隨著消費者的個性化需求越來越多，豪華汽車市場正邁向全新的領(lǐng)域。汽車的設(shè)計目標之一是為用戶提供良好的駕駛和乘坐體驗 ：舒服的按摩座椅，加熱的方向盤，時尚的內(nèi)飾，寬敞的空間，當然還要有電子娛樂設(shè)備。在過去的十年里，音頻和多媒體系統(tǒng)在汽車中的重要性顯著提高，因為汽車已成為許多消費者生活中的一部分。有研究表明，汽車是人們聽音樂的首選場所，而他們的期望是獲得與家庭音響系統(tǒng)同樣高質(zhì)量的聆聽感受。然而，想要設(shè)計出這樣的汽車音頻系統(tǒng)會面臨許多挑戰(zhàn)。
從系統(tǒng)工程的角度來看， 汽車內(nèi)飾設(shè)計采用了各式各樣的硬質(zhì)和軟質(zhì)表面。這些設(shè)計可以帶給我們不同風(fēng)格和舒適度的體驗，但往往會干擾聲音的效果，因為它們可能會反射或吸收聲音。然而，更大的挑戰(zhàn)是，消費者期望汽車中的新應(yīng)用、新功能， 以及新的聆聽體驗?zāi)芟裰悄苁謾C發(fā)布新功能一樣快速更新。三星電子有限公司的子公司哈曼國際使用仿真軟件創(chuàng)建了可以用來改進工作流程、加快產(chǎn)品開發(fā)速度，以及能夠幫助工程師突破車載音頻技術(shù)極限的仿真 App。
個性化的車載音頻體驗
消費者每天會花很多時間在汽車上，開車上下班或在城里兜風(fēng)。對于很多人來說，汽車不僅僅是從 A 地去往 B 地的交通工具， 他們更想要最大程度地享受自己的旅程，從中獲得自由感、冒險感，或是想要獲得從日常生活中逃離片刻的寧靜。為了創(chuàng)造出這種終極體驗，汽車顯示器、各種汽車應(yīng)用以及音頻系統(tǒng)必須能夠協(xié)同工作。
哈曼首席工程師 François Malbos 表 示 ：“如今的消費者無論是在家里，在路上，還是在車里都需要個性化的體驗。豪華汽車會使用更多的技術(shù)、更多的揚聲器以及更復(fù)雜的音頻功能。在中檔車中，個性化功能受到很多限制，并且集成技術(shù)較少。車載音頻系統(tǒng)功能越多，就會變得越復(fù)雜，但我們看到的界面必須簡單、直觀， 并且具有可擴展性。”
以往，汽車的價值是由其機械性能和行駛動力學(xué)來衡量的。隨著共享出行和車載技術(shù)的普及，汽車的價值是通過乘客時時刻刻的感受來衡量的。70 多年來，音頻行業(yè)有了突破性的發(fā)展，哈曼公司致力于以消費者為中心來提供個性化的音頻體驗。例如，哈曼的虛擬技術(shù)可以再現(xiàn)特定場所的聲音，該技術(shù)可以將觀眾瞬間帶到音樂廳、舒適的爵士俱樂部或錄音室。
對于高級通信問題，哈曼的解決方案是利用智能音頻和聲音信號處理的最新研究成果，為所有乘客提供清晰、無障礙的語音通信——無論是與語音助手，與別人打電話，或是乘客之間的交流。還有高級的語音命令功能可以讓駕駛員在使用電話或信息娛樂屏?xí)r將目光停留在道路上，手放在方向盤上，從而提高了交通安全性。
為了平衡豪華汽車中內(nèi)置的各種個性化功能，哈曼的聲學(xué)和仿真專家在設(shè)計早期就考慮了不同的組件、聲學(xué)儀器和獨特的配置（圖 1）。這些工程師通過新穎的思考方式進行設(shè)計， 即圍繞音頻系統(tǒng)設(shè)計汽車，而不是在汽車上添加音頻系統(tǒng)。這種方式有助于團隊在接到客戶更改通知時能夠立即作出應(yīng)對。此外，汽車內(nèi)飾材料，車門硬度等因素會影響汽車音響效果，因此設(shè)計師需要就上述因素對音頻系統(tǒng)進行改善。
圖 1 車門硬度分析（上）。不同揚聲器位置的車廂模擬圖（下）。
圖注：Total displacement(mm), 60 Hz - 聲音頻率在 60 Hz 時的總位移（mm）；Sound pressure level (dB) at 60 Hz, door woofer active -低音揚聲器在聲音頻率 60 Hz 時的聲壓級 (dB)。
對音頻系統(tǒng)高度敏感的設(shè)計加大了產(chǎn)品開發(fā)、汽車基準測試以及對質(zhì)量保證的難度。哈曼虛擬產(chǎn)品開發(fā)高級經(jīng)理 Michael Strauss 說 ：“幸運的是，哈曼具有獨特的優(yōu)勢——我們內(nèi)部開發(fā)包括了從初始設(shè)計到制造階段的所有內(nèi)容，這使我們的系統(tǒng)在市場上獨樹一幟，可以直面挑戰(zhàn)。”
為了簡化工作流程，哈曼使用 COMSOL 軟件來加速設(shè)計和生產(chǎn)過程，預(yù)測和驗證車廂內(nèi)的測試結(jié)果，并最終改善他們的設(shè)計。
仿真 App 助力音頻系統(tǒng)設(shè)計
仿真在哈曼產(chǎn)品開發(fā)中扮演著重要角色，公司最終目標是對傳感器、汽車外飾、車 廂、雙耳環(huán)繞立體聲等實現(xiàn)完全虛擬的開發(fā)。現(xiàn)在，VPD 團隊將物理實驗與數(shù)值建模相結(jié)合來進行研發(fā)。未來，越來越多的現(xiàn)場聽力測試將被虛擬測試所取代。在使用 COMSOL 開發(fā)虛擬音頻系統(tǒng)時，哈曼工程師可以對汽車的不同硬件裝置和獨特的設(shè)備進行快速調(diào)整。此外， 還可以將實際車內(nèi)的測試結(jié)果與模擬結(jié)果進行比較（圖 2）。
圖 2 在汽車環(huán)境中，后座的聲場得到了增強。
哈曼探索了將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字孿生模型和仿真 App 的方法。哈曼 VPD 項目負責(zé)人 MichalBogdanski 說 ：“所有模型對邊界條件的變化都很敏感，并且每個仿真結(jié)果都可能使用了不同的仿真定義和物理場接口。不過當我們有了仿真 App 或數(shù)字孿生模型后，我們可以鎖定指定的邊界條件。這些參數(shù)對于物理定義至關(guān)重要，使用仿真 App 的用戶無法對其進行更改。這種方法可確保結(jié)果與測試結(jié)果相符。”
哈曼的仿真模型在日常生活中受到了評估和驗證。VPD 團隊開發(fā)了一個仿真工作流程，以便為開發(fā)項目的任何階段提供數(shù)值支持。基于工業(yè)信息化的考慮，團隊希望將仿真技術(shù)以及仿真 App 引入傳統(tǒng)的工作流程中，并最終將其轉(zhuǎn)換為VPD 工作流程。
通過來自不同用戶群體的反饋，這些仿真 App 正在不斷被改進。這些反饋有助于找出潛在的錯誤，同時對仿真 App 提出需要改進的意見和建議。為了給用戶提供最舒適的體驗，這些建議會被定期討論，然后由團隊選擇并且實施。
哈曼虛擬現(xiàn)實工具
HARMAN VirtualWORKS（哈曼虛擬工具）是哈曼的音頻開發(fā)工具之一，最近已擴展為 HARMAN VirtualWORKS VR （哈曼虛擬現(xiàn)實工具）。借助交互式 VR 功能，客戶可以獲得與乘坐實際汽車相同的聽覺體驗。對于音頻設(shè)計師與汽車制造商而言， 這是系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)中的一個關(guān)鍵優(yōu)勢。汽車制造商可以在虛擬的汽車上體驗音響系統(tǒng)的性能，而不必建造一個實際的樣車。”
Strauss 補充說 ：“ 對于內(nèi)部決策過程以及 OEM 主管而言，有時很難僅憑數(shù)字來說服一些關(guān)鍵的利益相關(guān)者。VirtualWORKS VR 是一個很好的工具，用來說明和演示系統(tǒng)在考慮了相關(guān)因素和在特定設(shè)置情況下的性能。”通過頭戴式的 VR 裝置，音頻可通過 3D 運動和高分辨率圖形實現(xiàn)可視化。這種增強現(xiàn)實技術(shù)為用戶帶來了車載體驗，并幫助他們實現(xiàn)不同配置揚聲器的聲場可視化（圖 3） 。
圖 3 哈曼的虛擬現(xiàn)實設(shè)備。
圖注：Audio - 音頻；Audio Engine - 音頻引擎; BRIR Database - BRIR 數(shù)據(jù)庫; Video - 視頻; Video Engine - 視頻引擎; CAD/Mesh Scene - CAD/ 網(wǎng)格場景; Position/Tracking data - 位置/跟蹤數(shù)據(jù); Computer/Notebook - 電腦/筆記本電腦; HMI Components - HMI 組件。
用于豪華汽車的新產(chǎn)品和新技術(shù)既要創(chuàng)新又要成熟，同時還需要跟上客戶不斷增長的個性化需求。哈曼將先進的工具整合到工作流程中來優(yōu)化設(shè)計，從而推動了汽車音頻系統(tǒng)的開發(fā) ( 圖 4 )。不久的將來，哈曼或許能夠在制造樣車前，在開發(fā)周期中實現(xiàn)完全虛擬化。
圖 4 HARMAN VirtualWORKS 的數(shù)值模擬工作流程。
圖注：Multimodal playback - 多模式播放 ; Virtual Reality Experience - 虛擬現(xiàn)實體驗; Virtual Tuning - 虛擬調(diào)整 ; Cabin Acoustics - 艙內(nèi)聲學(xué) ; System Performance - 系統(tǒng)性能 ; Packaging - 封裝 ; Structural Mech - 結(jié)構(gòu)力學(xué) ; Integration - 積分 ; Transducers and Subsystems - 傳感器和子系統(tǒng) ; Component - 零件。
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