概述

汽車排氣系統對于車型在市場上取得成功起著越來越關鍵的作用。最重要的是，車輛所發出的聲音對品牌形象影響越來越大。例如，汽車發燒友即使閉著眼睛也能分辨出駛來的是賓利還是法拉利。較低價格車輛的買主有可能不會過分講究，但他們仍希望在啟動引擎時能夠聽到某種獨特的聲音。與此同時，政府規定也在迫使汽車原始設備制造商（OEM）降低排氣管所發出的噪聲級。汽車制造商還希望降低排氣系統的背壓，從而改善燃料經濟性。

傳統的被動排氣降噪技術依賴穿孔管以及聲學腔室的設計來濾除聲波，然而這種方法已經逐漸難以滿足設計中一些往往相互沖突的目標。汽車OEM正著眼于采用主動降噪技術來解決排氣系統噪聲問題。排氣噪聲主動降噪系統采用由微處理器驅動的揚聲器，使其發出的聲波可抵消發動機所發出的一部分噪聲，從而產生較為令人滿意的聲響。排氣噪聲主動降噪系統的關鍵優勢在于可通過軟件控制來調整揚聲器的輸出，從而在各種不同工作條件下發出適當的聲波。

挑戰

Tenneco 公司目前致力于為其 OEM 客戶開發既能消除噪聲又能生成完美聲響的主動排氣系統。在這一項目中，Tenneco 的工程師們所面臨的眾多挑戰之一就是設計用來安裝揚聲器的外殼。外殼會影響揚聲器的性能，特別是可能將揚聲器最有效的工作頻率范圍抬高。Tenneco 的工程師們正在設計一種外殼，以便盡量減輕這種影響，從而使揚聲器在低頻區極為高效地工作，以抵消發動機所發出的低頻聲響，同時又不會消耗過多的電功率。

在過去，設計主動揚聲器系統的工程師主要依靠實物試驗來設計揚聲器外殼等零部件。但這種方法需要組裝各種待測排氣系統配置的樣機。這不僅耗費了大量的時間、金錢，而且由于對排氣系統進行儀表檢測存在困難，因此實物試驗所采集到的信息也有限。Tenneco 的工程師們需要一種方法，以便能夠利用排氣系統（包括揚聲器和外殼在內）的仿真模型對主動排氣系統的性能進行準確模擬。

方案/驗證

Tenneco 的工程師們之所以選擇 Actran 聲學仿真軟件，是由于該軟件具備對揚聲器進行完整電聲學建模的能力，可追蹤電能轉變為聲能的過程和方式，從而基于電池所消耗的能量大小來評估揚聲器所產生的聲壓級。借助 Actran，Tenneco 的工程師們可將揚聲器作為一種振動部件進行完整建模，模型中考慮所有的結構部件，同時考慮揚聲器振膜與其外部和內部空氣的耦合。電磁建模是在人性化操作界面中進行。

Tenneco 的工程師們使用 Actran 分別創建了揚聲器單體的有限元模型，以及將揚聲器單體與完整排氣系統集成在一起的模型。在以上兩種情況下對揚聲器進行激勵，均得到了與實物試驗數據非常吻合的仿真結果。隨后，他們添加入口邊界條件（表征由發動機激勵引起的排氣系統中的聲音）并建立噪聲消除環路。起初，他們在入口處采用簡單的單頻正弦波，并在整個排氣系統中采用恒溫空氣。他們為揚聲器提供電信號，以消除發動機噪聲并檢查聲響減弱的程度。最后，Tenneco 的工程師們加入了更為復雜的邊界條件，其中包括真實聲學輸入和溫度梯度，以貼近實際工作條件。

結果

Tenneco 公司資深核心科學工程師 Nicolas Driot 表示：

“Actran 使 Tenneco 能夠開發出一種針對主動排氣系統（包括揚聲器和外殼）的電聲學仿真流程，并與實物實驗數據非常吻合。如今，我們利用仿真研發我們的下一代排氣噪聲主動降噪系統。仿真不僅能以最短的時間對大量可行設計概念的性能進行評估，還能省去構建實物樣機的成本。這種方法在對排氣系統的性能改進上超越了傳統流程。傳統流程通常只能對少量不同的可行設計進行評估。基于仿真的新方法還可以更快地將新產品推向市場。”