法拉利跑車的聲學設計｜Actran軟件系統(tǒng)聲學設計中的應用。

特邀嘉賓演講簡介:

下面摘選演講PPT的部分內(nèi)容,并結(jié)合筆者現(xiàn)場參會經(jīng)驗與大家共享。

演講內(nèi)容分四部分:

1. 問題架構(gòu),使用工具

2. 聲學辭典

3. 聲學配方

4. 對目前與將來的工作的簡要介紹

|首先|

看一下與聲音發(fā)生關系的車輛部件,它們的開發(fā)階段,以及聲音目標的管理。

在部件方面,法拉利主要考慮了發(fā)動機以及進氣排氣系統(tǒng)。畢竟法拉利的發(fā)動機聲音是比較大的,因此在發(fā)動機本體和進排氣部件上有較大空間做與聲學設計相關的工作。部件的開發(fā)階段包含概念設計,早期原型機,精細設計與校核以及最后的生產(chǎn)。對于聲音指標的管理包括:仿真計算,耳聽主觀評價,以及最終將聲音作為與汽車其他參數(shù)并列的性能指標寫在公開的法拉利型號參數(shù)書中。

演講的主要部分在于介紹法拉利跑車聲學性質(zhì)辭典中的四個詞條以及如何進行部件設計以滿足這四條要求。

這四個性質(zhì)分別是:吵鬧(loud),飽滿(full),干凈(clean),明亮(bright)。

對于吵鬧,大家一定不難理解。吵鬧通俗講就是音量大。那么法拉利的音量到底有多大呢?我們可以看看法拉利跑車和同是意大利品牌的菲亞特500車型進行的對比。法拉利的聲音(有些人可能會稱作噪聲noise,而有些人可能更習慣稱其為聲音sound)比菲亞特足足高了至少20dB。

  Francesco半開玩笑的解釋為什么法拉利跑車需要做得那么吵:這是由于那些近乎“瘋狂”的買家要求自己的跑車發(fā)出如此大的聲音,以向外界彰顯他們的到來。而Francesco說自己倒是更喜歡安靜一些的豐田普銳斯。

  好了,第一個聲學詞條“吵鬧”想必不難理解,而要理解后面的幾個詞條就需要一些聲學或音樂方面的知識了。接下來第一個性質(zhì)是“飽滿”。

  在給“飽滿”下定義前,讓我們先聽兩段音樂。第一段是維瓦爾第的古典吉他曲,第二段是深紫樂隊的電吉他曲,使用電子管放大器加distortion的效果。

(文章內(nèi)音頻文件請點擊左下角“閱讀原文”下載)

大家聽完之后有什么感覺呢?讓我們把完整的音樂先拆成簡單的信號可能會更容易理解一些。

  吉他的原音是一個簡單的正弦信號。如使用晶體管加distortion會改變正弦波形,不過信號正負部分的對稱性并沒有改變。而如果使用電子管加distortion的效果,則不僅改變了正弦波的波形,還破壞了信號的正負波形的對稱性。讓我們聽一下吉他單音的原音和加了電子管distortion的效果。

為了理解聲音的“飽滿”度,需要引入聲音階數(shù)的概念。階數(shù)圖實際上是對時域信號進行傅里葉變換的結(jié)果。而由于考慮在不同狀態(tài)下的時域信號,階數(shù)圖除了橫坐標頻率的維度,還具有縱坐標的“狀態(tài)”維度。例如:對于吉他來說這個狀態(tài)可以是左手按的品位(也就是對應著吉他弦可產(chǎn)生振動部分的長短),而對于汽車發(fā)動機來說這個狀態(tài),即縱坐標,則是它的轉(zhuǎn)速。階數(shù)分析圖中的顏色表示了聲音的大小(聲壓級)。

階數(shù)圖中每一條斜線對應一個單純的正弦信號,它的頻率隨著聲音產(chǎn)生的狀態(tài)(如發(fā)動機轉(zhuǎn)速)而改變。吉他按弦的品位越高,頻率越高;發(fā)動機的轉(zhuǎn)速約高,頻率也越高。因此這條斜線有一固定的斜率。

吉他的原聲接近單階數(shù)的聲音,而加了distortion的電吉他則包含其他倍頻的階數(shù)。而汽車發(fā)動機的聲音從來都是包含眾多階數(shù)的聲音信號的。這里所謂的多階數(shù)聲音指的正是聲音辭典中的“飽滿”的概念。

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有沒有感覺最后一個具有更豐富階數(shù)的聲音聽起來更“飽滿”呢?

然而,聲音只是“飽滿”還不夠,還需要聽上去“干凈”。對于干凈的感念,可以通過下面鋼琴鍵盤來解釋。

最上面的按鍵方式不算任何演奏,而只是將臨近的音一起按下。

而下面的按鍵方式僅觸動了C鍵和G鍵,這樣聽上去就會很干凈了。C鍵和G鍵的關系在音樂上也叫做一個五度,聽上去是力量的象征。

發(fā)動機聲音遵循類似的原理,對于8缸發(fā)動機來說,需要盡量保證僅產(chǎn)生2,4,6,8階的聲音,而不存在之間其他階數(shù)的聲音。而對于12缸發(fā)動機來說,則希望僅產(chǎn)生3,6,9,12階的聲音。這樣的聲音才是干凈的。

  最后一個聲音詞條是“明亮”。 Francesco認為,對于明亮的聲音,要求中頻聲音較大,而低頻和高頻區(qū)域聲音相對較小。這樣有利于抑制低音的轟鳴聲(booming noise),降低高頻聲音的粗糙度(harsh),從而彰顯中頻聲音的光亮感。

好了,至此我們已經(jīng)解釋了法拉利跑車聲音的四個特性:吵鬧(load),飽滿(full),干凈(clean)和明亮(bright)。

首先,如何增加跑車的音量,也就是說本來就很吵了,還要make louder。下面介紹了三種方法。

第一種方法是隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速改變排氣消聲器的幾何形狀。我們看到,當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到一定數(shù)值時(如圖中所示的接近3000轉(zhuǎn)的時候),消聲器管路中原本閉合的一支通道會被打開,這樣可以起到在加速時加強音量的效果。

另一個增大音量的方法是延長排氣歧管的長度。下面對比了短歧管和長歧管的聲響,可見長歧管設計在各個發(fā)動機階數(shù)上均有著更明顯的聲響。

Francesco并沒有過多解釋這個現(xiàn)象背后的原理。筆者猜測也許歧管延長后其尺度更接近中低頻的聲波長度(如不考慮溫度效應,1000Hz的波長為0.34米,500Hz的波長0.68米),這樣可能更有利于使從發(fā)動機傳來的聲波在管道中得以建立和傳播,而過短的歧管則可能破壞或反射這部分中低頻的能量。

對于增大音量的第三條思路涉及車內(nèi)音量。畢竟開法拉利跑車的車主如果希望外面的人聽到自己車的聲響,那么自己在車內(nèi)也必須要足夠聽到才可以。法拉利工程師對于這一部分的研究主要集中在低頻的空腔噪音,方法類似于大家熟悉的車身結(jié)構(gòu)與內(nèi)空腔的振動聲學耦合分析。

在講過吵鬧的設計原理之后,下面再介紹讓聲音更“飽滿”的設計。記得前面講過,飽滿指的是各整數(shù)階的聲音齊全,如對于8氣缸發(fā)動機,需要2,4,6,8等階次的聲音。

對于聲音飽滿的設計,第一條方式是發(fā)動機曲軸的設計以及氣缸點火順序的安排。將曲軸曲拐設計到同一平面內(nèi)時(flat設計),可以保證一定的點火次序并產(chǎn)生較純粹的2,4,6,8階聲音。而當曲軸曲拐為空間不共面設計時(cross設計),則難免產(chǎn)生其他階數(shù)或半階數(shù)的聲音。

  Francesco講到法拉利的發(fā)動機曲軸均采用第一種flat設計。對于第二種cross設計,歷史上也曾經(jīng)發(fā)生過是否采用的討論,不過一直沒有被通過,其中聲學因素至關重要。下面讓我們來聽一下兩種曲軸設計聲音的對比。

針對聲音“飽滿”度設計的第二條方法涉及到排氣歧管的連接形式。如四條歧管先并為兩條,之后再并為一起的4-2-1方式;或者四條歧管直接并在一起的4-1方式?；蛘邔型發(fā)動機兩側(cè)不同氣缸先并在一起的方式,之后在進行組合合并的方式等。這些設計會對聲音飽滿度產(chǎn)生不同的影響。

好了,說完飽滿度,再來看看使聲音“干凈”的配方。記得前面講過,干凈的意思是只保留需要的階數(shù)而抑制或降低不需要的階數(shù)。對于干凈聲音的設計,第一條方法是采用等長度的排氣歧管。這一條不難理解,它可以保證來自各氣缸的聲響在各自經(jīng)過歧管的總長度時產(chǎn)生相同的相位變化。

這頁PPT中,上圖是不等長歧管設計,下圖是等長歧管設計。

正如階數(shù)圖上看到的那樣,等長歧管的聲音是不是既“飽滿”又“干凈”呢?

最后一條使聲音“干凈”的方法是在兩側(cè)排氣管路之間建立H狀連接,以濾掉一部分不希望產(chǎn)生的階數(shù)的聲音。如下面例子顯示的,經(jīng)過設計的H型連接不會降低12階聲音(這是我們希望得到的聲音),卻可以有效濾掉11.5階的聲音(這是我們不希望得到的聲音階次)。這樣一來,本來就不顯著的11.5階聲音再次得到了有效的減弱,聲音的階次因此變得更加“干凈”。

最后介紹使聲音更“明亮”的方法。之前講過,明亮的聲音在中頻段的某目標頻率上下需要得到加強,而在更低或更高的頻率區(qū)間需要得到抑制。Francesco認為通過對進氣歧管的材料和加強筋進行設計,可以加強目標頻率左右的聲音。由于牽扯到結(jié)構(gòu)設計,這點應該是利用聲振耦合的原理采取的設計。

|另外|

Francesco講到兩側(cè)排氣管道設計的車型,可使用前面講到的H型連接提高排氣聲音的明亮度。如果將排氣管道設置成中置的形式,也有利于提高排氣聲的明亮度。

  好了,關于法拉利跑車聲音設計的理念和一般性方法介紹至此!

接下來Francesco會為我們介紹兩個Actran軟件在法拉利動力系統(tǒng)聲學設計中的應用。

第一個應用涉及對高頻噪聲(harshness 噪聲)的消除。這里采用了同軸膨脹腔消聲器的設計。這是一種抗性消聲器,因此可以通過調(diào)整幾何,包括圖中顯示的內(nèi)管道開口方式,在中高頻產(chǎn)生若干共鳴現(xiàn)象。這些共鳴現(xiàn)象在頻譜上彼此連接,從而保證消聲器在中高頻段具有較高的傳遞損失,以有效過濾此頻段的噪聲。而在低頻段,消聲器具有很低的聲學傳遞損失,保證了低頻信號不被消除。在此項目中,使用到Actran進行了消聲器全頻段聲學傳遞損失的計算。

第二個應用涉及到排氣過程中催化劑部件提供的聲學傳遞損失仿真。法拉利使用了艾米泰克的Metatit催化劑產(chǎn)品,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計導致不僅有沿管道方向的氣流和聲波,另外聲波還可以沿橫向傳播。這就需要仿真聲學的3維傳播特征。在此項目中,使用了Actran獨有的各向異性多孔介質(zhì)材料,用來等效模擬沿管道方向和側(cè)向的聲學材料參數(shù),進而較好模擬了催化劑的聲學傳遞損失。

|最后|

在所有技術演示過后,Francesco又簡單的對汽車行業(yè)的發(fā)展以及這會對聲學設計產(chǎn)生的影響做了簡要討論。電機的應用,發(fā)動機小型化,車內(nèi)音響的使用也會牽扯到跑車聲學設計的方方面面。

將來更加嚴格的外部噪聲標準和更加嚴格的排放法規(guī)也可能會導致跑車必須降低它們發(fā)出的音量。

可見由于新的市場和法規(guī)的產(chǎn)生,可能會帶來一系列新問題等著汽車工程師去解決。

不過最后讓我們還是先放松一下。在新的外部噪聲法規(guī)還沒有實施前,讓我們抓緊時間領略一下當下幾款法拉利跑車風馳電掣般的聲音吧。別忘了帶上你的耳機哦!

(文章內(nèi)音頻文件請到 http://pan.baidu.com/s/1o8PN2JK 下載)