一輛超級跑車的聲音應該是什么樣子？這聲響應該是自然發出，還是人為調校出來的？ 我們又該如何定義完美的聲音？
這些就是法拉利的聲學設計專家Francesco Carosone通過此次演講要向我們展示的內容。
特邀嘉賓演講簡介：為了回答這些關鍵問題，我會首先向大家介紹法拉利的“聲音辭典”。這是一種針對跑車聲學性能的描述詞匯，如 “吵鬧”、“飽滿”、“干凈”、“明亮”等。我們知道樂器的制造工藝與它的聲音性質緊密相關，這能讓樂器向聽眾表達所需的感情。顯然，車輛的聲音性質也遵循類似的原則。
接下來，我會向大家展示我們是如何完成這一過程的。我會介紹我們的“配方”，這是車上的一系列部件，它們的設計對車輛發出獨一無二的聲音至關重要。我們會描述這些關鍵部件如何影響對 “聲音辭典”中詞匯的挑選，并解釋部件的性能，以及如何對它們進行設計。
最后，我會邀請大家聆聽幾款法拉利跑車的獨特聲音。
主題演講內容回顧：
下面摘選演講PPT的部分內容，并結合筆者現場參會經驗與大家共享。
演講內容分四部分：
1. 問題架構，使用工具
2. 聲學辭典
3. 聲學配方
4. 對目前與將來的工作的簡要介紹
首先看一下與聲音發生關系的車輛部件，它們的開發階段，以及聲音目標的管理。
在部件方面，法拉利主要考慮了發動機以及進氣排氣系統。畢竟法拉利的發動機聲音是比較大的，因此在發動機本體和進排氣部件上有較大空間做與聲學設計相關的工作。部件的開發階段包含概念設計，早期原型機，精細設計與校核以及最后的生產。對于聲音指標的管理包括：仿真計算，耳聽主觀評價，以及最終將聲音作為與汽車其他參數并列的性能指標寫在公開的法拉利型號參數書中。
法拉利提到了用于聲學設計的工具，這些包括仿真計算工具，測試工具還有實物模擬器。其中，Actran屬于三維聲學模擬工具。
演講的主要部分在于介紹法拉利跑車聲學性質辭典中的四個詞條以及如何進行部件設計以滿足這四條要求。
這四個性質分別是：吵鬧（loud），飽滿（full），干凈（clean），明亮（bright）。
對于吵鬧，大家一定不難理解。吵鬧通俗講就是音量大。那么法拉利的音量到底有多大呢？我們可以看看法拉利跑車和同是意大利品牌的菲亞特500車型進行的對比。法拉利的聲音（有些人可能會稱作噪聲noise，而有些人可能更習慣稱其為聲音sound）比菲亞特足足高了至少20dB。
Francesco半開玩笑的解釋為什么法拉利跑車需要做得那么吵：這是由于那些近乎“瘋狂”的買家要求自己的跑車發出如此大的聲音，以向外界彰顯他們的到來。而Francesco說自己倒是更喜歡安靜一些的豐田普銳斯。
好了，第一個聲學詞條“吵鬧”想必不難理解，而要理解后面的幾個詞條就需要一些聲學或音樂方面的知識了。接下來第一個性質是“飽滿”。
在給“飽滿”下定義前，讓我們先聽兩段音樂。第一段是維瓦爾第的古典吉他曲，第二段是深紫樂隊的電吉他曲，使用電子管放大器加distortion的效果。（（文章內音頻文件請點擊http://pan.baidu.com/s/1o8PN2JK下載）
聲音一：維瓦爾第，古典吉他
聲音二：深紫樂隊，電吉他加電子管distortion
大家聽完之后有什么感覺呢？讓我們把完整的音樂先拆成簡單的信號可能會更容易理解一些。
吉他的原音是一個簡單的正弦信號。如使用晶體管加distortion會改變正弦波形，不過信號正負部分的對稱性并沒有改變。而如果使用電子管加distortion的效果，則不僅改變了正弦波的波形，還破壞了信號的正負波形的對稱性。讓我們聽一下吉他單音的原音和加了電子管distortion的效果。
聲音三：電吉他原音單音
聲音四：電吉他使用電子管放大器加distortion的聲音
為了理解聲音的“飽滿”度，需要引入聲音階數的概念。階數圖實際上是對時域信號進行傅里葉變換的結果。而由于考慮在不同狀態下的時域信號，階數圖除了橫坐標頻率的維度，還具有縱坐標的“狀態”維度。例如：對于吉他來說這個狀態可以是左手按的品位（也就是對應著吉他弦可產生振動部分的長短），而對于汽車發動機來說這個狀態，即縱坐標，則是它的轉速。階數分析圖中的顏色表示了聲音的大?。晧杭墸?/p>
階數圖中每一條斜線對應一個單純的正弦信號，它的頻率隨著聲音產生的狀態（如發動機轉速）而改變。吉他按弦的品位越高，頻率越高；發動機的轉速約高，頻率也越高。因此這條斜線有一固定的斜率。
吉他的原聲接近單階數的聲音，而加了distortion的電吉他則包含其他倍頻的階數。而汽車發動機的聲音從來都是包含眾多階數的聲音信號的。這里所謂的多階數聲音指的正是聲音辭典中的“飽滿”的概念。
聲音五：電腦程序產生的單階聲音（階數為2），類似對應吉他的原音。播放時頻率不斷上升，相當于延縱軸向上的演進
聲音六：電腦程序產生的多階數聲音（階數為2，6，10。。。），類似對應于波形改變而正負幅值依然對稱的信號。
聲音七：電腦程序產生的多階數聲音（階數為2，4，6，8，10。。。），類似對應與波形改變，且正負幅值不再對稱的信號。
有沒有感覺最后一個具有更豐富階數的聲音聽起來更“飽滿”呢？
然而，聲音只是“飽滿”還不夠，還需要聽上去“干凈”。對于干凈的感念，可以通過下面鋼琴鍵盤來解釋。
最上面的按鍵方式不算任何演奏，而只是將臨近的音一起按下。
聲音八：將鍵盤上臨近音一起按下的聲音
而下面的按鍵方式僅觸動了C鍵和G鍵，這樣聽上去就會很干凈了。C鍵和G鍵的關系在音樂上也叫做一個五度，聽上去是力量的象征。
聲音九：將鍵盤上的若干C鍵和G鍵同時按下的聲音
發動機聲音遵循類似的原理，對于8缸發動機來說，需要盡量保證僅產生2,4,6,8階的聲音，而不存在之間其他階數的聲音。而對于12缸發動機來說，則希望僅產生3,6,9,12階的聲音。這樣的聲音才是干凈的。
最后一個聲音詞條是“明亮”。 Francesco認為，對于明亮的聲音，要求中頻聲音較大，而低頻和高頻區域聲音相對較小。這樣有利于抑制低音的轟鳴聲（booming noise），降低高頻聲音的粗糙度（harsh），從而彰顯中頻聲音的光亮感。
好了，至此我們已經解釋了法拉利跑車聲音的四個特性：吵鬧(load)，飽滿(full)，干凈(clean)和明亮(bright)。
下面，Francesco將向我們介紹如何通過各種部件設計滿足以上四條要求。
首先，如何增加跑車的音量，也就是說本來就很吵了，還要make louder。下面介紹了三種方法。
第一種方法是隨著發動機轉速改變排氣消聲器的幾何形狀。我們看到，當發動機轉速達到一定數值時（如圖中所示的接近3000轉的時候），消聲器管路中原本閉合的一支通道會被打開，這樣可以起到在加速時加強音量的效果。
另一個增大音量的方法是延長排氣歧管的長度。下面對比了短歧管和長歧管的聲響，可見長歧管設計在各個發動機階數上均有著更明顯的聲響。
Francesco并沒有過多解釋這個現象背后的原理。筆者猜測也許歧管延長后其尺度更接近中低頻的聲波長度（如不考慮溫度效應，1000Hz的波長為0.34米，500Hz的波長0.68米），這樣可能更有利于使從發動機傳來的聲波在管道中得以建立和傳播，而過短的歧管則可能破壞或反射這部分中低頻的能量。
對于增大音量的第三條思路涉及車內音量。畢竟開法拉利跑車的車主如果希望外面的人聽到自己車的聲響，那么自己在車內也必須要足夠聽到才可以。法拉利工程師對于這一部分的研究主要集中在低頻的空腔噪音，方法類似于大家熟悉的車身結構與內空腔的振動聲學耦合分析。
在講過吵鬧的設計原理之后，下面再介紹讓聲音更“飽滿”的設計。記得前面講過，飽滿指的是各整數階的聲音齊全，如對于8氣缸發動機，需要2,4,6,8等階次的聲音。
對于聲音飽滿的設計，第一條方式是發動機曲軸的設計以及氣缸點火順序的安排。將曲軸曲拐設計到同一平面內時（flat設計），可以保證一定的點火次序并產生較純粹的2,4,6,8階聲音。而當曲軸曲拐為空間不共面設計時（cross設計），則難免產生其他階數或半階數的聲音。
Francesco講到法拉利的發動機曲軸均采用第一種flat設計。對于第二種cross設計，歷史上也曾經發生過是否采用的討論，不過一直沒有被通過，其中聲學因素至關重要。下面讓我們來聽一下兩種曲軸設計聲音的對比。
聲音十：曲軸曲拐平面設計及點火順序產生的2,4,6,8階數
聲音十一：曲軸曲拐空間不共面設計及點火順序產生的其他階數和半階數
針對聲音“飽滿”度設計的第二條方法涉及到排氣歧管的連接形式。如四條歧管先并為兩條，之后再并為一起的4-2-1方式；或者四條歧管直接并在一起的4-1方式。或者將V型發動機兩側不同氣缸先并在一起的方式，之后在進行組合合并的方式等。這些設計會對聲音飽滿度產生不同的影響。
好了，說完飽滿度，再來看看使聲音“干凈”的配方。記得前面講過，干凈的意思是只保留需要的階數而抑制或降低不需要的階數。對于干凈聲音的設計，第一條方法是采用等長度的排氣歧管。這一條不難理解，它可以保證來自各氣缸的聲響在各自經過歧管的總長度時產生相同的相位變化。
這頁PPT中，上圖是不等長歧管設計，下圖是等長歧管設計。
我們可以分別聽聽兩種不同設計的聲音：
聲音十二：不等長歧管勻速聲音
聲音十三：不等長歧管加速聲音
聲音十四：等長歧管勻速聲音
聲音十五：等長歧管加速聲音
正如階數圖上看到的那樣，等長歧管的聲音是不是既“飽滿”又“干凈”呢？
最后一條使聲音“干凈”的方法是在兩側排氣管路之間建立H狀連接，以濾掉一部分不希望產生的階數的聲音。如下面例子顯示的，經過設計的H型連接不會降低12階聲音（這是我們希望得到的聲音），卻可以有效濾掉11.5階的聲音（這是我們不希望得到的聲音階次）。這樣一來，本來就不顯著的11.5階聲音再次得到了有效的減弱，聲音的階次因此變得更加“干凈”。
最后介紹使聲音更“明亮”的方法。之前講過，明亮的聲音在中頻段的某目標頻率上下需要得到加強，而在更低或更高的頻率區間需要得到抑制。Francesco認為通過對進氣歧管的材料和加強筋進行設計，可以加強目標頻率左右的聲音。由于牽扯到結構設計，這點應該是利用聲振耦合的原理采取的設計。
另外，Francesco講到兩側排氣管道設計的車型，可使用前面講到的H型連接提高排氣聲音的明亮度。如果將排氣管道設置成中置的形式，也有利于提高排氣聲的明亮度。
好了，關于法拉利跑車聲音設計的理念和一般性方法介紹至此！
接下來Francesco會為我們介紹兩個Actran軟件在法拉利動力系統聲學設計中的應用。
第一個應用涉及對高頻噪聲（harshness 噪聲）的消除。這里采用了同軸膨脹腔消聲器的設計。這是一種抗性消聲器，因此可以通過調整幾何，包括圖中顯示的內管道開口方式，在中高頻產生若干共鳴現象。這些共鳴現象在頻譜上彼此連接，從而保證消聲器在中高頻段具有較高的傳遞損失，以有效過濾此頻段的噪聲。而在低頻段，消聲器具有很低的聲學傳遞損失，保證了低頻信號不被消除。在此項目中，使用到Actran進行了消聲器全頻段聲學傳遞損失的計算。
第二個應用涉及到排氣過程中催化劑部件提供的聲學傳遞損失仿真。法拉利使用了艾米泰克的Metatit催化劑產品，其內部結構設計導致不僅有沿管道方向的氣流和聲波，另外聲波還可以沿橫向傳播。這就需要仿真聲學的3維傳播特征。在此項目中，使用了Actran獨有的各向異性多孔介質材料，用來等效模擬沿管道方向和側向的聲學材料參數，進而較好模擬了催化劑的聲學傳遞損失。
最后，在所有技術演示過后，Francesco又簡單的對汽車行業的發展以及這會對聲學設計產生的影響做了簡要討論。電機的應用，發動機小型化，車內音響的使用也會牽扯到跑車聲學設計的方方面面。
將來更加嚴格的外部噪聲標準和更加嚴格的排放法規也可能會導致跑車必須降低它們發出的音量。
可見由于新的市場和法規的產生，可能會帶來一系列新問題等著汽車工程師去解決。
不過最后讓我們還是先放松一下。在新的外部噪聲法規還沒有實施前，讓我們抓緊時間領略一下當下幾款法拉利跑車風馳電掣般的聲音吧。別忘了帶上你的耳機哦！
