基于聲線跟蹤法的汽車喇叭近場聲壓仿真

米路

（長城汽車股份有限公司保定技術研發分公司，保定 071003）

1 前言

根據GB 7258—2017《機動車運行安全技術條件》要求，機動車應配置具有連續發聲功能的喇叭。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，喇叭聲壓級應為87～112 dB(A)[2]。一般高、低音喇叭各配置一個，布置于機艙前端兩側，同時發聲。

在乘用車喇叭選型研究中，徐中明等[3]基于主觀評價開展了喇叭的聲品質分析，張志飛等[4]進行了基于客觀測試的喇叭聲特性研究，梁占飛等[5]進行了汽車喇叭設計、布置經驗及常見問題解析。然而，上述研究對于在車型開發前期如何進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后期實車測試，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 處用聲級計分別測試喇叭的聲壓級，直到找到滿足法規要求的喇叭為止。這種方法無法在車型開發前期確定喇叭的規格型號，不能為喇叭預留準確的空間，后期可能因空間不足無法安裝，影響車型量產進度，且實車測試人力和設備成本較高。

本文基于聲傳遞特性，提出在車型開發前期通過仿真計算喇叭近場聲壓級的方法，為車型開發前期喇叭選型提供依據。在車型開發階段，提取車體外表面硬壁板數據，在VAOne 軟件中應用聲線跟蹤（Ray Tracing）模塊建立求解模型；應用LMS Test Lab測試系統中的逆矩陣模塊[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，通過參數設置、模型調校計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，認為所有的聲能量都從一點以聲波的形式發出。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區域，聲波的傳播有直射、反射、散射3種形式，此區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的聲能量。

在Ⅱ-Ⅲ區域，聲波的傳播有直射、散射2 種形式，此區域接收到的聲能量為：

在Ⅲ-Ⅳ區域，聲波的傳遞只有衍射一種形式，此區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）數據如圖2所示。對CAS及車輪數據進行幾何修整并生成網格，將網格導入VAOne 軟件，如圖3 所示。應用VAOne 軟件中的依據網格自動生成板件（Auto Create Plate from FE）指令生成全車板件[10]，在車體上方6 m 處創建聲線跟蹤法模塊，并調用車體板件，如圖4所示。

圖2 某轎車車體CAS數據

圖3 將網格數據導入VAOne軟件示意

圖4 聲線跟蹤法模塊調用車體板件示意

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，機艙整體為全密封形式，若將緊湊聲源按照喇叭設計位置置于機艙內，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如表1所示。

表1 聲線跟蹤模塊參數

4 喇叭聲功率和近場響應聲壓獲取

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，車輛靜止狀態下，分別測試高、低音喇叭到6 個麥克風的傳遞函數TH-i、TL-i，其中TH-i、TL-i分別為高、低音喇叭到麥克風i（i=1,2,3,4,5,6）的傳遞函數。所使用的麥克風數量越多，測試結果越準確，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、低音喇叭到麥克風的傳遞函數測試

保持6 個麥克風的位置不變，按響喇叭，測試6個麥克風的有效聲壓p1～p6。傳遞函數與有效聲壓的關系可表示為：

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，測得傳遞函數和麥克風的有效聲壓后即可計算出高、低音喇叭的聲源體積加速度，需將其轉換為聲功率：

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頻段的數據，間隔為5 Hz。

4.2 近場響應聲壓獲取

在半消聲室內測試喇叭發聲，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，用于模型調校時參照。

圖8 喇叭近場響應聲壓測試現場

5 喇叭近場響應仿真精度分析

將揚聲器發聲時測試計算得到的聲功率加載到聲線跟蹤法求解模型中，得到近場響應的仿真結果，并與測試結果對比，通過調節聲線跟蹤模塊的參數使各位置85%以上頻點近場響應仿真結果與測試結果的誤差在±3 dB(A)范圍內。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，喇叭發聲時的仿真和測試結果如圖9所示。

圖9 喇叭近場響應仿真結果與測試結果對比

由圖9 可知，應用聲線跟蹤法計算得到的喇叭近場響應仿真結果與測試結果一致性較好。

6 結束語

本文以某轎車為研究對象，通過提取車體外表面硬壁板數據，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算喇叭近場聲壓，仿真與測試對比結果表明，應用聲線跟蹤法計算得到的喇叭近場聲壓與測試結果一致性較好。該方法可在車型開發前期為揚聲器選型提供數據支持。