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基于混響時間的汽車內(nèi)飾設(shè)計方法研究

王志堅(jiān), 范朝綱    

摘要: 針對汽車內(nèi)飾環(huán)境,提出利用聲學(xué)模擬軟件EASE進(jìn)行車載揚(yáng)聲器聲場混響時間仿真的方法,指導(dǎo)車輛內(nèi)飾設(shè)計,提高工作效率。為驗(yàn)證EASE軟件仿真的準(zhǔn)確性,分別通過EASE軟件和電聲測試系統(tǒng)CLIO進(jìn)行某型國產(chǎn)轎車車載揚(yáng)聲器聲場混響時間研究。結(jié)果顯示:混響時間測量曲線與EASE仿真曲線吻合良好,EASE軟件的仿真結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

關(guān)鍵詞: 聲學(xué)     內(nèi)飾設(shè)計     聲學(xué)仿真     混響時間    

Study on design method for vehicle interior trim based on reverberation time

WANG Zhi-jian, FAN Chao-gang    

Abstract: A method was proposed to guide the design of interior trim and improve the work efficiency in the interior trim environment, in which the reverberation time in vehicular speaker sound field was simulated by acoustic simulation software EASE. Through the software EASE and the electro-acoustic test system CLIO, the research of reverberation time was conducted separately in the domestic car of a certain type to verify the accuracy of simulation. The results demonstrated that curves obtained by two methods mentioned above were in good agreement, and the simulation result was accurate and reliable.

Key words: acoustics     design of interior trim     simulation of sound field     reverberation time    

0 引言

在汽車市場競爭日益激烈的今天，為乘客營造高品質(zhì)的車載揚(yáng)聲器聲場環(huán)境不僅能夠使駕乘人員充分享受到音樂的美妙，更能幫助駕駛員以最佳的心態(tài)駕駛車輛，已成為擴(kuò)大銷售額和增強(qiáng)企業(yè)競爭力的有力突破點(diǎn)。車輛內(nèi)飾材料設(shè)計是車載揚(yáng)聲器聲場環(huán)境設(shè)計的重要內(nèi)容，它在美化車廂、保證乘坐舒適度的同時，營造良好的吸音隔音環(huán)境。但目前車輛內(nèi)飾設(shè)計仍然停留在設(shè)計人員的經(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，也不能保證對聲場的有效控制。

本文提出了一種基于聲線跟蹤法(計入了模型界面散射作用)的車輛內(nèi)飾設(shè)計方法。該方法通過利用計算機(jī)聲學(xué)模擬軟件EASE中的AURA模塊對車載揚(yáng)聲器混響時間的高精度仿真，實(shí)現(xiàn)在計算機(jī)平臺上的內(nèi)飾材料優(yōu)化設(shè)計，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 混響時間定義

混響時間就是在聲場達(dá)到穩(wěn)定后，聲源突然停止發(fā)聲，聲場聲壓按線性規(guī)律衰減60 dB所需的時間，一般用T₆₀來表示^{[, ]}。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)來表示混響時間。T₂₀為聲壓級衰減20 dB所需時間乘以3；T₃₀為聲壓級衰減30 dB所需時間乘以2。混響時間示意圖如圖 1所示。

1.2 混響時間的計算

早在1900年，美國哈佛大學(xué)賽賓教授發(fā)表了題為《論混響》的著名論文^[]，提出著名的混響時間為

式中：T₆₀——封閉空間的混響時間(s)；

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，K=0.163(s/m)；溫度為20 ℃，聲速為343 m/s時，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)；

S_i——第i個面的面積(m²)；

α_i——第i個面的吸聲系數(shù)。

后來，在研究影響混響時間的各因素過程中，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聲能的吸收也不同。艾潤-努特發(fā)表了更加精確的修正^[]為

式中：T₆₀——混響時間(s)；

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 車體聲場仿真分析2.1 車體物理模型

本文采用計算機(jī)聲學(xué)模擬軟件EASE，對樣車進(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。

在駕駛室內(nèi)，頂棚A面(乘客見到的面，其反面為B面)的材料為纖維紡織物，B面為無紡布面料，地面鋪有薄地毯，儀表盤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，車窗材料為玻璃，車門內(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，后置物臺表面材料為無紡布，中控臺表面材料為木板，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。

2.3 仿真結(jié)果

模型建立完畢后，使用EASE軟件中的AURA模塊進(jìn)行駕駛室混響時間的仿真計算。AURA運(yùn)算模塊采用聲線跟蹤法計算房間聲源至聽聲面上某一點(diǎn)處的聲場脈沖響應(yīng)，然后再計算出各種聲學(xué)參量；因此，它不僅適用于擴(kuò)散聲場，還適用于非擴(kuò)散聲場的聲學(xué)參量計算。混響時間仿真曲線見圖 3，聲場中各頻率的混響時間見表 2。

由圖 3可以看出：混響時間在125 Hz前處于減小趨勢，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)。由于音樂信號的頻率范圍主要集中在8 kHz以下，列出了125 Hz～8 kHz各頻率的混響時間，由表 2可以發(fā)現(xiàn)，500 Hz之前的混響時間均在0.4 s以上，而1 000 Hz之后的混響時間均低于0.1 s。

3 測量實(shí)驗(yàn)

根據(jù)ISO 3382要求^[]，本文通過CLIO電聲測量系統(tǒng)，使用MLS最大脈沖序列法，通過接收車載揚(yáng)聲器向車內(nèi)發(fā)送的脈沖信號，實(shí)現(xiàn)車載揚(yáng)聲器聲場混響時間的測量分析。

測試過程中，計算機(jī)通過PB-4281PC板及SC-01信號調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的交流信號經(jīng)CLIO QC放大器與轉(zhuǎn)換盒放大后輸入車載揚(yáng)聲器，MC-01麥克風(fēng)將接受到的音頻信號輸入到CLIO QC放大器與轉(zhuǎn)換盒，通過A/D、D/A轉(zhuǎn)換和18位數(shù)字化分析處理后儲存在計算機(jī)中。

由于汽車駕駛室的對稱性，選擇如下4個測量位置：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。

測量過程中，車門關(guān)閉，麥克風(fēng)接收聲音的端口高出座椅約8 cm，垂直指向汽車底部。測量過程中采用16 k的脈沖序列，每個測量位置取3次測量的均值。位置2處測量結(jié)果見圖 4、圖 5、圖 6，各頻率混響時間測量數(shù)據(jù)見表 3。

由圖 4和圖 5可以看出，在前30 ms內(nèi)脈沖信號衰減比較劇烈，而后衰減趨勢逐漸趨于平緩。圖 6是測量出的聲場中32 Hz～16 kHz的混響時間(RT20)曲線，對照圖 6及圖 3，我們可以看到，EASE仿真曲線與CLIO測量曲線吻合良好。通過對照表 2與表 3，各頻率混響時間值相差不超過0.061 s，驗(yàn)證了EASE軟件仿真模擬的準(zhǔn)確性。

由于轎車內(nèi)部最佳混響時間在0.3～0.4 s之間^[]，樣車在低頻范圍內(nèi)混響時間均高于0.4 s，500 Hz左右的混響時間已經(jīng)超過了1 s，造成音樂明晰度(C80)的嚴(yán)重下降。根據(jù)測量結(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以后的混響時間均低于0.1 s，聲音就會變得枯燥干澀，缺乏真實(shí)感和表現(xiàn)力，在很大程度上降低了音樂的再放還原效果。因此，這兩個頻率段也是樣車混響時間優(yōu)化的重點(diǎn)所在。

鑒于EASE軟件在車載揚(yáng)聲器聲場中模擬的準(zhǔn)確性，可以借助EASE軟件指導(dǎo)車輛內(nèi)飾設(shè)計，在減少實(shí)驗(yàn)周期的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對車載揚(yáng)聲器聲場的準(zhǔn)確預(yù)測和有效控制，提高工作效率。以樣車為例，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較高的纖維紡織物^[]等方法，可以實(shí)現(xiàn)駕駛室聲場的優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示：通過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的混響時間降低了0.22 s，1 000 Hz以上的高頻聲混響時間最多增加了0.14 s。

當(dāng)然，使用EASE進(jìn)行車載揚(yáng)聲器聲場的模擬還存在以下需要改進(jìn)的問題：精確的車載揚(yáng)聲器聲場實(shí)驗(yàn)需要考慮乘員的存在，而EASE在分析封閉小空間聲場的時候還不能將人的因素考慮進(jìn)來；EASE模擬的準(zhǔn)確性建立在對材料吸聲系數(shù)準(zhǔn)確掌握基礎(chǔ)上，而目前還沒有國產(chǎn)內(nèi)飾材料系統(tǒng)準(zhǔn)確的吸聲數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)束語

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)了某型轎車車載揚(yáng)聲器聲場混響時間的仿真和測量，通過對比分析，驗(yàn)證了利用EASE軟件指導(dǎo)內(nèi)飾設(shè)計的可行性。通過對混響時間的分析研究，分析了樣車混響時間在低頻和1 000 Hz以上高頻對音樂效果的影響，提出了內(nèi)飾優(yōu)化設(shè)計的可行措施，對汽車車載揚(yáng)聲器聲場的研究和優(yōu)化具有一定的借鑒意義。

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