基于声线跟踪法的汽车喇叭近场声压仿真

米路

（长城汽车股份有限公司保定技术研发分公司，保定 071003）

1 前言

根据GB 7258—2017《机动车运行安全技术条件》要求，机动车应配置具有连续发声功能的喇叭。在距车前2 m、离地高度为1.2 m 处，喇叭声压级应为90～115 dB(A)[1]；在距车前7 m、离地高度为0.5～1.5 m 处，喇叭声压级应为87～112 dB(A)[2]。一般高、低音喇叭各配置一个，布置于机舱前端两侧，同时发声。

在乘用车喇叭选型研究中，徐中明等[3]基于主观评价开展了喇叭的声品质分析，张志飞等[4]进行了基于客观测试的喇叭声特性研究，梁占飞等[5]进行了汽车喇叭设计、布置经验及常见问题解析。然而，上述研究对于在车型开发前期如何进行喇叭选型鲜有说明。目前，常用的喇叭选型方法为车型开发后期实车测试，即在车辆下线后安装不同品牌和型号的喇叭，在车前方2 m 和7 m 处用声级计分别测试喇叭的声压级，直到找到满足法规要求的喇叭为止。这种方法无法在车型开发前期确定喇叭的规格型号，不能为喇叭预留准确的空间，后期可能因空间不足无法安装，影响车型量产进度，且实车测试人力和设备成本较高。

本文基于声传递特性，提出在车型开发前期通过仿真计算喇叭近场声压级的方法，为车型开发前期喇叭选型提供依据。在车型开发阶段，提取车体外表面硬壁板数据，在VAOne 软件中应用声线跟踪（Ray Tracing）模块建立求解模型；应用LMS Test Lab测试系统中的逆矩阵模块[6]测试得到喇叭的声功率并将其加载到声线跟踪法求解模型中，通过参数设置、模型调校计算得到喇叭近场声压。

2 声线跟踪法

声线跟踪法将噪声源定义为一个紧凑型声源，认为所有的声能量都从一点以声波的形式发出。声波有4 种传递形式，即直射、反射、散射、衍射，反射遵循斯内尔定律（Snell Law）[7]，散射遵循朗伯定律（Lambert’s Law）[8]，衍射遵循衍射定律[9]。

声波在空气中的传播如图1 所示，在Ⅰ-Ⅱ区域，声波的传播有直射、反射、散射3种形式，此区域接收到的声能量为：

图1 声波在空气中传播示意

式中：Qz、Qf、Qs分别为声波通过直射、反射、散射方式传递到接收点的声能量。

在Ⅱ-Ⅲ区域，声波的传播有直射、散射2 种形式，此区域接收到的声能量为：

在Ⅲ-Ⅳ区域，声波的传递只有衍射一种形式，此区域接收到的声能量为：

式中：Qy为声波通过衍射方式传递到接收点的声能量。

3 声线跟踪法模型建立

某轿车的前期外表面（Concept A Surface，CAS）数据如图2所示。对CAS及车轮数据进行几何修整并生成网格，将网格导入VAOne 软件，如图3 所示。应用VAOne 软件中的依据网格自动生成板件（Auto Create Plate from FE）指令生成全车板件[10]，在车体上方6 m 处创建声线跟踪法模块，并调用车体板件，如图4所示。

图2 某轿车车体CAS数据

图3 将网格数据导入VAOne软件示意

图4 声线跟踪法模块调用车体板件示意

在模型中添加紧凑声源和声压检测传感器。由于此车型为新能源车型，无散热格栅，机舱整体为全密封形式，若将紧凑声源按照喇叭设计位置置于机舱内，声线无法传播到车外，故将紧凑型声源置于车外，紧贴前保险杠面罩，X向与前保险杠的距离为10 mm，且Y向、Z向坐标与喇叭安装位置保持一致。声压检测传感器的位置为车前2 m、高度1.2 m和车前7 m、高度分别为0.5 m、0.8 m、1.1 m、1.5 m。

VAOne 软件中声线跟踪模块所涉及的参数如表1所示。

表1 声线跟踪模块参数

4 喇叭声功率和近场响应声压获取

4.1 喇叭声功率获取

测试高、低音喇叭声功率时需要注意的是，测试的位置应为喇叭安装位置的等效位置，即前文中添加紧凑型声源的位置。本文采用LMS Test Lab 测试系统中的逆矩阵功能模块获取该车型高、低音喇叭的声功率。

测试原理如图5所示，车辆静止状态下，分别测试高、低音喇叭到6 个麦克风的传递函数TH-i、TL-i，其中TH-i、TL-i分别为高、低音喇叭到麦克风i（i=1,2,3,4,5,6）的传递函数。所使用的麦克风数量越多，测试结果越准确，测试过程如图6所示。

图5 高、低音喇叭声功率测试原理

图6 高、低音喇叭到麦克风的传递函数测试

保持6 个麦克风的位置不变，按响喇叭，测试6个麦克风的有效声压p1～p6。传递函数与有效声压的关系可表示为：

式中，SH、SL分别为高、低音声源体积加速度。

式（4）可改写为：

由式（5）可知，测得传递函数和麦克风的有效声压后即可计算出高、低音喇叭的声源体积加速度，需将其转换为声功率：

式中：SW为声源的声功率，S为体积加速度，c为声速。

声源声功率的频率范围为0.1～10 kHz，频率间隔为1 Hz，半消声室测得的高、低音喇叭的声功率如图7所示，为方便展示，仅列出800～900 Hz频段的数据，间隔为5 Hz。

4.2 近场响应声压获取

在半消声室内测试喇叭发声，如图8所示，测量车前2 m、高1.2 m和车前7 m、高度分别为0.5 m、0.8 m、1.1 m、1.5 m处的声压，用于模型调校时参照。

图8 喇叭近场响应声压测试现场

5 喇叭近场响应仿真精度分析

将扬声器发声时测试计算得到的声功率加载到声线跟踪法求解模型中，得到近场响应的仿真结果，并与测试结果对比，通过调节声线跟踪模块的参数使各位置85%以上频点近场响应仿真结果与测试结果的误差在±3 dB(A)范围内。以车前2 m、高度为1.2 m 和车前7 m、高度为1.5 m 2 个位置为例，喇叭发声时的仿真和测试结果如图9所示。

图9 喇叭近场响应仿真结果与测试结果对比

由图9 可知，应用声线跟踪法计算得到的喇叭近场响应仿真结果与测试结果一致性较好。

6 结束语

本文以某轿车为研究对象，通过提取车体外表面硬壁板数据，在VAOne 软件中建立声线跟踪法求解模型，利用逆矩阵模块得到喇叭的声功率并加载到声线跟踪法求解模型计算喇叭近场声压，仿真与测试对比结果表明，应用声线跟踪法计算得到的喇叭近场声压与测试结果一致性较好。该方法可在车型开发前期为扬声器选型提供数据支持。