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在汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，為乘客營(yíng)造高品質(zhì)的車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)環(huán)境不僅能夠使駕乘人員充分享受到音樂(lè)的美妙，更能幫助駕駛員以最佳的心態(tài)駕駛車(chē)輛，已成為擴(kuò)大銷(xiāo)售額和增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有力突破點(diǎn)。車(chē)輛內(nèi)飾材料設(shè)計(jì)是車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，它在美化車(chē)廂、保證乘坐舒適度的同時(shí)，營(yíng)造良好的吸音隔音環(huán)境。但目前車(chē)輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)仍然停留在設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)積累和大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，在耗費(fèi)大量人力物力的同時(shí)，也不能保證對(duì)聲場(chǎng)的有效控制。
本文提出了一種基于聲線跟蹤法(計(jì)入了模型界面散射作用)的車(chē)輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)利用計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬軟件EASE中的AURA模塊對(duì)車(chē)載揚(yáng)聲器混響時(shí)間的高精度仿真，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的內(nèi)飾材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少實(shí)驗(yàn)周期，節(jié)省人力物力。
1 數(shù)學(xué)模型的建立1.1 混響時(shí)間定義混響時(shí)間就是在聲場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定后，聲源突然停止發(fā)聲，聲場(chǎng)聲壓按線性規(guī)律衰減60 dB所需的時(shí)間，一般用T60來(lái)表示[, ]。然而在實(shí)際情況下，由于衰減量程及本底噪聲的干擾，造成在60 dB內(nèi)很難有良好的衰減曲線，因此，人們也使用T20(RT20)或T30(RT30)來(lái)表示混響時(shí)間。T20為聲壓級(jí)衰減20 dB所需時(shí)間乘以3；T30為聲壓級(jí)衰減30 dB所需時(shí)間乘以2?；祉憰r(shí)間示意圖如圖 1所示。
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| 圖 1 混響時(shí)間示意圖 |
早在1900年，美國(guó)哈佛大學(xué)賽賓教授發(fā)表了題為《論混響》的著名論文[]，提出著名的混響時(shí)間為
K——與聲音在空氣中傳播速度有關(guān)的常量，溫度15 ℃，聲速為340 m/s時(shí)，K=0.163(s/m)；溫度為20 ℃，聲速為343 m/s時(shí)，K=0.161(s/m)；
V——封閉空間的總?cè)莘e(m3)；
α——空間內(nèi)所有表面的平均吸聲系數(shù)；
S——空間內(nèi)表面積(m2)；
Si——第i個(gè)面的面積(m2)；
αi——第i個(gè)面的吸聲系數(shù)。
后來(lái)，在研究影響混響時(shí)間的各因素過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)吸收聲能的除了空間內(nèi)表面之外，還有空間內(nèi)空氣本身，并且不同的空氣濕度對(duì)聲能的吸收也不同。艾潤(rùn)-努特發(fā)表了更加精確的修正[]為
V——空間容積(m3)；
S——空間內(nèi)總表面積(m2)；
α——空間內(nèi)平均吸聲系數(shù)；
m——空氣中聲衰減系數(shù)(m-1)。
2 車(chē)體聲場(chǎng)仿真分析2.1 車(chē)體物理模型本文采用計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬軟件EASE，對(duì)樣車(chē)進(jìn)行實(shí)體建模，駕駛室內(nèi)部尺寸為：2.65 m×1.59 m×1.28 m，建立模型如圖 2所示。
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| 圖 2 駕駛室模型視圖 |
在駕駛室內(nèi)，頂棚A面(乘客見(jiàn)到的面，其反面為B面)的材料為纖維紡織物，B面為無(wú)紡布面料，地面鋪有薄地毯，儀表盤(pán)的表面材料為聚氯乙烯(PVC)軟質(zhì)表皮和聚氨酯塑料板，前圍隔熱墊材料為PET毛氈，車(chē)窗材料為玻璃，車(chē)門(mén)內(nèi)板表面材料為聚氯乙烯(PVC)軟質(zhì)表皮、纖維紡織物和聚氨酯塑料板，后置物臺(tái)表面材料為無(wú)紡布，中控臺(tái)表面材料為木板，座椅表面材料為絨布座套,立柱材料為聚氨酯塑料板。
2.2 內(nèi)飾材料吸聲系數(shù)不同內(nèi)飾材料的面積和吸聲系數(shù)如表 1所示。
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模型建立完畢后，使用EASE軟件中的AURA模塊進(jìn)行駕駛室混響時(shí)間的仿真計(jì)算。AURA運(yùn)算模塊采用聲線跟蹤法計(jì)算房間聲源至聽(tīng)聲面上某一點(diǎn)處的聲場(chǎng)脈沖響應(yīng)，然后再計(jì)算出各種聲學(xué)參量；因此，它不僅適用于擴(kuò)散聲場(chǎng)，還適用于非擴(kuò)散聲場(chǎng)的聲學(xué)參量計(jì)算?；祉憰r(shí)間仿真曲線見(jiàn)圖 3，聲場(chǎng)中各頻率的混響時(shí)間見(jiàn)表 2。
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| 圖 3 混響時(shí)間曲線 |
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由圖 3可以看出：混響時(shí)間在125 Hz前處于減小趨勢(shì)，在125～500 Hz又逐漸增大，在500～1 000 Hz急劇減小，之后處于平緩狀態(tài)。由于音樂(lè)信號(hào)的頻率范圍主要集中在8 kHz以下，列出了125 Hz～8 kHz各頻率的混響時(shí)間，由表 2可以發(fā)現(xiàn)，500 Hz之前的混響時(shí)間均在0.4 s以上，而1 000 Hz之后的混響時(shí)間均低于0.1 s。
3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)根據(jù)ISO 3382要求[]，本文通過(guò)CLIO電聲測(cè)量系統(tǒng)，使用MLS最大脈沖序列法，通過(guò)接收車(chē)載揚(yáng)聲器向車(chē)內(nèi)發(fā)送的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)混響時(shí)間的測(cè)量分析。
測(cè)試過(guò)程中，計(jì)算機(jī)通過(guò)PB-4281PC板及SC-01信號(hào)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的交流信號(hào)經(jīng)CLIO QC放大器與轉(zhuǎn)換盒放大后輸入車(chē)載揚(yáng)聲器，MC-01麥克風(fēng)將接受到的音頻信號(hào)輸入到CLIO QC放大器與轉(zhuǎn)換盒，通過(guò)A/D、D/A轉(zhuǎn)換和18位數(shù)字化分析處理后儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。
由于汽車(chē)駕駛室的對(duì)稱(chēng)性，選擇如下4個(gè)測(cè)量位置：前排主駕駛處(位置1)、前排座位中間處(位置2)、后排座位中間處(位置3)、后排右側(cè)座位處(位置4)。聲源采用樣車(chē)自身安裝的同軸揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器額定功率20 W，最大功率30 W，靈敏度為87±1.5％，有效頻率為60 Hz～20 kHz。
測(cè)量過(guò)程中，車(chē)門(mén)關(guān)閉，麥克風(fēng)接收聲音的端口高出座椅約8 cm，垂直指向汽車(chē)底部。測(cè)量過(guò)程中采用16 k的脈沖序列，每個(gè)測(cè)量位置取3次測(cè)量的均值。位置2處測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖 4、圖 5、圖 6，各頻率混響時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表 3。
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| 圖 4 測(cè)量的脈沖響應(yīng)曲線 |
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| 圖 5 時(shí)間-能量曲線 |
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| 圖 6 混響時(shí)間(RT20)曲線 |
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由圖 4和圖 5可以看出，在前30 ms內(nèi)脈沖信號(hào)衰減比較劇烈，而后衰減趨勢(shì)逐漸趨于平緩。圖 6是測(cè)量出的聲場(chǎng)中32 Hz～16 kHz的混響時(shí)間(RT20)曲線，對(duì)照圖 6及圖 3，我們可以看到，EASE仿真曲線與CLIO測(cè)量曲線吻合良好。通過(guò)對(duì)照表 2與表 3，各頻率混響時(shí)間值相差不超過(guò)0.061 s，驗(yàn)證了EASE軟件仿真模擬的準(zhǔn)確性。
由于轎車(chē)內(nèi)部最佳混響時(shí)間在0.3～0.4 s之間[]，樣車(chē)在低頻范圍內(nèi)混響時(shí)間均高于0.4 s，500 Hz左右的混響時(shí)間已經(jīng)超過(guò)了1 s，造成音樂(lè)明晰度(C80)的嚴(yán)重下降。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，500 Hz處的明晰度只有-8.6 dB，低于良好明晰度的最小值0 dB；而在1 000 Hz以后的混響時(shí)間均低于0.1 s，聲音就會(huì)變得枯燥干澀，缺乏真實(shí)感和表現(xiàn)力，在很大程度上降低了音樂(lè)的再放還原效果。因此，這兩個(gè)頻率段也是樣車(chē)混響時(shí)間優(yōu)化的重點(diǎn)所在。
鑒于EASE軟件在車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)中模擬的準(zhǔn)確性，可以借助EASE軟件指導(dǎo)車(chē)輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)，在減少實(shí)驗(yàn)周期的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和有效控制，提高工作效率。以樣車(chē)為例，增加紡織材料表面密度或地毯針刺密度[]、將絨布座套更換為亞麻座套[]或三明治面料座套、使用玻璃纖維含量相對(duì)較高的纖維紡織物[]等方法，可以實(shí)現(xiàn)駕駛室聲場(chǎng)的優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示：通過(guò)將薄地毯更換為針刺密度為116.7針/cm2的針刺地毯、將絨布座套更換為亞麻座套、將纖維紡織物中玻璃纖維含量從100 g/m2增加到200 g/m2的方法，500 Hz的混響時(shí)間降低了0.22 s，1 000 Hz以上的高頻聲混響時(shí)間最多增加了0.14 s。
當(dāng)然，使用EASE進(jìn)行車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)的模擬還存在以下需要改進(jìn)的問(wèn)題：精確的車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)需要考慮乘員的存在，而EASE在分析封閉小空間聲場(chǎng)的時(shí)候還不能將人的因素考慮進(jìn)來(lái)；EASE模擬的準(zhǔn)確性建立在對(duì)材料吸聲系數(shù)準(zhǔn)確掌握基礎(chǔ)上，而目前還沒(méi)有國(guó)產(chǎn)內(nèi)飾材料系統(tǒng)準(zhǔn)確的吸聲數(shù)據(jù)庫(kù)。
4 結(jié)束語(yǔ)本文采用EASE軟件建模仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了某型轎車(chē)車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)混響時(shí)間的仿真和測(cè)量，通過(guò)對(duì)比分析，驗(yàn)證了利用EASE軟件指導(dǎo)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的可行性。通過(guò)對(duì)混響時(shí)間的分析研究，分析了樣車(chē)混響時(shí)間在低頻和1 000 Hz以上高頻對(duì)音樂(lè)效果的影響，提出了內(nèi)飾優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行措施，對(duì)汽車(chē)車(chē)載揚(yáng)聲器聲場(chǎng)的研究和優(yōu)化具有一定的借鑒意義。
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