基于有限元法的乘用車音響改進(jìn)及音效提升研究

鄭紅麗 曾桂華 郝欣言 張潔

（1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013；2.科大訊飛股份有限公司，合肥 230088）

0 引言

隨著中國汽車工業(yè)迅速發(fā)展，乘用車保有量已突破2.8 億輛，汽車已成為日常生活中不可或缺的交通工具。與此同時(shí)，由于音效系統(tǒng)的表現(xiàn)力直接影響智能座艙的駕駛體驗(yàn)，使汽車消費(fèi)者對智能座艙音效系統(tǒng)關(guān)注逐漸增加。目前，音效系統(tǒng)在乘用車上應(yīng)用廣泛，其產(chǎn)品形態(tài)主要表現(xiàn)為車輛搭載音頻功率放大器和多揚(yáng)聲器[1]，乘客在該車輛環(huán)境下可以沉浸在音效功能豐富的空間中。由于用戶在前期對音效功能的認(rèn)知有限，在購買時(shí)并未考慮品牌揚(yáng)聲器或揚(yáng)聲器數(shù)量較高的車輛配置。因此，目前市場中存在大量對車輛音響系統(tǒng)改裝的需求[2]。然而對該車輛系統(tǒng)的改裝和改裝后的音效評價(jià)體系鮮有系統(tǒng)性方法與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如何正確指導(dǎo)乘用車音響系統(tǒng)改裝，提升原始車輛的音效水平是目前的行業(yè)難題。

本文提出了一種適用于乘用車音響系統(tǒng)改裝方法，以此提升原始音效水平。以某國產(chǎn)車為例，原車配備10個(gè)揚(yáng)聲器。首先，基于有限元分析理論建立車輛門板件模型，通過CAE仿真技術(shù)計(jì)算出車門板件的模態(tài)和頻率響應(yīng)分布，作為音響系統(tǒng)改裝的重要輸入?yún)?shù)。其次，為了降低模態(tài)對音效水平的影響，提出了改善模態(tài)共振頻率的措施。隨后，基于整車座艙空間和心理感知期望水平，制定了23個(gè)揚(yáng)聲器的系統(tǒng)改裝方案，并在實(shí)車中得以實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過客觀和主觀評價(jià)，改進(jìn)后的車輛音響系統(tǒng)顯著提升音效水平。

1 車輛門板件有限元分析

車門是是汽車車身中非常重要的功能部件，在日常使用過程中由于反復(fù)地開關(guān)[3]，同時(shí)也是門低音揚(yáng)聲器和門中音揚(yáng)聲器的關(guān)鍵承載器件，因此車輛門板件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)的頻率響應(yīng)表現(xiàn)對揚(yáng)聲器表現(xiàn)至關(guān)重要。目前，汽車行業(yè)針對車輛零部件的分析方法主要有2 種，分別是解析法和試驗(yàn)法[4]。其中解析法主要通過理論分析，其基本原理為創(chuàng)建彈簧-質(zhì)量數(shù)學(xué)模型，然后通過CAE 軟件完成模型解析。試驗(yàn)法是對目標(biāo)進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證分析，通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法和選定試驗(yàn)器材完成驗(yàn)證分析過程。本文通過有限元軟件完成解析法分析，同時(shí)搭建試驗(yàn)臺架以驗(yàn)證和確認(rèn)分析結(jié)果。

針對某國產(chǎn)乘用車進(jìn)行分析，以左前門為例建立門板件的有限元模型并分析模態(tài)頻率和振型。首先，通過有限元軟件ANSYS Workbench 建立結(jié)構(gòu)模型，整個(gè)模型包括車門板件及其附件。其次，劃分實(shí)體六面體網(wǎng)格單元并將材料屬性中彈性模量設(shè)置為200 GPa、泊松比為0.3，以實(shí)車安裝點(diǎn)設(shè)置靜載荷分析其固有頻率和振型。通過分析前6 階固有頻率依次為48.0 Hz、53.2 Hz、57.9 Hz、64.9 Hz、68.4 Hz、70.1 Hz，振型結(jié)果如圖1所示。

圖1 車門模態(tài)振型仿真結(jié)果

同時(shí)，通過臺架進(jìn)一步測試該車門的頻率響應(yīng)結(jié)果。選取三向加速度傳感器和振動(dòng)力錘，使用多通道數(shù)據(jù)采集器以獲取頻率響應(yīng)曲線。經(jīng)過測試，某車門頻率響應(yīng)測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 改裝前車門頻率響應(yīng)測試

通過圖2 實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果可知，該車門頻率響應(yīng)曲線固有頻率與有限元仿真吻合，證明有限元分析的準(zhǔn)確性。同時(shí)，2階和5階在相同力錘激勵(lì)下，振動(dòng)加速度幅度偏大且與車門低音揚(yáng)聲器的最低頻率點(diǎn)吻合，存在車門低音揚(yáng)聲器與車門板件共振的風(fēng)險(xiǎn)[5]。結(jié)合圖1中2階和5階車門模態(tài)振型可知，車門板件沿車輛坐標(biāo)系Y方向振動(dòng)較大，因此在音響系統(tǒng)改裝時(shí)應(yīng)著重減少門鈑金件在該方向的振動(dòng)，提高車門板件的側(cè)向強(qiáng)度。

2 揚(yáng)聲器系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì)

本文中揚(yáng)聲器系統(tǒng)改裝對象為一臺定位為中高端的轎車，原車搭載12 個(gè)揚(yáng)聲器。為了進(jìn)一步提高車輛音效品質(zhì)以及預(yù)研下一代產(chǎn)品，本次計(jì)劃將揚(yáng)聲器數(shù)量規(guī)劃至23 個(gè)揚(yáng)聲器，具體布置清單見表1所示。

由表1 可知，在原車的基礎(chǔ)上增加11 個(gè)揚(yáng)聲器，分別是四門中音揚(yáng)聲器、中置高音揚(yáng)聲器、后環(huán)繞高音揚(yáng)聲器、后環(huán)繞中音揚(yáng)聲器、天空3D 高音揚(yáng)聲器。其中原車門高音揚(yáng)聲器、門低音揚(yáng)聲器、中置中音揚(yáng)聲器和行李箱重低音揚(yáng)聲器為原車升級與加強(qiáng)。對于原車增加的揚(yáng)聲器按表1 進(jìn)行詳細(xì)布置。

表1 目標(biāo)車輛23個(gè)揚(yáng)聲器布置

（1）中置高音揚(yáng)聲器：在原車中置揚(yáng)聲器右側(cè)布置高音揚(yáng)聲器，增加車內(nèi)聲場寬度和縱深感。

（2）門中音揚(yáng)聲器：安裝在車門高度約1/3 處，且指向側(cè)方角度≤10°，且保證中音揚(yáng)聲器背面的密封性。

（3）天空3D高音揚(yáng)聲器：安裝在車內(nèi)四座上方前側(cè)，增加車內(nèi)高音通透度，同時(shí)也可以試驗(yàn)多通道音源成分的還原感。

（4）后環(huán)繞高音、中音揚(yáng)聲器：在原車環(huán)繞中音揚(yáng)聲器的上方布置環(huán)繞高音揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器頂面到網(wǎng)罩距離＜5 mm。

測試改裝后的車門鈑金件與改裝前的車門鈑金件對比數(shù)據(jù)如表2所示，改裝后車門的2階和5階振動(dòng)有明顯改善，分別降低車門板振動(dòng)加速度達(dá)31.20%和29.43%。同時(shí)，由于增加阻尼墊，使得6階的振動(dòng)加速度也衰減19.3%。

表2 改裝前后車門板前6階振動(dòng)衰減對比

基于本文中以門板件有限元分析結(jié)論，針對原車需要升級與提升的四門揚(yáng)聲器參數(shù)，通過在門板件貼附止振阻尼墊和隔音材料，有效抑制低音揚(yáng)聲器對車門板件2 階和5 階振動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)一步提高揚(yáng)聲器的輸出品質(zhì)。

3 主客觀音效評價(jià)

為了檢驗(yàn)改裝后車輛揚(yáng)聲器的音效表現(xiàn)，制定主觀音效評價(jià)和客觀測試方案。其中客觀測試采用陣列麥克風(fēng)傳感器測試車內(nèi)頻率響應(yīng)曲線，采用圖3所示的傳聲器陣列進(jìn)行車內(nèi)聽音位頻率響應(yīng)測量。傳聲器的指向性為全指向性，傳聲器陣列的左右中心距離為13.5 cm，上下中心距離為14.5 cm。傳聲器拾取信息經(jīng)由多通道數(shù)據(jù)采集設(shè)備，傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

圖3 傳聲器陣列與實(shí)車布置

測試信號采用0°和180°這2 種相位角的立體聲粉紅噪聲（Pink noise）作為測量信號，測試前將座椅調(diào)節(jié)至座椅導(dǎo)軌的中心位置。然后，標(biāo)定待測車輛的媒體音量。車機(jī)重放0°相位角粉紅噪聲，調(diào)整車機(jī)音量大小，使主駕駛頭枕處的聲壓級平均值為80 dB(A)。然后，依次測量0°粉紅噪聲和180°粉紅噪聲下，左前、右前、左后、右后4個(gè)座位處的1/6倍頻程頻率響應(yīng)，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 目標(biāo)車輛的客觀測試數(shù)據(jù)

優(yōu)秀的音響聲學(xué)調(diào)校旨在使車內(nèi)還原出聽音室的效果，使其舞臺定位清晰、環(huán)繞感增強(qiáng)、聲場寬度拓寬、聲場高度還原舞臺真實(shí)感[6]。優(yōu)秀的汽車音效表現(xiàn)在以下6個(gè)方面：

（1）頻率響應(yīng)自然、細(xì)節(jié)豐富、無音染；

（2）高頻細(xì)膩，中頻溫暖，低頻結(jié)實(shí)有力、收放自如；

（3）聲場還原準(zhǔn)確（對比標(biāo)準(zhǔn)聽音室聲場）、舞臺寬度合適；

（4）人聲、樂器定位精準(zhǔn)、真實(shí)；

（5）環(huán)境包圍豐富、現(xiàn)場感真實(shí)；

（6）車內(nèi)各個(gè)座位聽感接近。

為了準(zhǔn)確地衡量整車主觀評價(jià)，設(shè)計(jì)5 大評價(jià)維度和19 個(gè)評價(jià)子項(xiàng)，具體的主觀評價(jià)維度如表3所示。

表3 主觀評價(jià)維度與子項(xiàng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

選取市面上品牌揚(yáng)聲器且數(shù)量為19～34 個(gè)的競品車輛作為對標(biāo)樣車，對標(biāo)樣車信息見表4所示。其中將本次改裝目標(biāo)車輛記為編號7。

表4 競品與目標(biāo)車輛揚(yáng)聲器配置數(shù)量

經(jīng)過主觀評價(jià)，樣車與目標(biāo)車型的得分如圖5 所示，其中目標(biāo)樣車（7號）獲得了較高的得分，在對標(biāo)樣車中處于較高水平，與本次最高得分3號樣車基本相當(dāng)。同時(shí)，7號樣車在改裝前水平不及1號樣車，由此可見本次改裝可顯著提升整車音效水平。

圖5 車輛主觀評價(jià)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文提出基于有限元分析的乘用車音效系統(tǒng)改進(jìn)方法，通過主客觀融合評價(jià)目標(biāo)車型和競品車輛，得出如下結(jié)論：

（1）本文基于有限元分析理論建立車輛門板件模型，計(jì)算得出的車門板件模態(tài)和頻率響應(yīng)分布結(jié)果作為音響系統(tǒng)改進(jìn)輸入，通過增加止振隔音措施以提高車內(nèi)揚(yáng)聲器水平。

（2）基于車輛產(chǎn)品定位和感知期望水平，制定了23 個(gè)揚(yáng)聲器的系統(tǒng)改進(jìn)方案。增加了高端定位車型的天空3D高音揚(yáng)聲器、車門中音等揚(yáng)聲器，進(jìn)一步提高車內(nèi)音效體驗(yàn)。

（3）基于主觀評價(jià)和客觀測試對改裝后的目標(biāo)車型進(jìn)行評價(jià)，并與高端競品車輛進(jìn)行對比，結(jié)果驗(yàn)證了本文的音效改進(jìn)方法可顯著提升音效水平，為車輛音效改進(jìn)提供參考。