2）。
圖2：使用不同數(shù)量的麥克風(fēng)產(chǎn)生的聲場
他們發(fā)現(xiàn)，盡管可以用76個麥克風(fēng)表示1米處3kHz的輻射聲場，但實際測試的條件多變，這意味著需要進行穩(wěn)健性研究。Yang 提到：“實際測試總是受到測量誤差的影響。我們在測量傳聲器位置以及每個傳聲器的聲壓測量（包括幅度和相位）時可能會出現(xiàn)誤差。因此，我們希望檢查這些錯誤是如何發(fā)生的，并為此在輸入數(shù)據(jù)中添加了人工擾動”。這可以通過仿真輕松完成。
評估對象包括三個影響因素：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個麥克風(fēng)時，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程轉(zhuǎn)化為物理測試所需的穩(wěn)健性（圖3）。下一階段需要大約300個麥克風(fēng)：接下來是物理測試。
圖3：關(guān)于不同測量誤差因素的穩(wěn)健性分析
02
物理測試和驗證
圖4：物理揚聲器的聲學(xué)測試
測試階段在 GM 的測試實驗室中進行。將揚聲器放置在麥克風(fēng)陣列的中心（圖4），并將測量結(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行了比較（圖5）。
圖5：三種頻率下麥克風(fēng)的聲壓級
總體而言，在所有麥克風(fēng)的測量和仿真之間實現(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展示了一個特定麥克風(fēng)處的聲壓級示例。
圖6：特定麥克風(fēng)處的聲壓級
經(jīng)過驗證后，就可以根據(jù)物理測量結(jié)果，使用反向薄膜分析法提取表面振動。然后可以將其集成到整車模型仿真中，用這種等效邊界條件取代揚聲器模型。
03
將虛擬揚聲器集成到整車中
圖7：虛擬揚聲器的表面振型
提取的表面振動（圖7）作為加速度邊界條件被引入整車模型，使通用汽車能夠評估揚聲器作為完整系統(tǒng)一部分的性能。在計算聲學(xué)傳遞函數(shù)的三個調(diào)節(jié)麥克風(fēng)位置對結(jié)果進行評估。聲學(xué)傳遞函數(shù)被定義為自由聲場源功率減去傳聲器處的聲壓級。
圖8：從揚聲器到車輛外部位置的聲學(xué)傳遞函數(shù)，紅色曲線為單極子假設(shè)激勵，藍色曲線為逆向識別的表面加速度振型激勵
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行了比較，結(jié)果看起來比以前更真實（圖8）。Yang 總結(jié)道：“盡管兩種方法的聲功率級相同，但我們可以看到，在特定頻率和位置的差異高達4 dB。這進一步證明了我們必須在車輛開發(fā)的 AVAS 揚聲器設(shè)計過程中正確對待聲源指向性這一因素?！?/p>
04
結(jié)論和未來工作
借助仿真，Yang 和通用汽車團隊成功開發(fā)出一種方法，考慮了AVAS 揚聲器的聲學(xué)指向性，并在過程中研究了其物理測試設(shè)置的穩(wěn)健性。
這促使他們開發(fā)出一個合適的測試設(shè)備，幫助他們創(chuàng)建一個幾何形狀更簡單，但具有實際揚聲器所有基本聲音特性的虛擬揚聲器。虛擬揚聲器作為整車模型的一部分經(jīng)過獨立驗證。
未來，通用汽車將利用在此間獲得的所有知識，將虛擬揚聲器應(yīng)用于車內(nèi)噪音預(yù)測，并評估揚聲器對于車輛聲學(xué)包的影響。
他們將把這一概念擴展到其他具有獨特聲學(xué)指向性且難以精確測量表面振動的車輛部件上。
