隨著研發(fā)周期越來越短，物理工程樣車越來越少，如何對(duì)開發(fā)階段車型的聲學(xué)特性進(jìn)行可靠的評(píng)估是一大挑戰(zhàn)。真實(shí)的聆聽體驗(yàn)離不開雙耳人工頭，仿真階段也如此。讓我們一起來了解下HEAD acoustics和Porsche是如何利用虛擬人工頭來解決這個(gè)問題的。

用仿真來加速開發(fā)，避免在車型開發(fā)后期出現(xiàn)高成本的改進(jìn)，能有效提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。無需依賴有限的抽象數(shù)據(jù)，可以在實(shí)車出來之前，通過數(shù)字原型樣車用雙耳感知逼真的聲音。

在物理工程樣車中使用人工頭來采集聲音是NVH調(diào)查評(píng)估的重要組成部分。它能夠提供真實(shí)的聆聽體驗(yàn)，從而使評(píng)估更加可靠。為此，用虛擬仿真的人工頭來獲取可對(duì)比、有意義的雙耳模擬結(jié)果，就顯得很有必要。

虛擬人工頭考慮了頭部、肩部對(duì)聲場(chǎng)的衍射效應(yīng)，以及人工頭對(duì)車內(nèi)聲場(chǎng)的影響[1]。因此，在制造出第一輛物理工程樣車之前，即可在仿真環(huán)境中體驗(yàn)到逼真的整體聲學(xué)感受。

虛擬人工頭模型

圖1   HMS IV的高精度有限元模型

虛擬人工頭的CAD模型是基于HMS IV (第4代人工頭)建立的?；谟邢拊姆椒?，生成外表面的封閉曲面模型，如圖1 [2]。虛擬人工頭具有模塊化結(jié)構(gòu)，像HMS IV實(shí)物一樣。由肩部、頭部、耳廓和外耳道等的簡(jiǎn)化型幾何形狀的構(gòu)成?？紤]到內(nèi)耳的復(fù)雜性，在模型中不予考慮。因此，仿真結(jié)果會(huì)低于人類聽覺的頻率上限，研究分析的頻率范圍最高到8kHz。該模型包含約76,000個(gè)三角形單元，平均邊緣長(zhǎng)度為3 mm。對(duì)于耳廓和外耳道等距離麥克風(fēng)位置很近，且半徑較小的區(qū)域，附件的幾何模型使用更小的單元；對(duì)于頭部和肩部等半徑較大、較為平坦的區(qū)域，使用更大的單元。

虛擬人工頭模型的驗(yàn)證

通過對(duì)比頭部相關(guān)傳遞函數(shù)(HRTF: Head Related Transfer Function)的測(cè)量和仿真結(jié)果，可以驗(yàn)證有限元模型。

亞琛工業(yè)大學(xué)聽覺技術(shù)與聲學(xué)研究所的消聲室內(nèi)所搭建的實(shí)驗(yàn)裝置，包含按垂直對(duì)齊半圓形排列的揚(yáng)聲器 [3]。首先，以半圓的中心作為參考點(diǎn)，放置麥克風(fēng)，進(jìn)行參考測(cè)試（Reference measurement）；然后，將人工頭兩耳的中點(diǎn)位置，與參考點(diǎn)對(duì)齊，放置人工頭。人工頭可以在測(cè)試中繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，以獲得多個(gè)空間方向的HRTF。參考測(cè)試相關(guān)的人工頭采集結(jié)果，定義為HRTF。HRTF不受房間和揚(yáng)聲器傳輸特性的影響。另外，激勵(lì)源信號(hào)的具體特征(掃頻或白噪)也不會(huì)產(chǎn)生影響，只要整個(gè)相關(guān)頻率范圍內(nèi)具有能量即可。

在模擬仿真中，假定互易性是適用的。聲壓的輸出節(jié)點(diǎn)界定在揚(yáng)聲器位置，球形聲源取代耳朵位置的麥克風(fēng)。通過一次模擬仿真，計(jì)算出附加輸出節(jié)點(diǎn)位置到所有空間方向的數(shù)據(jù)。由于在這種情況下存在理想的自由場(chǎng)條件，因此可以解析計(jì)算出參考聲壓。為了能與測(cè)量結(jié)果相比較，將模擬聲壓與解析計(jì)算的參考聲壓相關(guān)聯(lián)。

圖2   在平面極坐標(biāo)中，500 Hz、3450 Hz 和7650 Hz頻率處實(shí)測(cè)與仿真的HRTF對(duì)比

圖2在平面中的極坐標(biāo)顯示了在500 Hz、3450 Hz 和7650 Hz三個(gè)頻率處，實(shí)測(cè)的左耳HRTF與模擬的HRTF的對(duì)比結(jié)果?？傮w來說，即使高頻處，曲線在定性和定量方面都吻合的較好。在7650 Hz時(shí)，在260°方位角的頭部陰影處，存在葉瓣?duì)畹娜庋劭梢姷钠?，這可能是因?yàn)閷?shí)物人工頭和虛擬人工頭存在一定的差異。在50到8000Hz的整個(gè)頻率范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)和仿真的一致性都較好。  

為在車輛模型中使用做準(zhǔn)備

為了在整車模型中使用虛擬人工頭，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，需對(duì)已有的有限元模型進(jìn)行一定的修改：通過增加軀干箱以形成頭部和軀干模擬器(HATS)[4]。由于整車模型的頻率上限約為1 kHz，因此人工頭的有限元模型可使用更大的網(wǎng)格單元，從而顯著降低網(wǎng)格單元的數(shù)量，降低整個(gè)車輛模型的復(fù)雜性，提高了仿真計(jì)算的性能。

為了實(shí)現(xiàn)必要的粗網(wǎng)格劃分，需要對(duì)人工頭模型進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化。修改后的有限元模型如圖3(左) 所示。盡管加了(中空的)軀干箱，增加了大量的網(wǎng)格表面，但僅增加了約20360個(gè)網(wǎng)格單元。另外，相比于頭肩部的原始模型，頸圈附近的結(jié)構(gòu)做了明顯的改變。由于網(wǎng)格單元較大，圓形耳道近似為多邊形。

圖3   頭部軀干模型的簡(jiǎn)化有限元模型和右耳方向?yàn)?°（前）和270°（右）的HRTFs的實(shí)測(cè)、高精度有限元模型、簡(jiǎn)化有限元模型的對(duì)比

為了驗(yàn)證模型，在圖3中，我們以頭部和軀干模擬器（HATS）右耳在phi = 0°(前)和phi = 270°(右)方向上的HRTF測(cè)量結(jié)果為例，將實(shí)測(cè)結(jié)果與高精仿真模型(A)、簡(jiǎn)化仿真模型(B) 進(jìn)行對(duì)比。首先，如圖中所示，兩個(gè)仿真模型的結(jié)果都與實(shí)際測(cè)量結(jié)果較吻合。在600Hz以下，A和B模型提供了幾乎相同的結(jié)果；在600Hz以上，由于網(wǎng)格單元較大，實(shí)測(cè)與A模型的存在偏差，但數(shù)量級(jí)上在可接受的范圍內(nèi)。  

車輛模型

為了驗(yàn)證虛擬人工頭在車輛模型中的使用，對(duì)保時(shí)捷911 Carrera車內(nèi)的多個(gè)聲學(xué)傳遞函數(shù)(ATFs)進(jìn)行了測(cè)量和仿真計(jì)算。

圖4   包含了結(jié)構(gòu)模型(左上)、車內(nèi)腔體(上中圖、帶人工頭的上右圖)、內(nèi)飾板件(左下)和內(nèi)飾(中下)的仿真模型。根據(jù)加載工況進(jìn)行編號(hào)的激勵(lì)位置（紅色標(biāo)記）和測(cè)量位置（黑色標(biāo)記）(右下)

ATF是聲壓(p)與聲源強(qiáng)度(Q) 的比值(ATF=p/Q)。車內(nèi)使用標(biāo)準(zhǔn)聲源(單極子) 進(jìn)行激勵(lì)，在貼近標(biāo)準(zhǔn)聲源(10 ~ 20 cm)的參考位置，以及座位位置獲取聲壓。車輛內(nèi)部分別采用六種不同的激勵(lì)方式，每種激勵(lì)位置不同。每個(gè)激勵(lì)方式，都會(huì)一次使用單麥克風(fēng)，一次使用人工頭，來獲取駕駛員位置的聲壓。在計(jì)算和測(cè)試過程中，車輛內(nèi)部的激勵(lì)源和聲壓測(cè)點(diǎn)采用相同位置，如圖4所示。

通過包含結(jié)構(gòu)模型(主要是金屬部件)、車內(nèi)腔體、聲學(xué)有效絕緣部件、內(nèi)飾件和內(nèi)部板 (主要是塑料制品)等組成的有限元模型，仿真獲取ATFs。這些組件是相互耦合的，因此在計(jì)算中需要考慮相互的影響。

通過實(shí)驗(yàn)獲取了部件完整的整車ATFs。這些測(cè)試在保時(shí)捷研發(fā)中心（位于Weissach）的聲學(xué)測(cè)試臺(tái)架上進(jìn)行的，以將干擾噪聲和反射控制在最低。  

車輛模型驗(yàn)證

當(dāng)前的有限元模型和硬件確保頻率上限可以到1000 Hz。在測(cè)試中，考慮到信噪比，從30 Hz開始評(píng)估傳遞函數(shù)。因此，可以在30 Hz到1000 Hz的頻率范圍內(nèi)，對(duì)比實(shí)測(cè)和仿真獲取的傳遞函數(shù)。

我們將詳細(xì)地討論3和6兩個(gè)激勵(lì)位置進(jìn)行激勵(lì)時(shí)的情況。如圖5所示，對(duì)于每個(gè)測(cè)量位置，可以看到測(cè)試和仿真的一致性都較好。在某些窄帶處的偏差，可以使用聲學(xué)中常用的1/3倍頻程來更好地評(píng)估。因此，很明顯，在較高的頻率范圍內(nèi)，測(cè)試和仿真的相關(guān)性也令人滿意。

圖5   激勵(lì)位置為3(左)和6(右)的測(cè)試和仿真的聲傳遞函數(shù)(ATFs) 的窄帶和1/3倍頻程的對(duì)比

圖6   激勵(lì)位置為3(左)和負(fù)載情況6(右)時(shí)，實(shí)測(cè)和仿真的人工頭雙耳與麥克風(fēng)在1/3倍頻程上的對(duì)比。下圖:根據(jù)ECMA 418-2，單個(gè)麥克風(fēng)和人工頭在激勵(lì)位置為3(左)和6(右)時(shí)實(shí)測(cè)與仿真的響度等級(jí)對(duì)比。

為了進(jìn)一步說明麥克風(fēng)和人工頭的區(qū)別， 在圖6(上)中，我們比較了駕駛員位置處，單個(gè)麥克風(fēng)與人工頭信號(hào)的1/3倍頻程數(shù)據(jù)。測(cè)試和仿真數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，麥克風(fēng)與人工頭在量級(jí)上的差異是一樣的。在兩種激勵(lì)情況下，在200 Hz ~ 400 Hz之間，人工頭左耳的聲壓級(jí)要高于右耳和單個(gè)麥克風(fēng)；在400Hz以上，情況則相反，人工頭右耳的聲壓級(jí)最高。

使用虛擬人工頭可以實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的主觀評(píng)估和心理聲學(xué)評(píng)估。為了基于ECMA 418-2[5]來計(jì)算響度，將3秒白噪的時(shí)間信號(hào)與模擬/測(cè)量的傳遞函數(shù)進(jìn)行卷積，通過考慮雙耳總體效應(yīng)，將人工頭的響度計(jì)算成一條曲線，從而可以與單個(gè)麥克風(fēng)的響度曲線進(jìn)行比較，如圖6(下)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，響度曲線從大約0.3秒開始可以評(píng)估，響度等級(jí)的相關(guān)性證實(shí)了之前仿真與測(cè)試之間的對(duì)比。

總結(jié)與展望

幾十年來，人工頭在NVH研究中一直是必不可少的。與此同時(shí)，物理工程樣車數(shù)量的減少，虛擬人工頭自然就更多地出現(xiàn)在虛擬仿真場(chǎng)景中。

在本文中，通過平面內(nèi)高至8k Hz的頭相關(guān)函數(shù)（HRTF）的計(jì)量，驗(yàn)證了人工頭的有限元模型。經(jīng)過驗(yàn)證的虛擬人工頭模型可以考慮真實(shí)的衍射效應(yīng)，以及人工頭對(duì)聲學(xué)環(huán)境的影響，從而成為乘客的替代模型。同時(shí)，它保證了后期開發(fā)過程中仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)的可比性。

在車輛模型的應(yīng)用中，人工頭模型擴(kuò)展了軀干箱。當(dāng)比較整車中測(cè)試和仿真的傳遞函數(shù)時(shí)，人工頭的使用可以帶來非常好的一致性。

車內(nèi)的雙耳仿真提高了結(jié)果準(zhǔn)確性。它能夠在產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化的早期階段，以人類感知為中心，對(duì)車輛進(jìn)行真實(shí)的聽覺感知評(píng)估。這樣的聲學(xué)場(chǎng)景仿真可以在不同的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，因此，決策者可以利用一系列工具，在開發(fā)早期做出必要的關(guān)鍵決策。從雙耳聲學(xué)案例和NVH桌面模擬器，再到類似于保時(shí)捷NVH- lab中的整車模擬器，以及實(shí)車中的Mobile版NVH模擬器，都是聲學(xué)場(chǎng)景仿真的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[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

本文譯自德國ATZ雜志2023年特刊。