Actran創建AVAS揚聲器聲學模型 Actran AVAS 揚聲器 聲學模型 Acoustic

電氣化為汽車製造商開啟了一個全新的時代 ， 這其中就包括通用汽車 (GM) ， 該公司在全球範圍內擁有數百萬輛行駛在道路上的汽車 。 由於電動汽車擁有與傳統內燃機車輛截然不同的動力系統架構 ， 因此其設計需要額外的系統來適應這些獨特的特性 ， 其中最具挑戰性的便是聲學相關問題 。

在噪音方面 ， 由於缺少了傳統的內燃機 ， 電動汽車變得極其安靜 ， 以至於行人或其他道路使用者難以迅速察覺到汽車的存在，這就引發了顯著的安全隱患。 為了應對這一問題 ， 歐盟已經實施了一項法規 ， 要求電動汽車必須配備音響系統 ， 以向行人提示車輛的存在，這是一種聲學技術的重要應用。

 

車輛聲學警報系統 (AVAS)  需要通過在特定位置發出最低噪音水準來確保符合法規要求 ， 這意味著系統需要具備適當的聲學指向性  ( Acoustic directivity)  以滿足這些需求。

AVAS 系統通常由安裝在車輛前部的揚聲器組成。 在設計這些揚聲器時，採用聲學模擬技術可以確保其順利通過認證流程，因為這樣可以快速獲得結果，無需構建多個實體原型。此外 ， 徹底的聲學研究可以確保在實際測試過程中減少意外情況的發生。

 

一些主要的法規內容：

1. 聯合國歐洲經濟委員會 (UNECE) 法規

UN Regulation No. 138 是關於低速電動車聲音的標準。該法規要求：

• 聲音要求：當車輛以每小時 20 公里以下速度行駛時，AVAS 必須發出持續可聽到的聲音。
• 最低噪音水平：聲音必須足夠大，以便讓行人能在不依賴視覺的情況下感知到車輛。
• 頻率變化：車輛加速和減速時，聲音的頻率應發生變化，模仿傳統內燃機車的聲音特徵。
• 啟用速度：AVAS 必須在車輛低於 20 公里/小時行駛時啟動，並在車輛倒車時自動運作。

2. 歐盟法規

自 2019 年 7 月 1 日起，歐盟內銷售的所有新型電動車和混合動力車必須安裝 AVAS。具體要求包括：

• 自動啟動：AVAS 必須在車速低於 20 公里/小時時自動啟動，並在倒車時發出聲音。
• 音量：AVAS 必須達到至少 56 分貝，不能超過 75 分貝。
• 聲音類型：聲音應足以引起行人注意，但不應過於刺耳。聲音應能表明車輛正在移動，並應隨著車速變化。

3. 美國法規

美國的 《低噪音車輛聲音法》（Pedestrian Safety Enhancement Act of 2010）要求：

• 聲音要求：自 2020 年 9 月起，所有電動車和混合動力車都必須在車速低於每小時 30 公里（約 18.6 英里）時發出聲音。
• 自動化聲音提示：車輛在低速移動和倒車時，聲音應自動播放，以便提醒行人。

4. 其他地區

其他國家和地區，如日本和中國，也針對電動車和混合動力車制定了類似的 AVAS 法規，要求這些車輛在低速行駛時必須發出聲音以保護行人安全。

這些法規旨在解決電動車和混合動力車在低速時缺乏傳統引擎噪音的問題，從而提高道路行人，特別是視障人士的安全性。

 

 

設計和評估 AVAS 系統涉及以下五個步驟 ： 

1. 生成數值結果，以進行測試決策 ： 首先通過聲學模擬生成數值結果 ， 這些結果可以用來進行初步測試決策 ， 確保揚聲器設計符合基本聲學要求。 

  

2. 測試 揚聲器 以收集麥克風上的聲壓級 ： 接著對揚聲器進行測試 ， 以便收集麥克風上的聲壓級數據 ， 這些數據能夠反映揚聲器在實際操作中的聲學表現。 

 

3. 測試揚聲器以收集麥克風上的聲壓級 ： 重複測試揚聲器並收集更多數據 ， 以確保測試結果的一致性和可靠性 ， 為下一步的模型驗證提供充分的數據支持。 

 

4. 使用測試數據驗證數值模型 ： 利用收集到的測試數據 ， 驗證先前生成的數值模型 ， 確保模擬結果與實際測試結果相符 ， 從而提高模型的準確性。 

 

5. 將揚聲器集成到整車車型上 ： 最後將經過驗證的揚聲器集成到整車模型中 ， 進行綜合聲學評估 ， 確保整車在運行過程中能夠滿足聲學法規要求。 

流程圖

 

為了提取表面振動情況 ， 使用 Actran 中的反向薄膜 （inverse pellicular） 分析 ， 該技術可以基於多個麥克風的結果來識別揚聲器的振型。 為確保識別振型的準確 ， 麥克風的數量必須足以完全代表遠場中的聲場分佈 ， 特別是隨著頻率的增加 ， 聲場空間會變得更加複雜。GM 以虛擬方式測試（pseudo test） 了佈置不同麥克風數量的情況 ， 從最少佈置38個麥克風到最多371個麥克風 ， 經過驗證後 ， 就可以根據物理測量結果 ， 使用反向薄膜分析法提取表面振動。

接下來可以將其集成到整車模型仿真中 ， 用這種等效邊界條件取代揚聲器模型。提取的表面振動作為加速度邊界條件被引入整車模型 ， 使通用汽車能夠評估揚聲器作為完整系統一部分的性能。

 

使用不同數量的麥克風產生的聲場

 

揚聲器的尺寸通常相對較小 ， 直徑約為 100 mm ， 且格柵上設計有非常複雜的圖案。 因此在評估其作為車輛一部分的性能時 ， 使用複雜的揚聲器模型來實現聲學評估並不容易 ， 因為這樣的模型需要較大的計算資源來處理非常高的頻率 ， 通常達到 3.5 kHz。

為了解決這一問題 ， 研究人員通常會選擇使用單極子等通用聲源來替代揚聲器作為車輛模型的一部分 ， 以便產生與實際揚聲器等效的聲輻射功率。 然而 ， 這種方法也有其局限性 ， 因為單極子聲學模型無法準確表示揚聲器產生的聲場指向性 (Acoustic directivity)。

 

特定麥克風處的聲壓級結果

 

通 用 汽 車 的 高級噪音 和 振動工程師  Wenlong Yang  表示： “通過這個專案 ， 我們開始開發一種方法 ， 來探索整車模型中 AVAS 揚聲器的聲學指向性 (Acoustic directivity) ， 並開發一種具有與物理揚聲器相同聲學特性的虛擬揚聲器模型。”

 

虛擬揚聲器的表面振型

 

這項研究將聲學工程推向了新的高度 ， 使電動汽車在保持其安靜特性的同時 ， 確保道路安全。 這一聲學技術的突破不僅提升了電動汽車的安全性 ， 也為未來汽車技術的發展指明了方向。 聲學技術的應用無疑會成為未來汽車設計和開發過程中的關鍵要素。

 

 

 

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常 見 應 用 的 產 業

• 航太:  經過駕駛艙和機身 、 發動機短艙內襯 、 機身和駕駛艙絕緣 、 ECS（環境控制系統） 、 APU 和 ECS 入口和出口消音器 、 後緣 、 聲納 、 直升機渦輪噪聲 、 起飛時火箭有效載荷的隨機動態響應的聲音傳輸 ， 聲納。

 

• 車輛:  動力總成 、 裝飾設計 、 風噪聲 、 發動機部件 、 壓縮機 、 進氣歧管 、 空氣濾清器 、 閥蓋 、 擋板 、 電動機 、 揚聲器 、 消聲器 、 輪胎噪聲 、 消音器 、 高壓分配管道 、 馬達 、 齒輪箱。

 

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• 電子產品: 光碟硬碟等轉動裝置 、 手機 、 相機 、 液晶投影設備的風扇 。

 

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