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馬自達(dá)在CX-5車型中對(duì)聲學(xué)環(huán)境的仿真與應(yīng)用

2025-01-15 09:55:19·  來(lái)源：ESI集團(tuán)  
　
馬自達(dá)在新款高靜音性的CX-5的研發(fā)過程中提出創(chuàng)造安靜的汽車。那么，如何達(dá)成其理想安靜狀態(tài)？行駛中的車子會(huì)充滿很多聲音，例如，作為汽車行駛聲音的輪胎聲音、
馬自達(dá)在新款高靜音性的CX-5的研發(fā)過程中提出“創(chuàng)造安靜的汽車”。那么，如何達(dá)成其“理想安靜狀態(tài)”？
行駛中的車子會(huì)充滿很多聲音，例如，作為汽車行駛聲音的輪胎聲音、風(fēng)聲、周圍環(huán)境聲音的生活聲音、宣傳聲音等，都是“不必要的不愉快噪音”。
但是即使不愉快，救護(hù)車和警車的警報(bào)聲，警報(bào)聲音等是「必須聽見的聲音」，根據(jù)車種的不同，引擎聲音并非不愉快的噪音而是充滿駕駛感的「想聽見的聲音」。
在其他方面，在車內(nèi)的會(huì)話，音頻，開關(guān)操作聲音等，車中的人，設(shè)備發(fā)出的聲音同樣是「應(yīng)該清晰可聽的聲音」。
CX-5為了實(shí)現(xiàn)靜音性做出了怎樣的努力?
減少噪聲本身；
阻止噪聲進(jìn)入車內(nèi)；
吸收進(jìn)入車內(nèi)的聲音。
所謂“減小噪聲”，就是要減少引擎噪音、減少輪胎和地面的擦音、減少風(fēng)擋等噪聲的產(chǎn)生。
特別是對(duì)于風(fēng)聲，極力消除了車身的凹凸，使得車身表面順暢以減小空氣阻力。另一個(gè)方式是改善雨刷的安裝位置。汽車表面的雨刷是最重的異物，是造成空氣流動(dòng)紊亂的原因。CX -5把雨刷安裝位置做成凹陷形狀，將雨刷收進(jìn)凹槽，避免與風(fēng)直接發(fā)生接觸。
阻止外部聲音
汽車是密封的，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)和輪胎噪音進(jìn)入駕倉(cāng)。 在新的CX-5中，“駕倉(cāng)底部的備用輪胎存儲(chǔ)部件與車身之間的間隙填充了泡沫材料”，“駕倉(cāng)墊和側(cè)飾板之間的間隙也進(jìn)行填充”等。以"零間隙"作為目標(biāo)。
為了阻擋聲音傳播，通常用一定質(zhì)量的墻圍住車內(nèi)空間，但是這種方法不能用于急需要減輕重量以實(shí)現(xiàn)高燃料效率的汽車。相反，有必要充分利用現(xiàn)有的重量進(jìn)行最大限度的隔音。
對(duì)進(jìn)入車內(nèi)的噪聲的吸收
主要是在車內(nèi)的關(guān)鍵地方放上吸音材料，使噪聲衰減的方法。
人的可聽頻帶從20hz到20khz，以500hz為界分為低頻和高頻。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音為2khz，輪胎音為1kHz，風(fēng)聲為3kHz附近均為高頻。通過吸收這些1khz以上的“高頻聲”來(lái)提高靜音。
吸音材料使用太多也會(huì)導(dǎo)致高重量和高成本。為了防止這種情況發(fā)生，我們會(huì)分析、模擬車內(nèi)聲音的傳播路徑，在需要的地方集中使用吸音材料。事實(shí)上，4人同乘汽車時(shí)，只要乘客耳部聽起來(lái)安靜就好，車內(nèi)其他地方都不必保持完全安靜。計(jì)劃用最小量的吸音材料發(fā)揮最大效果。
汽車有一個(gè)“空氣回路”，在后座附近有泄壓閥，它的作用是在門關(guān)閉時(shí)排出空氣并在駕駛時(shí)通風(fēng)。該泄壓閥的存在意味著存在外部噪聲進(jìn)入的路徑。因此，通過模擬以分析和掌握聲音如何從泄壓閥傳輸?shù)杰囕v內(nèi)部的傳輸路徑和聲學(xué)特性，并且聲音吸收材料集中在路徑附近。
除了吸收和衰減聲音之外，吸聲材料還具有不反射聲音的效果，即抑制混響（回聲）。 混響的存在極大地影響了會(huì)話的清晰度。
減少混響—混響如何影響對(duì)話？
很大程度上，如果降低混響，對(duì)話的清晰度就會(huì)提高。在駕倉(cāng)內(nèi)交談時(shí)，能清晰傳遞交談的聲音以至于注意力不被分散。 另一方面，混響聲（回聲）意味著聲音在另一個(gè)地方被反射和聽到。如果混響聲很強(qiáng)，即聲源以外的噪聲變強(qiáng)，則清晰度將降低。
混響的存在也會(huì)影響進(jìn)入汽車和關(guān)門的安靜。
如果車門關(guān)閉的聲音在車內(nèi)反射并繼續(xù)回響，會(huì)給乘客一種廉價(jià)的印象。適當(dāng)?shù)奈粢彩歉纳苹祉懰匦璧摹?br />
到目前為止，我們已經(jīng)解釋了NVH的改善和“安靜”，但只有一種外部聲音是你想在汽車中聽到的，那就是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音。
想聽的音和糟糕的音的區(qū)別
對(duì)于喜歡汽車的人來(lái)說(shuō)，引擎音不是不愉快的雜音，而是能讓人感受駕駛時(shí)的喜悅的“想聽的聲音”。一些歐洲品牌汽車多年來(lái)一直保持著類似的發(fā)動(dòng)機(jī)聲音，也許發(fā)動(dòng)機(jī)聲是有意識(shí)地“調(diào)整”的。
發(fā)動(dòng)機(jī)“想聽到的聲音”主要在500hz以下的低頻。另一方面，汽車本身發(fā)出的不愉快的聲音，也就是輪胎音、擋風(fēng)音以及引擎噪音，都在超過1khz的頻帶達(dá)到峰值。這意味著即使這些令人不快的聲音被隔斷，也可以將愉快的發(fā)動(dòng)機(jī)聲音帶入汽車。
即使您想要聽到的發(fā)動(dòng)機(jī)聲音與您想要切割的聲音處于相同的頻段，例如輪胎聲音或風(fēng)噪聲，它們也不會(huì)同時(shí)被切斷。由于發(fā)動(dòng)機(jī)聲音和輪胎聲音通過不同路徑進(jìn)入車內(nèi)，如果僅將吸聲材料附接到輪胎聲音/風(fēng)噪聲的傳遞路徑上，則可以做到阻擋該部分。
仿真在吸聲材料噪聲對(duì)策中的應(yīng)用
通常，仿真大量使用在“實(shí)際調(diào)查和測(cè)量比較困難的領(lǐng)域”中。比如要真正調(diào)查碰撞安全性，有必要撞擊汽車并將其摧毀。然而，聲學(xué)測(cè)試是測(cè)量空氣中聲波的行為，無(wú)需進(jìn)行摧毀性實(shí)驗(yàn)。
但是，噪聲方案仍然需要仿真。如果不進(jìn)行仿真，即使完成，也可能產(chǎn)生高成本，高重量，浪費(fèi)的設(shè)計(jì)。如果你想用最小的吸音材料實(shí)現(xiàn) “最佳”的聲音吸收，而不是“只要能吸收聲音即可”，仿真是必不可少的。
而且，在實(shí)際上非常難以實(shí)現(xiàn)的條件，例如“某個(gè)區(qū)域中的聲傳遞為0”，可以在仿真中很容易地設(shè)定。能夠輕松執(zhí)行諸如“顯著改變”和“在所有頻率范圍內(nèi)將某個(gè)區(qū)域的反射聲音最大化為零”這樣的的試驗(yàn)，也是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。
靜音性不是用什么單一的方法一口氣就能實(shí)現(xiàn)的，分析→預(yù)想→嘗試→結(jié)果測(cè)量，一邊重復(fù)這個(gè)循環(huán)，一邊接近理想的形式。能夠在短時(shí)間內(nèi)多次反復(fù)進(jìn)行虛擬仿真的模擬試驗(yàn)具有很大的價(jià)值。
從仿真測(cè)試中獲得的信息并不僅僅取決于結(jié)果，而是通過檢查產(chǎn)生良好結(jié)果的因素，可以更有效和高效地進(jìn)行下一次試驗(yàn)。模擬對(duì)于此因子分析也很有用。
在實(shí)車的聲音測(cè)量方面，0.1dB的微妙差異是很難分辨的，而模擬仿真的優(yōu)勢(shì)是可以得到盡可能多的理論上的精確解。
在我看來(lái)，歐系汽車是最安靜的汽車。在歐洲，從國(guó)家到國(guó)家的長(zhǎng)期旅行方式多種多樣，為了在這漫長(zhǎng)的旅途中舒適的度過，會(huì)尋求更安靜的艙內(nèi)聲環(huán)境。這是仿真出現(xiàn)前幾十年不斷努力的結(jié)果。
我們希望能夠趕上歷史上領(lǐng)先的歐洲汽車，并且積累聲學(xué)環(huán)境改善的經(jīng)驗(yàn)。要做到這一點(diǎn)，您需要充分利用模擬并快速執(zhí)行數(shù)百次，數(shù)千次和數(shù)萬(wàn)次的小型分析。
使用VA One進(jìn)行噪聲仿真
具體而言，VA One用于評(píng)估安裝內(nèi)飾件后的降噪效果。首先，在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造一個(gè)虛擬的車身，并布置待評(píng)估的吸聲材料。之后，虛擬地設(shè)置諸如發(fā)動(dòng)機(jī)聲音，輪胎聲音和風(fēng)噪聲的外部輸入，并且執(zhí)行計(jì)算以確定車輛內(nèi)部的噪聲水平是多少。
在這種情況下，可以通過改變諸如吸音材料的布置，數(shù)量和材料（吸音能力）之類的參數(shù)，從車內(nèi)噪聲水平評(píng)估吸聲材料的降噪效果。
該分析使用稱為SEA的計(jì)算方法。這意味著計(jì)算速度快（求解時(shí)間很短）。還可以掌握彎曲波的傳播路徑，這在考慮吸音材料的放置時(shí)是有用的。
馬自達(dá)還積極使用“優(yōu)化模塊”來(lái)優(yōu)化吸音材料的設(shè)計(jì)，并使用“AVA模塊”進(jìn)行風(fēng)噪聲專用仿真。
最優(yōu)化模塊、AVA模塊的評(píng)估
最優(yōu)化模塊簡(jiǎn)單地說(shuō)就是“自動(dòng)仿真功能”。
初始設(shè)置之后，軟件會(huì)自動(dòng)改變多個(gè)參數(shù)并反復(fù)計(jì)算，獲得最優(yōu)的解，把這些解變成“搖籃”
然后工程師就會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的探討，進(jìn)行本質(zhì)性的改進(jìn)。
如上所述，吸音設(shè)計(jì)在某種意義上是“次數(shù)決定勝負(fù)”，這需要大量的時(shí)間和精力。因此，“做準(zhǔn)備”的部分讓軟件自動(dòng)計(jì)算，工程師進(jìn)行“完成”的話過程會(huì)比較合理。
現(xiàn)在馬自達(dá)，在簡(jiǎn)單的模型中用于確認(rèn)和驗(yàn)證吸音材料。例如，吸音材料安裝在簡(jiǎn)單的板上，并設(shè)置厚度變量，用于檢查吸音效果。
我們計(jì)劃使用VA One的最優(yōu)化模塊，以應(yīng)對(duì)未來(lái)的技術(shù)問題，以及提高效率和降低成本。例如，通過使用吸音材料的厚度，安裝面積和材料參數(shù)作為優(yōu)化變量，并設(shè)定總厚度，重量，價(jià)格等的上限，可以通過使用優(yōu)化模塊來(lái)分析整個(gè)汽車。
如何使用“AVA模塊”？
“AVA（Aero Vibro Acoustic）模塊”是使用SEA方法將通過CFD（流體分析）計(jì)算的行駛期間的窗玻璃的表面壓力結(jié)果轉(zhuǎn)換為SEA輸入的模塊。通過輸入，您可以檢查由于風(fēng)噪聲和吸聲材料的變化而導(dǎo)致的對(duì)車內(nèi)噪音的影響。
傳統(tǒng)上，還沒有進(jìn)行過由于風(fēng)噪聲引起的車輛內(nèi)部噪聲的分析，并且工程師僅基于從CFD計(jì)算獲得的窗口表面上的壓力分布來(lái)估計(jì)車輛內(nèi)部噪聲。目前，我們正在使用此AVA模塊來(lái)檢查降低車輛風(fēng)噪的策略。
優(yōu)化模塊和AVA模塊中使用的SEA（統(tǒng)計(jì)能量分析）方法具有計(jì)算速度快的特點(diǎn)，如果使用得當(dāng)，可以在一夜之間執(zhí)行300多次計(jì)算。
換句話說(shuō)，當(dāng)你早上查看結(jié)果時(shí)，，VA One提供300種模式中的最佳解決方案。
對(duì)結(jié)果有些許擔(dān)心和不確定的時(shí)候，為了確認(rèn)理論性的結(jié)果，決定用單純的四角的箱子進(jìn)行模型化，給予簡(jiǎn)單的參數(shù)，數(shù)分鐘左右快速地解析。像這樣，簡(jiǎn)便地進(jìn)行討論，我認(rèn)為這是SEA方式的一大優(yōu)點(diǎn)。
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