“Actran的仿真結果提供了比實驗測試更全面的信息，這些信息可以幫助現代工程師快速的迭代優(yōu)化方案，相比利用傳統(tǒng)的制造樣機進行測試的方法節(jié)省一半的時間。
——現代汽車高級研發(fā)工程師 Jinmo Lee
行業(yè)挑戰(zhàn)
電動汽車在中速或高速行駛時，可聽到的外部噪聲僅僅由風阻或胎噪產生。因此，電動汽車對于行人和自行車而言存在安全威脅，特別是視覺或聽覺有損傷的人或者在聽耳機的人。美國和歐盟已經提出了相關的法規(guī)要求新出廠的電動汽車在低速行駛時必須發(fā)出可被聽到的聲音。這些法規(guī)對于警報聲音的大小和頻率范圍有不同的要求。
近些年，現代汽車已經開發(fā)出主動行人警報系統(tǒng)（APAS）。此系統(tǒng)利用聲音聚焦技術可僅對處于危險中的行人定向發(fā)聲。現在的APAS系統(tǒng)使用駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）攝像頭和定向發(fā)聲設備， 同時降低城市噪聲污染問題。在設計APAS時，現代汽車工程師必須考慮既滿足法規(guī)要求，又能對行人提供足夠的警示音效果，同時還要避免發(fā)出多余的聲音引起車內人員的不適感。
現代汽車主動行人警報系統(tǒng)
在過去，設計中考慮聲音問題時，現代工程師依賴于實驗測試來評估各種設計方法。這必須制造每一種設計方案的物理樣機，耗費一到兩個月的時間。物理實驗能夠提供的數據也是有限的。“采用物理實驗，我們僅僅能夠測量各個位置的聲音大小， 我們不得不猜測聲音產生和傳播的機理”，Jinmo Lee說道，“這對于改進設計方案來說很困難”。
MSC 解決方案
1) APAS模擬
現代工程師利用MSC Actran軟件模擬喇叭， 使用喇叭制造商提供的規(guī)格單中的Thiele/Small(T/S)參數進行建模，并將其與模擬喇叭內部腔體和外部的聲輻射空間的有限單元模型進行耦合。Actran計算6000Hz以下車輛區(qū)域的聲壓和聲阻抗。
喇叭的聲學有限元模型
2) 使用仿真結果優(yōu)化喇叭設計
現代通過Actran進行一系列參數研究，尋找各主要設計變量對聲場的影響。歐盟和美國法規(guī)要 求，在1600Hz以下和800Hz以下至少分別發(fā)出一個頻率的警報聲音。APAS喇叭的驅動單元很小， 因此滿足低頻聲音要求比較困難。同時實驗分析顯示，在400Hz以下的一個頻率可以較明顯的傳遞到乘客艙，這影響了乘客的舒適感。接下來工程師 在喇叭上加入背腔設計，并做了數值仿真，通過 掃頻分析發(fā)現此時聲阻抗頻率從400Hz改變到490Hz，這一改變既可以滿足法規(guī)要求，同時也保證了成員的舒適性。
喇叭的背腔對頻譜特性的影響
聲波導管可以保護喇叭不受環(huán)境中水汽的影 響，而且在聲音調校方面起到重要作用。工程師使用Actran管道聲場仿真技術進行導管的設計以加強中頻1500Hz聲音傳播。同時喇叭內部覆蓋件和驅動單元之間的空間得到優(yōu)化，以加強4400Hz附近的聲壓級。
聲波導管對頻譜特性的影響
工程師在仿真中對保險杠上喇叭安裝的垂直 位置進行研究，考慮車的前部形狀和地面的影 響。仿真結果顯示，最低的安裝位置呈現最好的警示聲場效果，既提供了更高的聲壓級，又提供相對平緩的頻譜表現。仿真也顯示出最低位置可以將地面帶來的聲波相消干涉降到最小。
三種可能的喇叭陣列安裝位置
仿真結果及測試對標
工程師對仿真結果進行驗證，使用1V的正弦掃頻信號進行喇叭實驗和仿真。如上圖所示，仿真得到的喇叭1米遠處聲場頻譜與物理實驗完美匹配。
喇叭測試和仿真對比
現代工程師使用Actran優(yōu)化揚聲器腔體和管道的中的聲學共鳴，可以使喇叭設計中的低、中、高頻聲場特性均滿足美國和歐盟的法規(guī)要求，同時降低了喇叭的尺寸和能量的消耗。“Actran的仿真結果提供了比實驗測試更全面的信息，這些信息可以幫助現代工程師快速的迭代優(yōu)化方案，相比利用傳統(tǒng)的制造樣機進行測試的方法節(jié)省一半的時間”，Lee 說道。
優(yōu)化設計提供了非常好的聲音聚焦表現
現代使用Actran仿真優(yōu)化設計之后，制造了一個完整的APAS測試樣機。物理測試結果顯示，設計滿足了所有的設計要求和法規(guī)要求，使用一個小的喇叭即實現了聲音輻射的最大化，并提供了卓越的聲聚焦表現。
