法拉利跑车的声学设计｜Actran软件系统声学设计中的应用。

特邀嘉宾演讲简介:

下面摘选演讲PPT的部分内容,并结合笔者现场参会经验与大家共享。

演讲内容分四部分:

1. 问题架构,使用工具

2. 声学辞典

3. 声学配方

4. 对目前与将来的工作的简要介绍

|首先|

看一下与声音发生关系的车辆部件,它们的开发阶段,以及声音目标的管理。

在部件方面,法拉利主要考虑了发动机以及进气排气系统。毕竟法拉利的发动机声音是比较大的,因此在发动机本体和进排气部件上有较大空间做与声学设计相关的工作。部件的开发阶段包含概念设计,早期原型机,精细设计与校核以及最后的生产。对于声音指标的管理包括:仿真计算,耳听主观评价,以及最终将声音作为与汽车其他参数并列的性能指标写在公开的法拉利型号参数书中。

演讲的主要部分在于介绍法拉利跑车声学性质辞典中的四个词条以及如何进行部件设计以满足这四条要求。

这四个性质分别是:吵闹(loud),饱满(full),干净(clean),明亮(bright)。

对于吵闹,大家一定不难理解。吵闹通俗讲就是音量大。那么法拉利的音量到底有多大呢?我们可以看看法拉利跑车和同是意大利品牌的菲亚特500车型进行的对比。法拉利的声音(有些人可能会称作噪声noise,而有些人可能更习惯称其为声音sound)比菲亚特足足高了至少20dB。

  Francesco半开玩笑的解释为什么法拉利跑车需要做得那么吵:这是由于那些近乎“疯狂”的买家要求自己的跑车发出如此大的声音,以向外界彰显他们的到来。而Francesco说自己倒是更喜欢安静一些的丰田普锐斯。

  好了,第一个声学词条“吵闹”想必不难理解,而要理解后面的几个词条就需要一些声学或音乐方面的知识了。接下来第一个性质是“饱满”。

  在给“饱满”下定义前,让我们先听两段音乐。第一段是维瓦尔第的古典吉他曲,第二段是深紫乐队的电吉他曲,使用电子管放大器加distortion的效果。

(文章内音频文件请点击左下角“阅读原文”下载)

大家听完之后有什么感觉呢?让我们把完整的音乐先拆成简单的信号可能会更容易理解一些。

  吉他的原音是一个简单的正弦信号。如使用晶体管加distortion会改变正弦波形,不过信号正负部分的对称性并没有改变。而如果使用电子管加distortion的效果,则不仅改变了正弦波的波形,还破坏了信号的正负波形的对称性。让我们听一下吉他单音的原音和加了电子管distortion的效果。

为了理解声音的“饱满”度,需要引入声音阶数的概念。阶数图实际上是对时域信号进行傅里叶变换的结果。而由于考虑在不同状态下的时域信号,阶数图除了横坐标频率的维度,还具有纵坐标的“状态”维度。例如:对于吉他来说这个状态可以是左手按的品位(也就是对应着吉他弦可产生振动部分的长短),而对于汽车发动机来说这个状态,即纵坐标,则是它的转速。阶数分析图中的颜色表示了声音的大小(声压级)。

阶数图中每一条斜线对应一个单纯的正弦信号,它的频率随着声音产生的状态(如发动机转速)而改变。吉他按弦的品位越高,频率越高;发动机的转速约高,频率也越高。因此这条斜线有一固定的斜率。

吉他的原声接近单阶数的声音,而加了distortion的电吉他则包含其他倍频的阶数。而汽车发动机的声音从来都是包含众多阶数的声音信号的。这里所谓的多阶数声音指的正是声音辞典中的“饱满”的概念。

(文章内音频文件请点击左下角“阅读原文”下载)

有没有感觉最后一个具有更丰富阶数的声音听起来更“饱满”呢?

然而,声音只是“饱满”还不够,还需要听上去“干净”。对于干净的感念,可以通过下面钢琴键盘来解释。

最上面的按键方式不算任何演奏,而只是将临近的音一起按下。

而下面的按键方式仅触动了C键和G键,这样听上去就会很干净了。C键和G键的关系在音乐上也叫做一个五度,听上去是力量的象征。

发动机声音遵循类似的原理,对于8缸发动机来说,需要尽量保证仅产生2,4,6,8阶的声音,而不存在之间其他阶数的声音。而对于12缸发动机来说,则希望仅产生3,6,9,12阶的声音。这样的声音才是干净的。

  最后一个声音词条是“明亮”。 Francesco认为,对于明亮的声音,要求中频声音较大,而低频和高频区域声音相对较小。这样有利于抑制低音的轰鸣声(booming noise),降低高频声音的粗糙度(harsh),从而彰显中频声音的光亮感。

好了,至此我们已经解释了法拉利跑车声音的四个特性:吵闹(load),饱满(full),干净(clean)和明亮(bright)。

首先,如何增加跑车的音量,也就是说本来就很吵了,还要make louder。下面介绍了三种方法。

第一种方法是随着发动机转速改变排气消声器的几何形状。我们看到,当发动机转速达到一定数值时(如图中所示的接近3000转的时候),消声器管路中原本闭合的一支通道会被打开,这样可以起到在加速时加强音量的效果。

另一个增大音量的方法是延长排气歧管的长度。下面对比了短歧管和长歧管的声响,可见长歧管设计在各个发动机阶数上均有着更明显的声响。

Francesco并没有过多解释这个现象背后的原理。笔者猜测也许歧管延长后其尺度更接近中低频的声波长度(如不考虑温度效应,1000Hz的波长为0.34米,500Hz的波长0.68米),这样可能更有利于使从发动机传来的声波在管道中得以建立和传播,而过短的歧管则可能破坏或反射这部分中低频的能量。

对于增大音量的第三条思路涉及车内音量。毕竟开法拉利跑车的车主如果希望外面的人听到自己车的声响,那么自己在车内也必须要足够听到才可以。法拉利工程师对于这一部分的研究主要集中在低频的空腔噪音,方法类似于大家熟悉的车身结构与内空腔的振动声学耦合分析。

在讲过吵闹的设计原理之后,下面再介绍让声音更“饱满”的设计。记得前面讲过,饱满指的是各整数阶的声音齐全,如对于8气缸发动机,需要2,4,6,8等阶次的声音。

对于声音饱满的设计,第一条方式是发动机曲轴的设计以及气缸点火顺序的安排。将曲轴曲拐设计到同一平面内时(flat设计),可以保证一定的点火次序并产生较纯粹的2,4,6,8阶声音。而当曲轴曲拐为空间不共面设计时(cross设计),则难免产生其他阶数或半阶数的声音。

  Francesco讲到法拉利的发动机曲轴均采用第一种flat设计。对于第二种cross设计,历史上也曾经发生过是否采用的讨论,不过一直没有被通过,其中声学因素至关重要。下面让我们来听一下两种曲轴设计声音的对比。

针对声音“饱满”度设计的第二条方法涉及到排气歧管的连接形式。如四条歧管先并为两条,之后再并为一起的4-2-1方式;或者四条歧管直接并在一起的4-1方式。或者将V型发动机两侧不同气缸先并在一起的方式,之后在进行组合合并的方式等。这些设计会对声音饱满度产生不同的影响。

好了,说完饱满度,再来看看使声音“干净”的配方。记得前面讲过,干净的意思是只保留需要的阶数而抑制或降低不需要的阶数。对于干净声音的设计,第一条方法是采用等长度的排气歧管。这一条不难理解,它可以保证来自各气缸的声响在各自经过歧管的总长度时产生相同的相位变化。

这页PPT中,上图是不等长歧管设计,下图是等长歧管设计。

正如阶数图上看到的那样,等长歧管的声音是不是既“饱满”又“干净”呢?

最后一条使声音“干净”的方法是在两侧排气管路之间建立H状连接,以滤掉一部分不希望产生的阶数的声音。如下面例子显示的,经过设计的H型连接不会降低12阶声音(这是我们希望得到的声音),却可以有效滤掉11.5阶的声音(这是我们不希望得到的声音阶次)。这样一来,本来就不显著的11.5阶声音再次得到了有效的减弱,声音的阶次因此变得更加“干净”。

最后介绍使声音更“明亮”的方法。之前讲过,明亮的声音在中频段的某目标频率上下需要得到加强,而在更低或更高的频率区间需要得到抑制。Francesco认为通过对进气歧管的材料和加强筋进行设计,可以加强目标频率左右的声音。由于牵扯到结构设计,这点应该是利用声振耦合的原理采取的设计。

|另外|

Francesco讲到两侧排气管道设计的车型,可使用前面讲到的H型连接提高排气声音的明亮度。如果将排气管道设置成中置的形式,也有利于提高排气声的明亮度。

  好了,关于法拉利跑车声音设计的理念和一般性方法介绍至此!

接下来Francesco会为我们介绍两个Actran软件在法拉利动力系统声学设计中的应用。

第一个应用涉及对高频噪声(harshness 噪声)的消除。这里采用了同轴膨胀腔消声器的设计。这是一种抗性消声器,因此可以通过调整几何,包括图中显示的内管道开口方式,在中高频产生若干共鸣现象。这些共鸣现象在频谱上彼此连接,从而保证消声器在中高频段具有较高的传递损失,以有效过滤此频段的噪声。而在低频段,消声器具有很低的声学传递损失,保证了低频信号不被消除。在此项目中,使用到Actran进行了消声器全频段声学传递损失的计算。

第二个应用涉及到排气过程中催化剂部件提供的声学传递损失仿真。法拉利使用了艾米泰克的Metatit催化剂产品,其内部结构设计导致不仅有沿管道方向的气流和声波,另外声波还可以沿横向传播。这就需要仿真声学的3维传播特征。在此项目中,使用了Actran独有的各向异性多孔介质材料,用来等效模拟沿管道方向和侧向的声学材料参数,进而较好模拟了催化剂的声学传递损失。

|最后|

在所有技术演示过后,Francesco又简单的对汽车行业的发展以及这会对声学设计产生的影响做了简要讨论。电机的应用,发动机小型化,车内音响的使用也会牵扯到跑车声学设计的方方面面。

将来更加严格的外部噪声标准和更加严格的排放法规也可能会导致跑车必须降低它们发出的音量。

可见由于新的市场和法规的产生,可能会带来一系列新问题等着汽车工程师去解决。

不过最后让我们还是先放松一下。在新的外部噪声法规还没有实施前,让我们抓紧时间领略一下当下几款法拉利跑车风驰电掣般的声音吧。别忘了带上你的耳机哦!

(文章内音频文件请到 http://pan.baidu.com/s/1o8PN2JK 下载)