基于虚拟人工头的NVH优化

随着研发周期越来越短，物理工程样车越来越少，如何对开发阶段车型的声学特性进行可靠的评估是一大挑战。真实的聆听体验离不开双耳人工头，仿真阶段也如此。让我们一起来了解下HEAD acoustics和Porsche是如何利用虚拟人工头来解决这个问题的。

用仿真来加速开发，避免在车型开发后期出现高成本的改进，能有效提升产品竞争优势。无需依赖有限的抽象数据，可以在实车出来之前，通过数字原型样车用双耳感知逼真的声音。

在物理工程样车中使用人工头来采集声音是NVH调查评估的重要组成部分。它能够提供真实的聆听体验，从而使评估更加可靠。为此，用虚拟仿真的人工头来获取可对比、有意义的双耳模拟结果，就显得很有必要。

虚拟人工头考虑了头部、肩部对声场的衍射效应，以及人工头对车内声场的影响[1]。因此，在制造出第一辆物理工程样车之前，即可在仿真环境中体验到逼真的整体声学感受。

虚拟人工头模型

图1   HMS IV的高精度有限元模型

虚拟人工头的CAD模型是基于HMS IV (第4代人工头)建立的。基于有限元的方法，生成外表面的封闭曲面模型，如图1 [2]。虚拟人工头具有模块化结构，像HMS IV实物一样。由肩部、头部、耳廓和外耳道等的简化型几何形状的构成。考虑到内耳的复杂性，在模型中不予考虑。因此，仿真结果会低于人类听觉的频率上限，研究分析的频率范围最高到8kHz。该模型包含约76,000个三角形单元，平均边缘长度为3 mm。对于耳廓和外耳道等距离麦克风位置很近，且半径较小的区域，附件的几何模型使用更小的单元；对于头部和肩部等半径较大、较为平坦的区域，使用更大的单元。

虚拟人工头模型的验证

通过对比头部相关传递函数(HRTF: Head Related Transfer Function)的测量和仿真结果，可以验证有限元模型。

亚琛工业大学听觉技术与声学研究所的消声室内所搭建的实验装置，包含按垂直对齐半圆形排列的扬声器 [3]。首先，以半圆的中心作为参考点，放置麦克风，进行参考测试（Reference measurement）；然后，将人工头两耳的中点位置，与参考点对齐，放置人工头。人工头可以在测试中绕垂直轴旋转，以获得多个空间方向的HRTF。参考测试相关的人工头采集结果，定义为HRTF。HRTF不受房间和扬声器传输特性的影响。另外，激励源信号的具体特征(扫频或白噪)也不会产生影响，只要整个相关频率范围内具有能量即可。

在模拟仿真中，假定互易性是适用的。声压的输出节点界定在扬声器位置，球形声源取代耳朵位置的麦克风。通过一次模拟仿真，计算出附加输出节点位置到所有空间方向的数据。由于在这种情况下存在理想的自由场条件，因此可以解析计算出参考声压。为了能与测量结果相比较，将模拟声压与解析计算的参考声压相关联。

图2   在平面极坐标中，500 Hz、3450 Hz 和7650 Hz频率处实测与仿真的HRTF对比

图2在平面中的极坐标显示了在500 Hz、3450 Hz 和7650 Hz三个频率处，实测的左耳HRTF与模拟的HRTF的对比结果。总体来说，即使高频处，曲线在定性和定量方面都吻合的较好。在7650 Hz时，在260°方位角的头部阴影处，存在叶瓣状的肉眼可见的偏差，这可能是因为实物人工头和虚拟人工头存在一定的差异。在50到8000Hz的整个频率范围内，实测和仿真的一致性都较好。  

为在车辆模型中使用做准备

为了在整车模型中使用虚拟人工头，并与试验数据的对比，需对已有的有限元模型进行一定的修改：通过增加躯干箱以形成头部和躯干模拟器(HATS)[4]。由于整车模型的频率上限约为1 kHz，因此人工头的有限元模型可使用更大的网格单元，从而显著降低网格单元的数量，降低整个车辆模型的复杂性，提高了仿真计算的性能。

为了实现必要的粗网格划分，需要对人工头模型进行几何简化。修改后的有限元模型如图3(左) 所示。尽管加了(中空的)躯干箱，增加了大量的网格表面，但仅增加了约20360个网格单元。另外，相比于头肩部的原始模型，颈圈附近的结构做了明显的改变。由于网格单元较大，圆形耳道近似为多边形。

图3   头部躯干模型的简化有限元模型和右耳方向为0°（前）和270°（右）的HRTFs的实测、高精度有限元模型、简化有限元模型的对比

为了验证模型，在图3中，我们以头部和躯干模拟器（HATS）右耳在phi = 0°(前)和phi = 270°(右)方向上的HRTF测量结果为例，将实测结果与高精仿真模型(A)、简化仿真模型(B) 进行对比。首先，如图中所示，两个仿真模型的结果都与实际测量结果较吻合。在600Hz以下，A和B模型提供了几乎相同的结果；在600Hz以上，由于网格单元较大，实测与A模型的存在偏差，但数量级上在可接受的范围内。  

车辆模型

为了验证虚拟人工头在车辆模型中的使用，对保时捷911 Carrera车内的多个声学传递函数(ATFs)进行了测量和仿真计算。

图4   包含了结构模型(左上)、车内腔体(上中图、带人工头的上右图)、内饰板件(左下)和内饰(中下)的仿真模型。根据加载工况进行编号的激励位置（红色标记）和测量位置（黑色标记）(右下)

ATF是声压(p)与声源强度(Q) 的比值(ATF=p/Q)。车内使用标准声源(单极子) 进行激励，在贴近标准声源(10 ~ 20 cm)的参考位置，以及座位位置获取声压。车辆内部分别采用六种不同的激励方式，每种激励位置不同。每个激励方式，都会一次使用单麦克风，一次使用人工头，来获取驾驶员位置的声压。在计算和测试过程中，车辆内部的激励源和声压测点采用相同位置，如图4所示。

通过包含结构模型(主要是金属部件)、车内腔体、声学有效绝缘部件、内饰件和内部板 (主要是塑料制品)等组成的有限元模型，仿真获取ATFs。这些组件是相互耦合的，因此在计算中需要考虑相互的影响。

通过实验获取了部件完整的整车ATFs。这些测试在保时捷研发中心（位于Weissach）的声学测试台架上进行的，以将干扰噪声和反射控制在最低。  

车辆模型验证

当前的有限元模型和硬件确保频率上限可以到1000 Hz。在测试中，考虑到信噪比，从30 Hz开始评估传递函数。因此，可以在30 Hz到1000 Hz的频率范围内，对比实测和仿真获取的传递函数。

我们将详细地讨论3和6两个激励位置进行激励时的情况。如图5所示，对于每个测量位置，可以看到测试和仿真的一致性都较好。在某些窄带处的偏差，可以使用声学中常用的1/3倍频程来更好地评估。因此，很明显，在较高的频率范围内，测试和仿真的相关性也令人满意。

图5   激励位置为3(左)和6(右)的测试和仿真的声传递函数(ATFs) 的窄带和1/3倍频程的对比

图6   激励位置为3(左)和负载情况6(右)时，实测和仿真的人工头双耳与麦克风在1/3倍频程上的对比。下图:根据ECMA 418-2，单个麦克风和人工头在激励位置为3(左)和6(右)时实测与仿真的响度等级对比。

为了进一步说明麦克风和人工头的区别， 在图6(上)中，我们比较了驾驶员位置处，单个麦克风与人工头信号的1/3倍频程数据。测试和仿真数据对比显示，麦克风与人工头在量级上的差异是一样的。在两种激励情况下，在200 Hz ~ 400 Hz之间，人工头左耳的声压级要高于右耳和单个麦克风；在400Hz以上，情况则相反，人工头右耳的声压级最高。

使用虚拟人工头可以实现仿真结果的主观评估和心理声学评估。为了基于ECMA 418-2[5]来计算响度，将3秒白噪的时间信号与模拟/测量的传递函数进行卷积，通过考虑双耳总体效应，将人工头的响度计算成一条曲线，从而可以与单个麦克风的响度曲线进行比较，如图6(下)。根据标准，响度曲线从大约0.3秒开始可以评估，响度等级的相关性证实了之前仿真与测试之间的对比。

总结与展望

几十年来，人工头在NVH研究中一直是必不可少的。与此同时，物理工程样车数量的减少，虚拟人工头自然就更多地出现在虚拟仿真场景中。

在本文中，通过平面内高至8k Hz的头相关函数（HRTF）的计量，验证了人工头的有限元模型。经过验证的虚拟人工头模型可以考虑真实的衍射效应，以及人工头对声学环境的影响，从而成为乘客的替代模型。同时，它保证了后期开发过程中仿真和测试数据的可比性。

在车辆模型的应用中，人工头模型扩展了躯干箱。当比较整车中测试和仿真的传递函数时，人工头的使用可以带来非常好的一致性。

车内的双耳仿真提高了结果准确性。它能够在产品开发和优化的早期阶段，以人类感知为中心，对车辆进行真实的听觉感知评估。这样的声学场景仿真可以在不同的环境中实现，因此，决策者可以利用一系列工具，在开发早期做出必要的关键决策。从双耳声学案例和NVH桌面模拟器，再到类似于保时捷NVH- lab中的整车模拟器，以及实车中的Mobile版NVH模拟器，都是声学场景仿真的应用范围。

参考文献：

[1] Brücher, H.; Wegerhoff, M.; Beljan, D.; Kamper, T.: Investigations of the influence of an artificial head on acoustic characteristics of vehicle cabins based on FE simulation results. DAGA Conference, Hamburg, 2023

[2] Schliephake, C.: Numerische Modellierungsmethodik für ein Kunstkopf-Messsystem und Analyse geometrischer Einflussfaktoren. RWTH Aachen University, Aachen, Master’s thesis, 2022

[3] Richter, J.-G.: Fast Measurement of Individual Head-Related Transfer Functions. RWTH Aachen University, Aachen, dissertation, 2019

[4] Recommendation ITU -T P.58: Head and torso simulator for telephonometry. 6th edition, June 2021

[5] ECMA-418-2: Psychoacoustic Metrics for ITT Equipment – Part 2: Models based on human

perception. 2nd edition, 2022

本文译自德国ATZ杂志2023年特刊。