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。
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) | |
音調噪音比 (TNR) | dB | |
音調可聽性 | dB | |
調性調整 Kt ISO 1996-2 | dB | |
調性調整 KT DIN45681 | dB | |
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) |
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：
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：
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。
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。