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技术案例|马自达在CX-5车型中对声学环境的仿真与应用
2019-10-23 23:32:08· 来源：ESI集团
ESI中国 今天马自达在新款高静音性的CX-5的研发过程中提出创造安静的汽车。那么，如何达成其理想安静状态？行驶中的车子会充满很多声音，例如，作为汽车行驶声音
马自达在新款高静音性的CX-5的研发过程中提出“创造安静的汽车”。那么，如何达成其“理想安静状态”？
行驶中的车子会充满很多声音，例如，作为汽车行驶声音的轮胎声音、风声、周围环境声音的生活声音、宣传声音等，都是“不必要的不愉快噪音”。
但是即使不愉快，救护车和警车的警报声，警报声音等是「必须听见的声音」，根据车种的不同，引擎声音并非不愉快的噪音而是充满驾驶感的「想听见的声音」。
在其他方面，在车内的会话，音频，开关操作声音等，车中的人，设备发出的声音同样是「应该清晰可听的声音」。
CX-5为了实现静音性做出了怎样的努力?
减少噪声本身；
阻止噪声进入车内；
吸收进入车内的声音。
所谓“减小噪声”，就是要减少引擎噪音、减少轮胎和地面的擦音、减少风挡等噪声的产生。
特别是对于风声，极力消除了车身的凹凸，使得车身表面顺畅以减小空气阻力。另一个方式是改善雨刷的安装位置。汽车表面的雨刷是最重的异物，是造成空气流动紊乱的原因。CX -5把雨刷安装位置做成凹陷形状，将雨刷收进凹槽，避免与风直接发生接触。
阻止外部声音
汽车是密封的，以防止发动机和轮胎噪音进入驾仓。 在新的CX-5中，“驾仓底部的备用轮胎存储部件与车身之间的间隙填充了泡沫材料”，“驾仓垫和侧饰板之间的间隙也进行填充”等。以"零间隙"作为目标。
为了阻挡声音传播，通常用一定质量的墙围住车内空间，但是这种方法不能用于急需要减轻重量以实现高燃料效率的汽车。相反，有必要充分利用现有的重量进行最大限度的隔音。
对进入车内的噪声的吸收
主要是在车内的关键地方放上吸音材料，使噪声衰减的方法。
人的可听频带从20hz到20khz，以500hz为界分为低频和高频。汽油发动机的噪音为2khz，轮胎音为1kHz，风声为3kHz附近均为高频。通过吸收这些1khz以上的“高频声”来提高静音。
吸音材料使用太多也会导致高重量和高成本。为了防止这种情况发生，我们会分析、模拟车内声音的传播路径，在需要的地方集中使用吸音材料。事实上，4人同乘汽车时，只要乘客耳部听起来安静就好，车内其他地方都不必保持完全安静。计划用最小量的吸音材料发挥最大效果。
汽车有一个“空气回路”，在后座附近有泄压阀，它的作用是在门关闭时排出空气并在驾驶时通风。该泄压阀的存在意味着存在外部噪声进入的路径。因此，通过模拟以分析和掌握声音如何从泄压阀传输到车辆内部的传输路径和声学特性，并且声音吸收材料集中在路径附近。
除了吸收和衰减声音之外，吸声材料还具有不反射声音的效果，即抑制混响（回声）。 混响的存在极大地影响了会话的清晰度。
减少混响—混响如何影响对话？
很大程度上，如果降低混响，对话的清晰度就会提高。在驾仓内交谈时，能清晰传递交谈的声音以至于注意力不被分散。 另一方面，混响声（回声）意味着声音在另一个地方被反射和听到。如果混响声很强，即声源以外的噪声变强，则清晰度将降低。
混响的存在也会影响进入汽车和关门的安静。
如果车门关闭的声音在车内反射并继续回响，会给乘客一种廉价的印象。适当的吸音也是改善混响所必需的。
到目前为止，我们已经解释了NVH的改善和“安静”，但只有一种外部声音是你想在汽车中听到的，那就是汽车发动机的声音。
想听的音和糟糕的音的区别
对于喜欢汽车的人来说，引擎音不是不愉快的杂音，而是能让人感受驾驶时的喜悦的“想听的声音”。一些欧洲品牌汽车多年来一直保持着类似的发动机声音，也许发动机声是有意识地“调整”的。
发动机“想听到的声音”主要在500hz以下的低频。另一方面，汽车本身发出的不愉快的声音，也就是轮胎音、挡风音以及引擎噪音，都在超过1khz的频带达到峰值。这意味着即使这些令人不快的声音被隔断，也可以将愉快的发动机声音带入汽车。
即使您想要听到的发动机声音与您想要切割的声音处于相同的频段，例如轮胎声音或风噪声，它们也不会同时被切断。由于发动机声音和轮胎声音通过不同路径进入车内，如果仅将吸声材料附接到轮胎声音/风噪声的传递路径上，则可以做到阻挡该部分。
仿真在吸声材料噪声对策中的应用
通常，仿真大量使用在“实际调查和测量比较困难的领域”中。比如要真正调查碰撞安全性，有必要撞击汽车并将其摧毁。然而，声学测试是测量空气中声波的行为，无需进行摧毁性实验。
但是，噪声方案仍然需要仿真。如果不进行仿真，即使完成，也可能产生高成本，高重量，浪费的设计。如果你想用最小的吸音材料实现 “最佳”的声音吸收，而不是“只要能吸收声音即可”，仿真是必不可少的。
而且，在实际上非常难以实现的条件，例如“某个区域中的声传递为0”，可以在仿真中很容易地设定。能够轻松执行诸如“显著改变”和“在所有频率范围内将某个区域的反射声音最大化为零”这样的的试验，也是一个很大的优点。
静音性不是用什么单一的方法一口气就能实现的，分析→预想→尝试→结果测量，一边重复这个循环，一边接近理想的形式。能够在短时间内多次反复进行虚拟仿真的模拟试验具有很大的价值。
从仿真测试中获得的信息并不仅仅取决于结果，而是通过检查产生良好结果的因素，可以更有效和高效地进行下一次试验。模拟对于此因子分析也很有用。
在实车的声音测量方面，0.1dB的微妙差异是很难分辨的，而模拟仿真的优势是可以得到尽可能多的理论上的精确解。
在我看来，欧系汽车是最安静的汽车。在欧洲，从国家到国家的长期旅行方式多种多样，
，为了在这漫长的旅途中舒适的度过，会寻求更安静的舱内声环境。这是仿真出现前几十年不断努力的结果。
我们希望能够赶上历史上领先的欧洲汽车，并且积累声学环境改善的经验。要做到这一点，您需要充分利用模拟并快速执行数百次，数千次和数万次的小型分析。
使用VA One进行噪声仿真
具体而言，VA One用于评估安装内饰件后的降噪效果。首先，在计算机中构造一个虚拟的车身，并布置待评估的吸声材料。之后，虚拟地设置诸如发动机声音，轮胎声音和风噪声的外部输入，并且执行计算以确定车辆内部的噪声水平是多少。
在这种情况下，可以通过改变诸如吸音材料的布置，数量和材料（吸音能力）之类的参数，从车内噪声水平评估吸声材料的降噪效果。
该分析使用称为SEA的计算方法。这意味着计算速度快（求解时间很短）。还可以掌握弯曲波的传播路径，这在考虑吸音材料的放置时是有用的。
马自达还积极使用“优化模块”来优化吸音材料的设计，并使用“AVA模块”进行风噪声专用仿真。
最优化模块、AVA模块的评估
最优化模块简单地说就是“自动仿真功能”。
初始设置之后，软件会自动改变多个参数并反复计算，获得最优的解，把这些解变成“摇篮”
然后工程师就会进行详细的探讨，进行本质性的改进。
如上所述，吸音设计在某种意义上是“次数决定胜负”，这需要大量的时间和精力。因此，“做准备”的部分让软件自动计算，工程师进行“完成”的话过程会比较合理。
现在马自达，在简单的模型中用于确认和验证吸音材料。例如，吸音材料安装在简单的板上，并设置厚度变量，用于检查吸音效果。
我们计划使用VA One的最优化模块，以应对未来的技术问题，以及提高效率和降低成本。例如，通过使用吸音材料的厚度，安装面积和材料参数作为优化变量，并设定总厚度，重量，价格等的上限，可以通过使用优化模块来分析整个汽车。
如何使用“AVA模块”？
“AVA（Aero Vibro Acoustic）模块”是使用SEA方法将通过CFD（流体分析）计算的行驶期间的窗玻璃的表面压力结果转换为SEA输入的模块。通过输入，您可以检查由于风噪声和吸声材料的变化而导致的对车内噪音的影响。
传统上，还没有进行过由于风噪声引起的车辆内部噪声的分析，并且工程师仅基于从CFD计算获得的窗口表面上的压力分布来估计车辆内部噪声。目前，我们正在使用此AVA模块来检查降低车辆风噪的策略。
优化模块和AVA模块中使用的SEA（统计能量分析）方法具有计算速度快的特点，如果使用得当，可以在一夜之间执行300多次计算。
换句话说，当你早上查看结果时，，VA One提供300种模式中的最佳解决方案。
对结果有些许担心和不确定的时候，为了确认理论性的结果，决定用单纯的四角的箱子进行模型化，给予简单的参数，数分钟左右快速地解析。像这样，简便地进行讨论，我认为这是SEA方式的一大优点。
本文部分图片选自长安马自达官网，若有侵权，请及时联系。立即删除。
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