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ANSYS 部落格

August 10, 2022

聽到了嗎?產品設計中的音調

設計產品時,通常會謹慎考量產品的運作方式。但產品發出的聲音呢?發出尖銳聲響的吹風機、發出嘯音的筆記型電腦,或是嗡嗡作響的電動車,很快就會被使用者拋棄。為了改善產品聲音品質,工程師會分析各種聲音指標,其中包括測量整體音效中的頻率分量,又稱為音調。  

什麼是音調?

音調或聲調是一種心理聲學指標,可識別比背景噪聲明顯的出現音調,以判斷其對聲音感知的影響。聲源的音調是在考量提升產品音質和音量、尖銳度、粗糙度和波動強度時,常用的主要指標之一。 

音調量化是指將人耳接收聲音的「調性」轉為客觀指標。在汽車、航空、鐵路或消費型用品等工業應用中,音調代表聲音分量對周圍頻率含量的相對權重。

音調範例:兩架飛機

為瞭解音調對我們接收聲音的影響,請聽這兩架飛機在音階上的差異。 

飛機 1.

飛機 2.

在這兩個檔案中,您可聽到渦輪造成的葉片通過頻率 (BPF)。這個與渦輪轉速乘以葉片數相對應。您可發現飛機二聲音的調性比飛機一更明顯。這是因為其包含比其餘聲音明顯的頻率。如果具調性聲音的可感知程度很高,就會十分惱人。 

心理聲學音調與使用 Ansys Sound 計算之時間的關係

心理聲學音調與使用 Ansys Sound 計算之時間的關係。

使用 Ansys Sound 計算的平均 Aures 和心理聲學音調

使用 Ansys Sound 計算的平均 Aures 和心理聲學音調。

BPF 本身及周遭噪音會影響我們對音調含量的感知。出現頻率周圍的能量越高,頻率的可感知程度就越低,聲音的調性也就越低。

心理聲學中的音調

許多心理聲學指標通常用於計算聲音訊號的音調,並使用國際標準計算方法:

音調指標

單位

標準

突出率 (PR)

dB (分貝)

ECMA 74 附錄 D ISO7779:2018

音調噪音比 (TNR)

dB

ECMA 74 附錄 D ISO7779:2018

音調可聽性

dB

ISO1996-2 附錄 C

調性調整 Kt ISO 1996-2

dB

ISO1996-2 附錄 C

調性調整 KT DIN45681

dB

DIN 45681:2005-03

Aures 音調

tu (音調單位)

Aures 的模型

心理聲學音調

tuHMS (Sottek 的聽力模型)

ECMA 74 附錄 G

注意:在 Ansys Sound 軟體中,每個心理聲學指標的計算設定檔都包含自動音調偵測程序。

例如音調噪音比 (TNR) 是音調與其中間噪音關鍵頻帶 (CB) 的能量比:

音調噪音比公式
突出率

突出率 (PR) 是音調周圍關鍵頻帶與最近兩個關鍵頻帶間的能量比:

突出率公式
均方聲壓

模擬音調

在各種應用中,例如電動馬達、HVAC 系統和建築機械,評估音調是很重要的課題。但想在這些複雜系統中辨識聲音的單一來源,可能會非常困難。若要將噪音分解為不同訊號源,並分析它們如何影響系統整體聲音,工程師可使用 Ansys Sound 來模擬並測試資料。

風扇噪音模擬 

在此範例中,工程師使用 Ansys Fluent 和 Sound 來改善風扇的聲音品質。Fluent 執行的計算流體動力學 (CFD) 模擬可確保風扇設計適宜,Sound 則可確保風扇發出的噪音合乎預期。

為了預測設計對風扇聲音品質的影響,我們將第二個風扇的設計修改成扭轉型葉片。根據 Asures 和 ECMA74 模型而定,修改設計可將音調除以約 3 tu。在 TNR 方面,修改後的設計只出現 260 Hz 的音調。透過此模擬,工程師確認更改葉片形狀可降低噪音的音調含量,進而提升整體聲音品質。

聽聽變更風扇葉片形狀如何改善聲音品質。

 

電動馬達噪音模擬

另一個音調可對使用者體驗帶來負面影響的例子是電動馬達。

滾動和空氣動力噪音所發出的尖銳聲調,可能會讓電動‍馬達噪音十分惱人。這種隨著馬達速度相對變化的音調稱為「階次」。 

拜 Sound 所賜,我們可依電動馬達產生階次的 TNR 或 PR 來計算音調。這裡顯示有階次 48 和階次 60 的兩種強烈音調產生,對駕駛及乘客來說可能會造成困擾。

Ansys Sound 可模擬電動‍馬達的音調 (左) 和內燃引擎 (上)。按一下影像進行聆聽。

 

設定適當音調

若要設計符合聲音品質標準並創造客戶能夠享受之聽覺體驗的產品,分析和處理噪音來源是很關鍵的一環。透過聲學模擬和音調等聲學指標,工程師可找出每個吱吱聲、嗡嗡聲和嘯聲,並能夠探索各種選項,為專案打造理想的聲音。深入瞭解如何以 Ansys Learning Hub 帳戶開始使用 Ansys Acoustics 軟體。

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