Ansys博客
August 10, 2022
听到了吗？产品设计中的音调度（Tonality）
在设计产品时，很多人都在考虑它的工作原理。但是，它发出的声音是什么样的呢？刺耳的吹风机、口哨般的笔记本电脑或嗡嗡作响的电动汽车可能很快就会被消费者摈弃。为了提高产品的声音品质，工程师分析了各种声音指标，包括测量整体声音或音调中的频率分量。
什么是音调度（Tonality）？
音调度（Tonality/Tonalness），是一种心理声学指标，用于识别背景噪声中出现的音调，以确定其对声音感知的贡献。声源的音调度是提高产品声音品质的主要指标之一，其他指标还有响度、尖锐度、粗糙度和抖动度。
量化音调度意味着将人耳对声音的“音调”感知转化为客观指标。在汽车、航空、铁路或消费品等工业应用中，音调度表示音调分量在其周围频率成分中的相对权重。
音调度示例：两架飞机
为了理解音调度如何影响我们听到的声音，请聆听这两架飞机之间的音阶差异。
飞机1
飞机2
在这两个文件中，您可以听到由涡轮发动机引起的叶片通过频率（blade passing frequency，BPF）噪音。这一频率等于涡轮发动机的转速乘以叶片数量。您会注意到，飞机2的音调听起来比飞机1更高。这是因为它除了其余声音之外包含突出的频率成分。简单来说，当音调的声音高度可感知时，它是令人厌烦的。
使用Ansys Sound计算的心理声学音调度与时间的关系。
使用Ansys Sound计算的平均Aures指标和心理声学音调度。
叶片通过频率（BPF）本身与其周围的噪声将影响我们对音调成分的感知。出现在突出频率周围的能量越多，频率的可感知性就越低，因此声音的音调度也就越低。
心理声学中的音调度
用于计算声学信号的音调度的几种常见心理声学指标，其采用国际标准计算方法：
音调度指标 | 单位 | 标准 |
音调突出率（Prominence Ratio，PR） | dB（分贝） | |
音调噪声比（Tone-to-Noise Ratio，TNR） | dB | |
音调识别度（Tonal Audibility） | dB | |
音调调节（Tonal Adjustment）Kt ISO 1996-2 | dB | |
音调调节（Tonal Adjustment）Kt DIN45681 | dB | |
Aures音调度（Aures Tonality） | tu（音调度单位） | Aures的模型 |
心理声学音调度（Psychoacoustic Tonality） | tuHMS（Sottek的听觉模型） |
注：在Ansys Sound软件中，对于所有这些心理声学指标，计算配置文件都包括自动音调检测程序。
例如，音调噪声比（TNR）是音调与以其为中心的噪声临界频带（critical band，CB）之间的能量比：
音调突出率（PR）是音调周围的临界频带与两个最接近频带之间的能量比：
模拟分析音调度
评估音调度在各种应用中至关重要，例如电机、HVAC系统和建筑机械等。但在这些复杂的系统中，识别单一的声音来源可能非常困难。为了将噪声分解为不同的来源，并分析它们如何影响系统的整体声音，工程师可以使用Ansys Sound来仿真和测试数据。
风扇噪声仿真
在本示例中，工程师使用Ansys Fluent和Ansys Sound来提高风扇的声音品质。由Fluent执行的计算流体动力学（CFD）仿真能够确保风扇设计合理，而Sound则可确保风扇的噪声符合预期。
为了预测设计对风扇声音品质的影响，工程师对第二个风扇叶片的扭转设计进行了修改。根据Aures和ECMA74模型，修改设计将音调除以大约3 tu。分析TNR（音调噪声比），发现在优化的设计中仅出现了260Hz的音调。通过本次仿真，工程师确认优化叶片的形状将减少噪声的音调内容，从而提高整体声音品质。
聆听风扇叶片的形状优化是如何提高声音品质的。
电机噪声仿真
音调度如何对用户体验产生负面影响的另一个示例是电机。
由于电机噪声的高音调，其出现在车辆轮胎滚动噪声和空气动力学噪声中仍然会会令人心烦。这些音调（根据电机的速度而变化）被称为“阶次”（Order）。
借助Sound，工程师可以通过查看电机阶次的TNR或PR来评估音调度。下图显示了48阶和60阶两个明显的的突出音调，这可能会让驾驶员和乘客感到厌烦。
Ansys Sound可用于模拟评估电机（左）和内燃机（上）的音调度。点击图片即可聆听。
设置正确的音调
为了设计符合声音品质标准的产品，并打造用户喜爱的听觉体验，分析和解决噪声源至关重要。通过声学仿真和音调度等声学指标，工程师可以识别各种吱吱声、嗡嗡声和口哨声，并探索各种优化选项，为其项目创造理想的声音。登录您的Ansys学习中心账户，了解有关Ansys声学软件入门的更多信息。