CN112528532A - 基于舱室虚拟声场环境构建的声学舒适度测试方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于舱室虚拟声场环境构建的声学舒适度测试方法，包括以下步骤：S1：构建舱室模型，并对舱室模型进行有限元划分和材料属性分类；S2：提取舱室模型的声腔模型，并进行有限元划分；S3：在舱室模型表面设定位置，为舱室结构有限元模型添加振动激励；S4：获取舱室模型中模拟座椅的位置以及人耳坐标范围，然后获取人耳位置处的模拟声信号；S5：将模拟声信号作为耳机输出声信号，将舱室模型通过VR眼镜显示；S6：控制真实座椅上的振动激励产生装置，使真实座椅模拟舱室内部的振动；S7：测试人员戴上耳机和VR眼镜坐在真实座椅上，进行舱室的声学舒适度测试，与现有技术相比，本发明具有成本低、流程简单、可信度高等优点。

Description

基于舱室虚拟声场环境构建的声学舒适度测试方法和系统
技术领域
本发明涉及声学技术领域，尤其是涉及一种基于舱室虚拟声场环境构建的声学舒适度测试方法和系统。
背景技术
近年来，轨道车辆发展迅速，和汽车、飞机一同成为人们常用的出行工具。此类带有舱室的交通工具在运行过程中，由于空气阻力、舱室内设备以及外部振动激励等原因，不可避免会产生噪声，使人焦躁或注意力分散，从而影响乘客出行体验。因此，在保证出行速度和安全的同时，进一步提高舱室内的声学舒适性成为当前需要深入研究的课题。
由于各类舱室内部结构不规则、舱体使用的材料不同，振动激励的产生位置也不固定，同时考虑声波在舱内的反射和吸收，使得舱室内的声场环境具有多样性和复杂性。所以现有技术中，为了获取舱室内某位置处乘客对声学舒适度的感受，一般在设计阶段制造样机进行模拟试验，再根据试验的测试参数以及体验者的反馈评价改进样机。但这种方法成本高昂，周期长、流程复杂，需要进一步优化和改善。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于舱室虚拟声场环境构建的声学舒适度测试方法和系统，使得无需试制样机即可在车辆声学设计阶段实现噪声测试，降低成本。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于舱室虚拟声场环境构建的声学舒适度测试方法，包括以下步骤：
S1：构建舱室模型，并对舱室模型进行有限元划分和材料属性分类，形成舱室结构有限元模型；
S2：提取舱室模型的内表面，形成声腔模型，并对声腔模型进行有限元划分；
S3：在舱室模型表面设定位置，为舱室结构有限元模型添加振动激励，并获取舱室结构有限元模型中的司机室与声腔模型之间的声固耦合作用；
S4：获取舱室模型中模拟座椅的位置以及人耳坐标范围，然后获取人耳位置处的模拟声信号；
S5：将模拟声信号作为耳机输出声信号，将舱室模型导入VR可视化软件，并通过VR眼镜显示；
S6：座椅振动激励控制程序控制真实座椅上的振动激励产生装置，使真实座椅模拟舱室内部的振动；
S7：所述的耳机、VR眼镜和真实座椅相互配合，构建舱室虚拟声场环境供测试人员进行舱室的声学舒适度测试，测试人员戴上耳机和VR眼镜，并坐在真实座椅上，进行舱室的声学舒适度测试。
进一步地，所述的有限元划分具体包括：对舱室模型进行网格划分，得到有限个子单元。
进一步地，所述的材料属性分类具体包括：将材料分为铝合金、聚酯塑料、钢材或玻璃。
进一步地，所述的步骤S2中，通过有限元软件直接提取舱室模型的内表面，形成声腔模型，所述的声腔模型为舱室模型内部封闭的空腔。
进一步地，所述的步骤S3中，舱室结构有限元模型中的司机室与声腔模型之间的声固耦合作用具体为：
舱室结构的振动引起内部空气振动产生的噪音，在声波传递过程中作用到司机室结构，引起舱室结构的振动。
更进一步地，所述的舱室模型表面设定位置根据舱室的工况动态选取。
进一步地，所述的步骤S4中，通过有限元软件的分析计算获取人耳位置处的模拟声信号。
进一步地，该方法还包括以下步骤：
S8：根据测试人员提供的舒适度测试结果，对舱室模型进行结构以及材料上的改进，并返回步骤S1-S7，直至达到测试标准。
一种用于实现如所述的基于舱室虚拟声场环境的声学舒适度测试方法的系统，包括计算机、VR头戴装置、真实座椅和振动激励产生装置，所述的振动激励产生装置安装于真实座椅上，所述的计算机分别与VR头戴装置和振动激励产生装置连接，其内部分别安装VR可视化软件、三维建模软件、有限元软件和振动激励控制程序，所述的三维建模软件和有限元软件用于构建舱室虚拟声场环境，所述的VR可视化软件和振动激励控制程序用于模拟舱室环境。
所述的VR头戴装置包括VR眼镜和耳机，所述的耳机为双声道立体声播放耳机。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明通过构建舱室虚拟声场环境，并结合振动激励产生装置和VR头戴装置，使得在设计阶段无需制造样机，就可对舱室声学舒适度进行测试，大幅度降低了试验成本；
2)本发明通过三维建模软件和有限元软件构建虚拟声场环境，并分析计算得到舱室内设定位置的模拟声信号，具有逼真的自然声场效果，同时与VR眼睛和真实座椅的结合更是增强测试人员的真实沉浸感，使得通过该系统获得的测试结果具有高可信度，可靠性强。
3)本发明的测试方法，当发现当前设计不符合声学要求时，只需要更改相应参数，即可立刻进行测试，流程简单、耗时短，在短时间内可得到多个试验样本的测试结果；
4)本发明的测试方法对试验场地无严苛要求，且测试系统的相关设备都较轻，便携性好。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为本发明中涉及的声信号传播原理示意图；
图3为本发明方法的流程示意图。
其中，101、计算机，102、VR头戴装置，103、振动激励产生装置，104、测试人员，105、真实座椅。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明提供一种基于舱室虚拟声场环境的声学舒适度测试的系统，包括计算机101、VR头戴装置102、真实座椅105和振动激励产生装置103，振动激励产生装置103安装于真实座椅105上，计算机101分别与VR头戴装置102和振动激励产生装置103连接，其内部分别安装VR可视化软件、三维建模软件、有限元软件和振动激励控制程序，三维建模软件和有限元软件用于构建舱室虚拟声场环境，VR可视化软件和振动激励控制程序用于模拟舱室环境。其中，VR头戴装置102包括VR眼镜和耳机，耳机为高保真耳机，为获得更好的听感，为双声道立体声播放。
计算机101内的软件具有可替代性，根据仿真实际效果可选择更合适的同类软件，这里只是指出其可行性而不具体确定某一软件，这并不用于限制本发明。
如图2所示为现实环境中声信号传播原理示意图。声音从声源传播至人的耳鼓处的过程也可以看作是声信号经过多个线形系统滤波的过程，其中主要包括环境滤波与人耳的耳廓滤波。前者在舱室内可用房间脉冲响应来表征，后者则可用与人头部相关的传递函数来表征，将两者综合起来，就可以获得双耳房间脉冲响应，再把它作为有限冲激响应系统滤波器的特征系数，则原始的声信号通过该滤波器的滤波处理即产生了所需的结果，以上相关计算都在有限元软件中实现，最终可以通过高保真耳机进行播放以模拟真实听感。这也是本发明中通过有限元计算构建舱内虚拟声场的基本原理。
如图3所示，基于舱室虚拟声场环境构建的声学舒适度测试方法主要包括以下步骤：
步骤1：构建舱室模型，并对舱室模型进行有限元划分和材料属性分类，形成舱室结构有限元模型。
使用三维建模软件建好舱室模型，导入有限元软件，对模型进行有限元划分和材料属性分类。其中，有限元划分指对原来整个舱室模型进行网格划分，得到有限个微小单元进行分析计算，具体的划分细节要根据模型的具体情况来确定。分类舱体材料属性时，可建立一个声学材料库，包括各类舱室所使用的常见材料属性，如铝合金、聚酯塑料、钢材、玻璃等。
步骤2：提取舱室模型的内表面，形成声腔模型，并对声腔模型进行有限元划分。
用有限元软件直接提取舱室结构内表面形成声腔模型，和舱室结构模型一样进行有限元划分，以进行后续声场的计算分析。其中，舱室内部是一个封闭的空腔，也就是声腔，声腔是由舱室结构的内表面形成的。
步骤3：在舱室模型表面设定位置，为舱室结构有限元模型添加振动激励，并获取舱室结构有限元模型中的司机室与声腔模型之间的声固耦合作用。
在舱室表面设定位置处给舱室结构有限元模型添加振动激励，为了声场分析的准确性，对司机室与声腔之间的声固耦合作用进行分析。其中，舱室结构的振动会引起内部空气的振动产生噪音，同时声波的传递也会作用到司机室结构上，引起舱室结构的振动，这就是声固耦合作用。此外，振动设定位置的选取随具体舱室的不同工况而变化，并不固定。
步骤4：获取舱室模型中模拟座椅的位置以及人耳坐标范围，然后获取人耳位置处的模拟声信号，将模拟声信号作为耳机输出声信号，将舱室模型导入VR可视化软件。
根据直角坐标系确定舱室结构模型中模拟座椅的位置以及人耳附近的空间坐标范围，然后通过有限元软件的分析计算得到人耳位置处的模拟声信号，为高保真耳机输出声信号。同时将三维建模软件搭建的舱室模型导入VR可视化软件，给与计算机连接的VR眼镜输出图像信号。其中，声信号与图像信号具有实时同步性，这可以通过VR软件的后期处理完成，本领域相关技术人员广泛了解，这里不做过多阐述。
步骤5：座椅振动激励控制程序控制真实座椅上的振动激励产生装置，使真实座椅模拟舱室内部的振动，测试人员104戴上耳机和VR眼镜，并坐在真实座椅上，进行舱室的声学舒适度测试。
给测试人员104戴上VR眼镜以及高保真耳机，并坐到安装有振动激励产生装置的真实座椅上，以上操作完成后，使用计算101机给测试人员104播放声音以及VR画面，同时通过计算机101内的座椅振动激励控制程序控制真实座椅105上的振动激励产生装置，给真实座椅105加入实际的振动激励，以模仿舱室内部的振动效果，使测试人员104获得实际触感，提升测试人员104的临场感。其中，座椅振动激励参数的选择参考舱室具体参数及类似试验的实际测量数据。此外，为减少外界噪声等各类干扰，此系统选择在类似于半消室等其它能隔绝外界大部分干扰的室内环境中进行。
步骤6：测试人员104经过一段时长的体验后，给出声学舒适度以及座椅振动舒适度的测试结果，后续对测试结果进行整理。其中，测试人员101的测试时长为10-15分钟，具体根据各人情况而定，测试结果通过舒适度评价表的形式给出，其内容为舒适度等级评级及个人感受。同时，由于测试结构依赖于测试人员101的主观感受，需要采集多个样本综合得出测试结果，以上流程仅为其中一个样本。
步骤7：根据试验获取的声学舒适度以及振动舒适度综合测试结果对舱室模型进行结构以及材料上的改进，然后返回重复步骤1至步骤6，直至最终评价结果符合预期效果。
可听化技术是声学仿真发展所衍生出的技术，它通过对含有一个或多个声源的声场进行物理建模及数学建模，达到构建虚拟声场环境的目的。在此技术下，人们能够得到目标声场中任意位置处双耳附近的听觉感受。客观而言，可听化技术模拟了特定声场中声音传播的物理过程，使其中的听者获得对目标声场环境中声学特性的主观感知。
VR(Virtual Reality,虚拟现实)技术的快速发展，相互同步的全景视频和全景音频给使用者带来更真实的视听体验和更好的沉浸感。使用者戴上虚拟现实头盔后，就可以进入预先搭建好的虚拟现实场景，实现3D视听、人机交互等功能。这给舱室内声学舒适度评价带来了新的思路和技术支持，本发明将VR技术与可听化技术相结合，构建一种声学舒适度主观评价系统，无疑可以解决现行制造样机方法的不足。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，该舱室内虚拟声场环境构建与声学舒适度主观评价系统同样适用于建筑声学等一系列内空间，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于舱室虚拟声场环境构建的声学舒适度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建舱室模型，并对舱室模型进行有限元划分和材料属性分类，形成舱室结构有限元模型；
S2：提取舱室模型的内表面，形成声腔模型，并对声腔模型进行有限元划分；
S3：在舱室模型表面设定位置，为舱室结构有限元模型添加振动激励，并获取舱室结构有限元模型中的司机室与声腔模型之间的声固耦合作用；
S4：获取舱室模型中模拟座椅的位置以及人耳坐标范围，然后获取人耳位置处的模拟声信号；
S5：将模拟声信号作为耳机输出声信号，将舱室模型导入VR可视化软件，并通过VR眼镜显示；
S6：座椅振动激励控制程序控制真实座椅上的振动激励产生装置，使真实座椅模拟舱室内部的振动；
S7：所述的耳机、VR眼镜和真实座椅相互配合，构建舱室虚拟声场环境供测试人员进行舱室的声学舒适度测试。
2.根据权利要求1所述的一种基于舱室虚拟声场环境的声学舒适度测试方法，其特征在于，所述的有限元划分具体包括：对舱室模型进行网格划分，得到有限个子单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于舱室虚拟声场环境的声学舒适度测试方法，其特征在于，所述的材料属性分类具体包括：将材料分为铝合金、聚酯塑料、钢材或玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种基于舱室虚拟声场环境的声学舒适度测试方法，其特征在于，所述的步骤S2中，通过有限元软件直接提取舱室模型的内表面，形成声腔模型，所述的声腔模型为舱室模型内部封闭的空腔。
5.根据权利要求1所述的一种基于舱室虚拟声场环境的声学舒适度测试方法，其特征在于，所述的步骤S3中，舱室结构有限元模型中的司机室与声腔模型之间的声固耦合作用具体为：
舱室结构的振动引起内部空气振动产生的噪音，在声波传递过程中作用到司机室结构，引起舱室结构的振动。
6.根据权利要求5所述的一种基于舱室虚拟声场环境的声学舒适度测试方法，其特征在于，所述的舱室模型表面设定位置根据舱室的工况动态选取。
7.根据权利要求1所述的一种基于舱室虚拟声场环境的声学舒适度测试方法，其特征在于，所述的步骤S4中，通过有限元软件的分析计算获取人耳位置处的模拟声信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于舱室虚拟声场环境的声学舒适度测试方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
S8：根据测试人员提供的舒适度测试结果，对舱室模型进行结构以及材料上的改进，并返回步骤S1-S7，直至达到测试标准。
9.一种用于实现如权利要求1-8任一项所述的基于舱室虚拟声场环境的声学舒适度测试方法的系统，其特征在于，包括计算机、VR头戴装置、真实座椅和振动激励产生装置，所述的振动激励产生装置安装于真实座椅上，所述的计算机分别与VR头戴装置和振动激励产生装置连接，其内部分别安装VR可视化软件、三维建模软件、有限元软件和振动激励控制程序，所述的三维建模软件和有限元软件用于构建舱室虚拟声场环境，所述的VR可视化软件和振动激励控制程序用于模拟舱室环境。
10.根据权利要求9所述的一种基于舱室虚拟声场环境构的声学舒适度测试系统，其特征在于，所述的VR头戴装置包括VR眼镜和耳机，所述的耳机为双声道立体声播放耳机。
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