设计仿真 | Actran帮助现代新能源汽车设计行人警示扬声器

2023年05月10日

行业挑战

电动汽车在中速或高速行驶时，听到的外部噪声仅由风阻或胎噪产生。因此，电动汽车对于行人和自行车而言存在安全威胁，特别是视觉或听觉有损伤的人或者在听耳机的人。美国和欧盟已经提出了相关的法规要求新出厂的电动汽车在低速行驶时必须发出可被听到的声音。这些法规对于警报声音的大小和频率范围有不同的要求。

近些年，现代汽车已经开发出主动行人警报系统(APAS)。此系统利用声音聚焦技术可仅对处于危险中的行人定向发声。现在的APAS系统使用驾驶辅助系统(ADAS)摄像头和定向发声设备，同时降低城市噪声污染问题。在设计APAS时，现代汽车工程师必须考虑既满足法规要求，又能对行人提供足够的警示音效果，同时还要避免发出多余的声音引起车内人员的不适感。

现代主动行人警报系统

在过去，设计中考虑声音问题时，现代工程师依赖于实验测试来评估各种设计方法。这必须制造每一种设计方案的物理样机，耗费一到两个月的时间。物理实验能够提供的数据也是有限的。“采用物理实验，我们仅仅能够测量各个位置的声音大小，我们不得不猜测声音产生和传播的机理”，Jinmo Lee说道，“这对于改进设计方案来说很困难”。

解决方案

1) APAS模拟

现代工程师利用Actran软件模拟喇叭，使用喇叭制造商提供的规格单中的Thiele/Small(T/S)参数进行建模，并将其与模拟喇叭内部腔体和外部的声辐射空间的有限单元模型进行耦合。

喇叭的声学有限元模型

Actran计算6000Hz以下车辆区域的声压和声阻抗。

2)使用仿真结果优化喇叭设计

喇叭的背腔对频谱特性的影响

现代通过Actran进行一系列参数研究，寻找各主要设计变量对声场的影响。欧盟和美国法规要求，在1600Hz以下和800Hz以下至少分别发出一个频率的警报声音。APAS喇叭的驱动单元很小，因此满足低频声音要求比较困难。同时实验分析显示，在400Hz以下的一个频率可以较明显的传递到乘客舱，这影响了乘客的舒适感。接下来工程师在喇叭上加入背腔设计，并做了数值仿真，通过扫频分析发现此时声阻抗频率从400Hz改变到490Hz，这一改变既可以满足法规要求，同时也保证了成员的舒适性。

声波导管对频谱特性的影响

声波导管可以保护喇叭不受环境中水汽的影响，而且在声音调校方面起到重要作用。工程师使用Actran管道声场仿真技术进行导管的设计以加强中频1500Hz声音传播。同时喇叭内部覆盖件和驱动单元之间的空间得到优化，以加强4400Hz附近的声压级。

三种可能的喇叭阵列安装位置

工程师在仿真中对保险杠上喇叭安装的垂直位置进行研究，考虑车的前部形状和地面的影响。仿真结果显示，最低的安装位置呈现最好的警示声场效果，既提供了更高的声压级，又提供相对平缓的频谱表现。仿真也显示出最低位置可以将地面带来的声波相消干涉降到最小。

仿真结果及测试对标

喇叭测试和仿真对比

工程师对仿真结果进行验证，使用1V的正弦扫频信号进行喇叭实验和仿真。如上图所示，仿真得到的喇叭1米远处声场频谱与物理实验完美匹配。

现代工程师使用Actran优化扬声器腔体和管道的中的声学共鸣，可以使喇叭设计中的低、中、高频声场特性均满足美国和欧盟的法规要求，同时降低了喇叭的尺寸和能量的消耗。“Actran的仿真结果提供了比实验测试更全面的信息，这些信息可以帮助现代工程师快速的迭代优化方案，相比利用传统的制造样机进行测试的方法节省一半的时间”，Lee说道。