基于混響時間的汽車內飾設計方法研究

王志堅，范朝綱

（沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

在汽車市場競爭日益激烈的今天，為乘客營造高品質的車載揚聲器聲場環(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，已成為擴大銷售額和增強企業(yè)競爭力的有力突破點。車輛內飾材料設計是車載揚聲器聲場環(huán)境設計的重要內容，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。但目前車輛內飾設計仍然停留在設計人員的經驗積累和大量實驗驗證的基礎上，在耗費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）的車輛內飾設計方法。該方法通過利用計算機聲學模擬軟件EASE中的AURA模塊對車載揚聲器混響時間的高精度仿真，實現在計算機平臺上的內飾材料優(yōu)化設計，減少實驗周期，節(jié)省人力物力。

1 數學模型的建立

1.1 混響時間定義

混響時間就是在聲場達到穩(wěn)定后，聲源突然停止發(fā)聲，聲場聲壓按線性規(guī)律衰減60dB所需的時間，一般用T60來表示[1-2]。然而在實際情況下，由于衰減量程及本底噪聲的干擾，造成在60dB內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20dB所需時間乘以3；T30為聲壓級衰減30dB所需時間乘以2。混響時間示意圖如圖1所示。

圖1 混響時間示意圖

1.2 混響時間的計算

早在1900年，美國哈佛大學賽賓教授發(fā)表了題為《論混響》的著名論文[3]，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的常量，溫度 15℃，聲速為 340m/s時，K=0.163（s/m）；溫度為 20℃，聲速為 343m/s時，K=0.161（s/m）；

V——封閉空間的總容積（m3）；

S——空間內表面積（m2）；

Si——第i個面的面積（m2）；

αi——第i個面的吸聲系數。

后來，在研究影響混響時間的各因素過程中，人們發(fā)現吸收聲能的除了空間內表面之外，還有空間內空氣本身，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[4]為

式中：T60——混響時間（s）；

V——空間容積（m3）；

S——空間內總表面積（m2）；

m——空氣中聲衰減系數（m-1）。

2 車體聲場仿真分析

2.1 車體物理模型

本文采用計算機聲學模擬軟件EASE，對樣車進行實體建模，駕駛室內部尺寸為：2.65 m×1.59 m×1.28m，建立模型如圖2所示。

圖2 駕駛室模型視圖

在駕駛室內，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，車門內板表面材料為聚氯乙烯（PVC）軟質表皮、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 內飾材料吸聲系數

不同內飾材料的面積和吸聲系數如表1所示。

表1 駕駛室內飾材料面積及吸聲系數

2.3 仿真結果

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

表2 EASE仿真的混響時間

圖3 混響時間曲線

由圖3可以看出：混響時間在125Hz前處于減小趨勢，在125～500Hz又逐漸增大，在500～1000Hz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8kHz以下，列出了125Hz～8kHz各頻率的混響時間，由表2可以發(fā)現，500Hz之前的混響時間均在0.4s以上，而1000Hz之后的混響時間均低于0.1s。

3 測量實驗

根據ISO 3382要求[5]，本文通過CLIO電聲測量系統(tǒng)，使用MLS最大脈沖序列法，通過接收車載揚聲器向車內發(fā)送的脈沖信號，實現車載揚聲器聲場混響時間的測量分析。

測試過程中，計算機通過PB-4281PC板及SC-01信號調節(jié)器產生的交流信號經CLIO QC放大器與轉換盒放大后輸入車載揚聲器，MC-01麥克風將接受到的音頻信號輸入到CLIO QC放大器與轉換盒，通過A/D、D/A轉換和18位數字化分析處理后儲存在計算機中。

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）、后排右側座位處（位置4）。聲源采用樣車自身安裝的同軸揚聲器，揚聲器額定功率20 W，最大功率30 W，靈敏度為87±1.5%，有效頻率為 60Hz～20kHz。

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

圖4 測量的脈沖響應曲線

圖5 時間-能量曲線

圖6 混響時間（RT20）曲線

表3 CLIO測量的混響時間

由圖4和圖5可以看出，在前30ms內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32Hz～16kHz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0.061s，驗證了EASE軟件仿真模擬的準確性。

由于轎車內部最佳混響時間在0.3～0.4s之間[6]，樣車在低頻范圍內混響時間均高于0.4 s，500 Hz左右的混響時間已經超過了1 s，造成音樂明晰度（C80）的嚴重下降。根據測量結果，500 Hz處的明晰度只有-8.6dB，低于良好明晰度的最小值0dB；而在1000Hz以后的混響時間均低于0.1s，聲音就會變得枯燥干澀，缺乏真實感和表現力，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)化的重點所在。

鑒于EASE軟件在車載揚聲器聲場中模擬的準確性，可以借助EASE軟件指導車輛內飾設計，在減少實驗周期的基礎上實現對車載揚聲器聲場的準確預測和有效控制，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[7]、將絨布座套更換為亞麻座套[8]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[9]等方法，可以實現駕駛室聲場的優(yōu)化。仿真結果顯示：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100g/m2增加到200g/m2的方法，500Hz的混響時間降低了0.22s，1000Hz以上的高頻聲混響時間最多增加了0.14s。

當然，使用EASE進行車載揚聲器聲場的模擬還存在以下需要改進的問題：精確的車載揚聲器聲場實驗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來；EASE模擬的準確性建立在對材料吸聲系數準確掌握基礎上，而目前還沒有國產內飾材料系統(tǒng)準確的吸聲數據庫。

4 結束語

本文采用EASE軟件建模仿真和實驗研究相結合的方法，實現了某型轎車車載揚聲器聲場混響時間的仿真和測量，通過對比分析，驗證了利用EASE軟件指導內飾設計的可行性。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，提出了內飾優(yōu)化設計的可行措施，對汽車車載揚聲器聲場的研究和優(yōu)化具有一定的借鑒意義。

[1]劉海霞.多功能視聽室音質控制實驗研究[D].青島：中國海洋大學，2008.

[2]李敏毅，孫海濤，吳杰歆，等.混響時間及測量方法簡介[J].中國測試技術，2005，31（1）：18-20.

[3]威廉J·卡瓦諾夫，約瑟夫A·威爾克斯.建筑聲學-原理和實踐[M].趙櫻譯.北京：機械工業(yè)出版社，2005：37-41.

[4]高玉龍.廳堂建筑音質計算機輔助設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007：17-18.

[5]ISO 3382—1997 Acoustics-measurements of reverberation time of rooms with reference to other acoustical parameters[S].International Organization for Standardization，1997.

[6]寧方立.小尺度封閉空間可聽化研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2004.

[7]朱曉娜.紡織品吸聲隔音材料研究進展[J].現代絲綢科學與技術，2010（10）：46-48.

[8]趙淼淼.汽車內飾材料吸音隔音性能的研究[D].合肥：安徽農業(yè)大學，2010.

[9]譚柳娜.長安福特B型車內飾件聲學性能研究[D].南京：南京理工大學，2010.