基于混响时间的汽车内饰设计方法研究

王志坚，范朝纲

（沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110136）

0 引 言

在汽车市场竞争日益激烈的今天，为乘客营造高品质的车载扬声器声场环境不仅能够使驾乘人员充分享受到音乐的美妙，更能帮助驾驶员以最佳的心态驾驶车辆，已成为扩大销售额和增强企业竞争力的有力突破点。车辆内饰材料设计是车载扬声器声场环境设计的重要内容，它在美化车厢、保证乘坐舒适度的同时，营造良好的吸音隔音环境。但目前车辆内饰设计仍然停留在设计人员的经验积累和大量实验验证的基础上，在耗费大量人力物力的同时，也不能保证对声场的有效控制。本文提出了一种基于声线跟踪法（计入了模型界面散射作用）的车辆内饰设计方法。该方法通过利用计算机声学模拟软件EASE中的AURA模块对车载扬声器混响时间的高精度仿真，实现在计算机平台上的内饰材料优化设计，减少实验周期，节省人力物力。

1 数学模型的建立

1.1 混响时间定义

混响时间就是在声场达到稳定后，声源突然停止发声，声场声压按线性规律衰减60dB所需的时间，一般用T60来表示[1-2]。然而在实际情况下，由于衰减量程及本底噪声的干扰，造成在60dB内很难有良好的衰减曲线，因此，人们也使用T20（RT20）或T30（RT30）来表示混响时间。T20为声压级衰减20dB所需时间乘以3；T30为声压级衰减30dB所需时间乘以2。混响时间示意图如图1所示。

图1 混响时间示意图

1.2 混响时间的计算

早在1900年，美国哈佛大学赛宾教授发表了题为《论混响》的著名论文[3]，提出著名的混响时间为

式中：T60——封闭空间的混响时间（s）；

K——与声音在空气中传播速度有关的常量，温度 15℃，声速为 340m/s时，K=0.163（s/m）；温度为 20℃，声速为 343m/s时，K=0.161（s/m）；

V——封闭空间的总容积（m3）；

S——空间内表面积（m2）；

Si——第i个面的面积（m2）；

αi——第i个面的吸声系数。

后来，在研究影响混响时间的各因素过程中，人们发现吸收声能的除了空间内表面之外，还有空间内空气本身，并且不同的空气湿度对声能的吸收也不同。艾润-努特发表了更加精确的修正[4]为

式中：T60——混响时间（s）；

V——空间容积（m3）；

S——空间内总表面积（m2）；

m——空气中声衰减系数（m-1）。

2 车体声场仿真分析

2.1 车体物理模型

本文采用计算机声学模拟软件EASE，对样车进行实体建模，驾驶室内部尺寸为：2.65 m×1.59 m×1.28m，建立模型如图2所示。

图2 驾驶室模型视图

在驾驶室内，顶棚A面（乘客见到的面，其反面为B面）的材料为纤维纺织物，B面为无纺布面料，地面铺有薄地毯，仪表盘的表面材料为聚氯乙烯（PVC）软质表皮和聚氨酯塑料板，前围隔热垫材料为PET毛毡，车窗材料为玻璃，车门内板表面材料为聚氯乙烯（PVC）软质表皮、纤维纺织物和聚氨酯塑料板，后置物台表面材料为无纺布，中控台表面材料为木板，座椅表面材料为绒布座套,立柱材料为聚氨酯塑料板。

2.2 内饰材料吸声系数

不同内饰材料的面积和吸声系数如表1所示。

表1 驾驶室内饰材料面积及吸声系数

2.3 仿真结果

模型建立完毕后，使用EASE软件中的AURA模块进行驾驶室混响时间的仿真计算。AURA运算模块采用声线跟踪法计算房间声源至听声面上某一点处的声场脉冲响应，然后再计算出各种声学参量；因此，它不仅适用于扩散声场，还适用于非扩散声场的声学参量计算。混响时间仿真曲线见图3，声场中各频率的混响时间见表2。

表2 EASE仿真的混响时间

图3 混响时间曲线

由图3可以看出：混响时间在125Hz前处于减小趋势，在125～500Hz又逐渐增大，在500～1000Hz急剧减小，之后处于平缓状态。由于音乐信号的频率范围主要集中在8kHz以下，列出了125Hz～8kHz各频率的混响时间，由表2可以发现，500Hz之前的混响时间均在0.4s以上，而1000Hz之后的混响时间均低于0.1s。

3 测量实验

根据ISO 3382要求[5]，本文通过CLIO电声测量系统，使用MLS最大脉冲序列法，通过接收车载扬声器向车内发送的脉冲信号，实现车载扬声器声场混响时间的测量分析。

测试过程中，计算机通过PB-4281PC板及SC-01信号调节器产生的交流信号经CLIO QC放大器与转换盒放大后输入车载扬声器，MC-01麦克风将接受到的音频信号输入到CLIO QC放大器与转换盒，通过A/D、D/A转换和18位数字化分析处理后储存在计算机中。

由于汽车驾驶室的对称性，选择如下4个测量位置：前排主驾驶处（位置1）、前排座位中间处（位置2）、后排座位中间处（位置3）、后排右侧座位处（位置4）。声源采用样车自身安装的同轴扬声器，扬声器额定功率20 W，最大功率30 W，灵敏度为87±1.5%，有效频率为 60Hz～20kHz。

测量过程中，车门关闭，麦克风接收声音的端口高出座椅约8cm，垂直指向汽车底部。测量过程中采用16k的脉冲序列，每个测量位置取3次测量的均值。位置2处测量结果见图4、图5、图6，各频率混响时间测量数据见表3。

图4 测量的脉冲响应曲线

图5 时间-能量曲线

图6 混响时间（RT20）曲线

表3 CLIO测量的混响时间

由图4和图5可以看出，在前30ms内脉冲信号衰减比较剧烈，而后衰减趋势逐渐趋于平缓。图6是测量出的声场中32Hz～16kHz的混响时间（RT20）曲线，对照图6及图3，我们可以看到，EASE仿真曲线与CLIO测量曲线吻合良好。通过对照表2与表3，各频率混响时间值相差不超过0.061s，验证了EASE软件仿真模拟的准确性。

由于轿车内部最佳混响时间在0.3～0.4s之间[6]，样车在低频范围内混响时间均高于0.4 s，500 Hz左右的混响时间已经超过了1 s，造成音乐明晰度（C80）的严重下降。根据测量结果，500 Hz处的明晰度只有-8.6dB，低于良好明晰度的最小值0dB；而在1000Hz以后的混响时间均低于0.1s，声音就会变得枯燥干涩，缺乏真实感和表现力，在很大程度上降低了音乐的再放还原效果。因此，这两个频率段也是样车混响时间优化的重点所在。

鉴于EASE软件在车载扬声器声场中模拟的准确性，可以借助EASE软件指导车辆内饰设计，在减少实验周期的基础上实现对车载扬声器声场的准确预测和有效控制，提高工作效率。以样车为例，增加纺织材料表面密度或地毯针刺密度[7]、将绒布座套更换为亚麻座套[8]或三明治面料座套、使用玻璃纤维含量相对较高的纤维纺织物[9]等方法，可以实现驾驶室声场的优化。仿真结果显示：通过将薄地毯更换为针刺密度为116.7针/cm2的针刺地毯、将绒布座套更换为亚麻座套、将纤维纺织物中玻璃纤维含量从100g/m2增加到200g/m2的方法，500Hz的混响时间降低了0.22s，1000Hz以上的高频声混响时间最多增加了0.14s。

当然，使用EASE进行车载扬声器声场的模拟还存在以下需要改进的问题：精确的车载扬声器声场实验需要考虑乘员的存在，而EASE在分析封闭小空间声场的时候还不能将人的因素考虑进来；EASE模拟的准确性建立在对材料吸声系数准确掌握基础上，而目前还没有国产内饰材料系统准确的吸声数据库。

4 结束语

本文采用EASE软件建模仿真和实验研究相结合的方法，实现了某型轿车车载扬声器声场混响时间的仿真和测量，通过对比分析，验证了利用EASE软件指导内饰设计的可行性。通过对混响时间的分析研究，分析了样车混响时间在低频和1 000 Hz以上高频对音乐效果的影响，提出了内饰优化设计的可行措施，对汽车车载扬声器声场的研究和优化具有一定的借鉴意义。

[1]刘海霞.多功能视听室音质控制实验研究[D].青岛：中国海洋大学，2008.

[2]李敏毅，孙海涛，吴杰歆，等.混响时间及测量方法简介[J].中国测试技术，2005，31（1）：18-20.

[3]威廉J·卡瓦诺夫，约瑟夫A·威尔克斯.建筑声学-原理和实践[M].赵樱译.北京：机械工业出版社，2005：37-41.

[4]高玉龙.厅堂建筑音质计算机辅助设计[M].北京：国防工业出版社，2007：17-18.

[5]ISO 3382—1997 Acoustics-measurements of reverberation time of rooms with reference to other acoustical parameters[S].International Organization for Standardization，1997.

[6]宁方立.小尺度封闭空间可听化研究[D].西安：西北工业大学，2004.

[7]朱晓娜.纺织品吸声隔音材料研究进展[J].现代丝绸科学与技术，2010（10）：46-48.

[8]赵淼淼.汽车内饰材料吸音隔音性能的研究[D].合肥：安徽农业大学，2010.

[9]谭柳娜.长安福特B型车内饰件声学性能研究[D].南京：南京理工大学，2010.