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)居兆，該公司在全球范圍內有數(shù)百萬輛汽車在道路上行駛。新的動力系統(tǒng)架構影響著車輛的許多基本方面竹伸，必須設計額外的系統(tǒng)來適應電動汽車的獨特特性泥栖。

在噪音方面，由于沒有內燃機刹由，電動汽車變得極其安靜厨刷，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妨菩。歐盟已實施一項法規(guī)糙枚，要求電動汽車搭配音響系統(tǒng)，以向行人提示車輛的存在厚饱。

車輛聲學警報系統(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)性檐伞，這意味著系統(tǒng)需要提供滿足要求的適當聲學指向性。

AVAS 系統(tǒng)由通常放置在車輛前部的揚聲器組成惊眠。在設計揚聲器時纳傍，采用仿真可確保其充分通過認證流程妄温，因為這樣可以快速獲得結果，無需構建多個原型拧亡。此外瓷莽，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谤碳。

揚聲器通常尺寸很小溃卡，直徑約為 100 mm，格柵上有非常復雜的圖案蜒简。因此瘸羡，在評估其作為車輛一部分的性能時，使用復雜的揚聲器模型并不容易實現(xiàn)搓茬，因為該模型需要較大的計算資源來解決非常高的頻率犹赖，通常為 3.5 kHz 。相反卷仑，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峻村，可產(chǎn)生與實際揚聲器等效的聲輻射功率。不過另一方面锡凝，揚聲器產(chǎn)生的聲場具有明顯的指向性粘昨，聲學單極子無法準確表示。

負責這項工作的通用汽車高級噪聲和振動工程師 Wenlong Yang 表示：“通過這個項目窜锯，我們開始開發(fā)一種方法张肾，來探索整車模型中 AVAS 揚聲器的聲學指向性，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”悄贴。

 ■ 所提方法和流程可分為5個步驟：

生成數(shù)值結果悟唆，以進行測試決策

測試揚聲器以收集麥克風上的聲壓級

測試揚聲器以收集麥克風上的聲壓級

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）诈绷，通過揚聲器振膜激勵計算出麥克風上的聲壓響應涝沈。接下來，通過這些麥克風響應利用逆方法反推一個虛擬揚聲器表面的加速度場瓢圈。再利用此加速度場進行自由場的聲壓計算侍醇，并對比此聲壓結果與前一步振膜激勵計算的聲壓結果以進行驗證。這個流程可以把復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珊场。

圖1：所提出的流程圖

為了提取表面振動情況子历，使用 Actran 中的反向薄膜（inverse pellicular）分析。該技術可以基于多個麥克風的結果來識別揚聲器的振型逼酗。為確保識別振型的準確稻便，麥克風的數(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诽昨，聲場空間會變得更加復雜趁宠。GM 以虛擬方式測試（pseudo test）了布置不同麥克風數(shù)量的情況不从，從最少布置38個麥克風到最多371 個麥克風（圖2）。

圖2：使用不同數(shù)量的麥克風產(chǎn)生的聲場

他們發(fā)現(xiàn)犁跪，盡管可以用76個麥克風表示1米處3kHz的輻射聲場椿息，但實際測試的條件多變，這意味著需要進行穩(wěn)健性研究坷衍。Yang 提到：“實際測試總是受到測量誤差的影響寝优。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。因此枫耳，我們希望檢查這些錯誤是如何發(fā)生的乏矾，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迁杨。

評估對象包括三個影響因素：麥克風位置钻心、聲壓幅度和聲壓相位。他們發(fā)現(xiàn)铅协，盡管在使用76個麥克風時扔役，可以很好地復現(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化為物理測試所需的穩(wěn)健性（圖3）警医。下一階段需要大約300個麥克風：接下來是物理測試。

圖3：關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：物理揚聲器的聲學測試

測試階段在 GM 的測試實驗室中進行馁雏。將揚聲器放置在麥克風陣列的中心（圖4）酱晾，并將測量結果與仿真結果在不同麥克風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的聲壓級（滑動查看）

總體而言托俯，在所有麥克風的測量和仿真之間實現(xiàn)了非常好的關聯(lián)赠飞，在低頻的差異很小，在高頻的差異略大雹纤，但未影響仿真的整體質量篙协。圖6展示了一個特定麥克風處的聲壓級示例。

圖6：特定麥克風處的聲壓級

經(jīng)過驗證后墓趋，就可以根據(jù)物理測量結果粟朵，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奈兢，用這種等效邊界條件取代揚聲器模型喻秩。

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)一部分的性能啼插。在計算聲學傳遞函數(shù)的三個調節(jié)麥克風位置對結果進行評估娃肃。聲學傳遞函數(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傳遞函數(shù)粱锐，紅色曲線為單極子假設激勵疙挺，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扛邑，結果看起來比以前更真實（圖8）。Yang 總結道：“盡管兩種方法的聲功率級相同铐然，但我們可以看到蔬崩，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 揚聲器設計過程中正確對待聲源指向性這一因素锦爵〔盏睿”

04

結論和未來工作

借助仿真，Yang 和通用汽車團隊成功開發(fā)出一種方法险掀，考慮了AVAS 揚聲器的聲學指向性沪袭，并在過程中研究了其物理測試設置的穩(wěn)健性。

這促使他們開發(fā)出一個合適的測試設備樟氢，幫助他們創(chuàng)建一個幾何形狀更簡單冈绊，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)過獨立驗證埠啃。

未來死宣，通用汽車將利用在此間獲得的所有知識，將虛擬揚聲器應用于車內噪音預測吮蒜，并評估揚聲器對于車輛聲學包的影響跷碰。

他們將把這一概念擴展到其他具有獨特聲學指向性且難以精確測量表面振動的車輛部件上。

（捍卟恚克斯康工業(yè)軟件）

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