CN112214838B - 一种基于互易定理的汽车低音单元最优布放方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于互易定理的汽车低音单元最优布放方法，由汽车的近似长方体的腔体、CAD图和3D扫描图导入后，建立有限元模型；确定汽车主驾驶座椅的头枕前10cm处为优化位置，计算低频扬声器与优化位置处的加速度‑声压传递函数，再以传递函数计算标准差，衡量平坦度；从而得到布放低频单元的最佳位置；其中，将汽车内部的物理性质由表面阻抗表达，低频扬声器由刚性活塞或近似点声源表达。本发明能够同时计算多个声源位置在同一接收点辐射的声压，减少了计算次数，从而快速得到低频扬声器安装的最佳位置，克服了传统仿真方式一次运算只能计算一个声源布放位置的缺点，用以提高车载音频系统的声学性能。

Description

一种基于互易定理的汽车低音单元最优布放方法
技术领域
本发明涉及声学技术领域，具体涉及是一种基于互易定理的汽车低音单元最优布放方法。
背景技术
随着汽车行业的发展，制造厂商开始关注用户在车内的体验。其中，车载音频系统作为车内主要的娱乐系统，成为了影响用户体验的重要因素。
传统上，汽车低音单元的位置安装缺乏实理论的指导，往往依据工程师或者调音人员的经验，忽略了不同车型对声学环境的影响；或者仅选择几个常用位置进行比较，无法得到最优解。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于互易定理的汽车低音单元布放方法，能够同时计算多个声源位置在同一接收点辐射的声压，减少了计算次数，从而快速得到低频扬声器安装的最佳位置，克服了传统仿真一次运算只能计算一个声源布放位置的缺点，用以提高车载音频系统的声学性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于互易定理的汽车低音单元最优布放方法，由汽车的近似长方体的腔体、CAD图和3D扫描图导入后，建立有限元模型；确定汽车主驾驶座椅的头枕前10cm处为优化位置，计算低频扬声器与优化位置处的加速度-声压传递函数，再以传递函数计算标准差，衡量平坦度；从而得到布放低频单元的最佳位置；
其中，将汽车内部的物理性质由表面阻抗表达，低频扬声器由刚性活塞或近似点声源表达。
本发明提供了一种基于互易定理的汽车低音单元最优布放方法，具体包括如下步骤：
在汽车内部标记三个区域，单极点源(1)、扬声器布放备选区域(2)、扬声器选择最优位置(3)，
S1:输入几何模型
由包括近似长方体的腔体、CAD图和3D扫描图三种汽车模型的有限元模型建立几何模型，将汽车内部的物理性质的表面描述为法向声阻抗ZS；
S2:阻抗边界
有限元模型内的任意一点仿真计算得到的声压，将该点处后得到的头枕前10cm处的声压，一次仿真计算中可得到所有声源布放位置下的传递函数，并用标准差衡量其平坦程度；
S3:声源参数的传递函数标准差
单极点源(1)设置在主驾驶位置，将单极点源(1)设置在距离主驾驶位置的头枕正中心10cm处，即预计的驾驶员听音位置，低频扬声器为加速度源，所述单极点源(1)的体积流量和频率成反比，设置为f是单极点源的频率；
依据实际布放条件选定低频扬声器布放备选区域(2)，设置间隔为2.5cm的几何点，得到空间域的声压分布，低频扬声器布放备选区域(2)中接收点的声压级随频率变化的曲线；
S4：计算有限元的空间声场的分布模态的曲线
空间中一点频响曲线的峰谷值由空间模态决定，计算声压级曲线的标准差用以衡量频响曲线的平坦程度，
S5：依据互易定理，得到低频单元布放的最优位置(3)为标准差最小值所对应的位置，该布放位置的声源与驾驶员处的传递函数受峰谷点的影响最小，传递扬声器本身的频响特性。
进一步地，所述法向声阻抗ZS的公式：
其中，p是位于边界处的声压，vn是边界上的法向速度。
进一步地，建立球坐标系下，依据声学的互易定理的公式为
其中，V表示声场所在空间，qi(r)表示第i个声源在r处的体积流量，Pi(r)表示第i个声源在r处辐射的声压。
本发明提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下几个方面的有益效果：
(1)有限元仿真可以在汽车设计前期确定低频扬声器的布放位置，减少研发周期及成本。
(2)基于互易定理的计算方法提升了有限元模型的计算效率。
附图说明
图1为本发明的声源的互易定理图；
图2为本发明的有限元仿真几何模型设置；
图3为本发明的选定位置点的声压级随频率变化曲线图；
图4为本发明的选定位置区域声压级曲线的标准差对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
本实施例公开了一种基于互易定理的汽车低音单元最优布放方法，由汽车的近似长方体的腔体、CAD图和3D扫描图导入后，建立有限元模型；确定汽车主驾驶座椅的头枕前10cm处为优化位置，计算低频扬声器与优化位置处的加速度-声压传递函数，再以传递函数计算标准差，衡量平坦度；从而得到布放低频单元的最佳位置；
其中，将汽车内部的物理性质由表面阻抗表达，低频扬声器由刚性活塞或近似点声源表达。
本实施例提供了一种基于互易定理的汽车低音单元最优布放方法，包括如下步骤：
在汽车内部标记三个区域，单极点源(1)、扬声器布放备选区域(2)、扬声器选择最优位置(3)，
S1:输入几何模型
由包括近似长方体的腔体、CAD图和3D扫描图三种汽车模型的有限元模型建立几何模型，将汽车内部的物理性质的表面描述为法向声阻抗ZS；
S2:确定阻抗边界
有限元模型内的任意一点仿真计算得到的声压，将该点处后得到的头枕前10cm处的声压，一次仿真计算中可得到所有声源布放位置下的传递函数，并用标准差衡量其平坦程度；
S3:声源参数的传递函数标准差
单极点源(1)设置在主驾驶位置，将单极点源(1)设置在距离主驾驶位置的头枕正中心10cm处，即预计的驾驶员听音位置，低频扬声器为加速度源，所述单极点源(1)的体积流量和频率成反比，设置为f是单极点源的频率；
依据实际布放条件选定低频扬声器布放备选区域(2)，设置间隔为2.5cm的几何点，得到空间域的声压分布，低频扬声器布放备选区域(2)中接收点的声压级随频率变化的曲线；
S4：计算有限元的空间声场的分布模态的曲线空间中一点频响曲线的峰谷值由空间模态决定，计算声压级曲线的标准差用以衡量频响曲线的平坦程度，
S5：依据互易定理，得到低频单元布放的最优位置(3)为标准差最小值所对应的位置，该布放位置的声源与驾驶员处的传递函数受峰谷点的影响最小，传递扬声器本身的频响特性。
进一步地，所述法向声阻抗ZS的公式：
其中，p是位于边界处的声压，vn是边界上的法向速度。
在上述的步骤中，建立球坐标系下，依据声学的互易定理的公式为
其中，V表示声场所在空间，qi(r)表示第i个声源在r处的体积流量，Pi(r)表示第i个声源在r处辐射的声压。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种基于互易定理的低频单元布放方法，其特征在于，由汽车的近似长方体的腔体、CAD图和3D扫描图导入后，建立有限元模型；确定汽车主驾驶座椅的头枕前10cm处为优化位置，计算低频扬声器与优化位置处的加速度-声压传递函数，再以传递函数计算标准差，衡量平坦度；从而得到布放低频单元的最佳位置；其中，将汽车内部的物理性质由表面阻抗表达，低频扬声器由刚性活塞或近似点声源表达，包括如下步骤：在汽车内部标记三个区域，单极点源(1)、扬声器布放备选区域(2)、扬声器选择最优位置(3)，
S1:输入几何模型
由包括近似长方体的腔体、CAD图和3D扫描图三种汽车模型的有限元模型建立几何模型，将汽车内部的物理性质的表面描述为法向声阻抗ZS；
S2:阻抗边界
有限元模型内的任意一点仿真计算得到的声压，将该点处后得到的头枕前10cm处的声压，一次仿真计算中可得到所有声源布放位置下的传递函数，并用标准差衡量其平坦程度；
S3:声源参数的传递函数标准差
单极点源(1)设置在主驾驶位置，将单极点源(1)设置在距离主驾驶位置的头枕正中心10cm处，即预计的驾驶员听音位置，低频扬声器为加速度源，所述单极点源(1)的体积流量和频率成反比，设置为f是单极点源的频率；
依据实际布放条件选定低频扬声器布放备选区域(2)，设置间隔为2.5cm的几何点，得到空间域的声压分布，低频扬声器布放备选区域(2)中接收点的声压级随频率变化的曲线；
S4：计算有限元的空间声场的分布模态的曲线
空间中一点频响曲线的峰谷值由空间模态决定，计算声压级曲线的标准差用以衡量频响曲线的平坦程度，
S5：依据互易定理，得到低频单元布放的最优位置(3)为标准差最小值所对应的位置，该布放位置的声源与驾驶员处的传递函数受峰谷点的影响最小，传递扬声器本身的频响特性。
2.根据权利要求1所述的基于互易定理的低频单元布放方法，其特征在于，所述法向声阻抗ZS的公式：
其中，p是位于边界处的声压，vn是边界上的法向速度。
3.根据权利要求1所述的基于互易定理的低频单元布放方法，其特征在于，建立球坐标系下，依据声学的互易定理的公式为
其中，V表示声场所在空间，qi(r)表示第i个声源在r处的体积流量，Pi(r)表示第i个声源在r处辐射的声压。
4.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1～3任一所述方法的步骤。
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