小貨車通過噪音之聲源估算和響應驗證(CMC)

此案例使用Hexagon模擬軟體: Actran、Actran Workflow Manager-Pass by Noise Module

內容取自2020MSC Software台灣用戶大會，中華汽車郭正祥先生的演講內容。

中華汽車採用Actran軟體，大幅縮短模擬時間且擴展至高頻分析

中華汽車以Actran進行模擬分析，建立小貨車通過噪音的推估模擬流程，不僅大幅減少分析時間從100小時到2小時，也提高分析研究的頻率到5000Hz。

背景和挑戰

2018年，台灣的環境保護署公佈第六期的機動車輛噪音管制標準，包含機動車輛加速噪音、原地噪音之噪音管制標準值。這期的新法規降低了小貨車的噪音標準值。從法規標準第一期到第六期的數值變化能看出法規的趨勢，主管單位對於小貨車加速噪音的要求越來越嚴格。這點讓中華汽車的小貨車在設計上要有更高的噪音指標。車輛NVH團隊因此面臨更高要求的挑戰，同時可能花費增加、工作變得繁重，利潤也會受到影響。

未來，小貨車的加速噪音法規會要求越來越高，從2021年的71db來看，2025年可降到69db。

NVH團隊如何對應新的法規要求

合併測試和模擬來處理通過噪音的問題

1. 結合遠/近場聲學量測方法，進行3D聲源定位
2. 利用數值模擬，進行通過噪音外聲場分析

以數值模擬進行通過噪音外聲場分析

2018年，中華汽車使用邊界元素法(BoundaryElement Method,BEM)模擬通過噪音。2019年第24屆的SAE研討會發表成果。該篇研究的噪音貢獻區間是在100到4000Hz。當時採用的分析方法，因為計算效率的問題，無法計算到更高頻率的區間。甚至在頻率100~2000Hz，計算時間已超過100小時，而且從實測看來誤差高達9dB。為改善以上限制，中華汽車提出三項模擬分析的需求：減少計算時間、增加計算頻寬、提升計算結果精準度。而解決方法分別是:改採用1)有限元素法；2)高效能計算(High Performance Computing,HPC)；3)自適應網格。Actran軟體完全符合上述的需求。中華汽車因此在2020年開始使用Actran進行通過噪音模擬。短時間使用後，就已經有顯著的結果。

首先， 整體模擬的求解時間大幅降低。頻率100~2000Hz範圍，只需要2小時就能計算出來，相較原先的1 0 0 小時更有效率。而頻率2000~5000Hz的範圍，計算時間約7小時。

聲源推估用的是間接聲源推估法。以模擬計算各音源至近聲場位置的噪音傳遞函數(Noise Transfer Function, NFT)，將該NFT乘上音源，就是該位置的響應噪音(由近聲場麥克風量測得到)。由以上公式，可以推算出音源的聲音量值曲線。而這個推估出來的音源量值曲線，再和財團法人車輛研究測試中心(ARTC)實際量測音源量值的結果相驗證。

在這裡依據音源的數量，傳遞函數是一個9×9的方形矩陣，直接計算求解非常複雜。所以將問題簡化，假設各音源互不干擾，耦合項為零，將問題簡化為9個一元方程式，可直接求得各音源的量值。

上述的音源模擬相較實際量測，只有約0.2dB的差異，精準度大幅增加。

Actran後處理手法應用於對策解析

Actran VI(Actran的前後處理軟體)有適合的功能，能幫助使用者找出噪音貢獻最高的音源位置，以擬定抑制噪音的對策。以下是此案例處理模擬結果的步驟:

1. 找到左、右兩側通過噪音最高的時間點，優先處理兩者中噪音較高的。
2. 找出上述噪音最高時刻點的位置
3. 找出上述位置(1.93公尺的)的響應頻率，並找出量值最高的頻率(1540Hz)
4. 將各音源的貢獻度列出來，找出對1540Hz的噪音貢獻度最高的音源
5. 再從這個貢獻度最高的音源位置，進行遮/隔音。使用隔音材料來降低噪音。

2020年，中華汽車提出整合模擬過程中各步驟用到功能為單一軟體工具的想法，包含音源分析、計算傳遞函數，響應疊加和貢獻量分析。由Hexagon的業務同仁反應需求給Actran的開發團隊。2021年，Actran發表了針對通過噪音模擬設計的後處理工具Actran Workflow Manager-Pass by Noise模組，將所需的功能整合在一個介面上，方便使用。

結論

第六期機動車輛管制標準的實施，對小貨車的通過噪音，特別是加速噪音的標準值，要求更嚴格了。這也表示中華汽車在小貨車的設計上，對抑Actran軟體的功能符合中華汽車在噪音模擬上多樣化的需求。此外，因應中華汽車期待整合通過噪音模擬各功能整合的需求，Hexagon在一年內快速提供Pass by Noise Workflow Manager軟體工具，整合Pass by Noise模擬分析需要的功能在一個介面，方便使用者進行後處理模擬分析。現今，這套工具軟體在Hexagon位於台灣與中國的技術人員的共同合作下，已經成功推廣到車輛產業。