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Porsche - 声效测试

声效测试

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音箱: 声音的调性必须和发动机的特性匹配。体积较大的六缸发动机在高转速时,仍然能够持续保有洪亮的低音作为基调。

每一款保时捷都应该有不容错认的保时捷音浪声学专家为全新车型谱写专属的旋律。 从目前的水平对置发动机到未来的纯电动驱动装置:魏斯阿赫研发中心的保时捷专家们,为每一代发动机构思独一无二的声效概念。

顶级的独唱家踏上舞台,室内一片宁静,听众们屏息等待。瞬间,嗓音高提,两三个花腔立刻显露精湛的技巧;接着骤降为轻缓的低音,使气氛更具张力。几个小节之后,开始逐渐增强,节奏不断加快,音域之广犹如整个管弦乐团,从男低音经过男高音,再到女高音。震撼性的终曲在排山倒海的力量中结束,听众的情绪久久无法抚平。这时,录音中断,伯恩哈德·普菲富灵(Bernhard Pfäfflin)脸上露出微笑,问道:“非常棒,不是吗?”

短短一段 911 独奏演出,完全展现了每一部保时捷必须实现的标准:声音绝不单调,而是涵盖极广阔的频谱。这也是保时捷与含糊咕哝的美国车和神经敏感的意大利车之间的不同之处。不论是音调或是音量,都会根据负载程度而变化——也就是随着油门踏板的位置而有所改变。“这项特色同时也为驾驶员额外提供了一个参考准则”,普菲富灵如此解释道。这位 49 岁的振动技术和声学研发负责人正是保时捷声效背后的作曲家。

他的任务,是让每一款车型的声效和车型的特色相得益彰。 一部 GT3 听起来当然要像一名摇滚乐手。普菲富灵重视的一点:“一部车的声音必须能反映其性能。”因此,不可以是合成的流行音乐,而必须是由真正的乐器所演奏出的真实乐章。而且,整个音体经过精心混合,不论车辆处于何种负载状态,都能散发出和谐的声音。

为了要取得这样的效果,普菲富灵根本等不及汽车工程师和发动机研发人员打造出首批原型车;追求完美声效的使命,早在那之前就已开始。当驱动系统和车子还处于数字化创建过程时,负责保时捷油门切换声效的声学专家伯恩德·穆勒(Bernd Müller)就已经计算出无数种排气系统和消音器的种类,更准确地说,也就是各种组合对于车辆声效的影响。如此一来,便生成了好几百个声效文件。 “因此,在一辆原型车实体存在之前,我们就可以听到它的声音了”,穆勒活灵活现地描述这个数字奇迹。之后,他和其他经验深厚的同事们再共同从这上百种选择之中精选出三到四个备选方案,以呈递到董事会予以评估。在那里,穆勒曾经经历过极为激烈的讨论,甚至不亚于对于车辆外观设计的激辩。一旦拍案定论,穆勒就必须开始策划排气系统的规格。从排气管直径到消音器的尺寸,他一一为其制定参数,而这些数值正是之后完美声效的关键因素。

Porsche 718 Boxster, four-cylinder engine - Sound level illustration
Porsche 718 Boxster, four-cylinder engine
Sound level illustration
Porsche 911 Carrera, six-cylinder engine - Sound level illustration
Porsche 911 Carrera, six-cylinder engine
Sound level illustration


对于穆勒这样一位声学专家,即使他在过去二十年来已投入无数心血,他的工作仍然尚未结束。因为,保时捷的驱动系统研发人员不断地就发动机推出更新颖和重要的创新技术——广泛采用的涡轮增压发动机、多年来的首批四缸发动机、插电式混合动力车型,以及未来甚至纯电池驱动的运动型轿车,这些不仅是令穆勒着迷的挑战,对于保时捷品牌而言,更是含有不同寻常的意义。

排气系统里的低音大喇叭

全新 3.0 升涡轮水平对置发动机为全新 911 Carrera 带来更强劲的动力,单是基本款车型就可以在 14.8 秒之内加速至 200 km/h,比前代车型快了将近 1 秒。转速之所以能够如此快速爬升,主要归功于两只分别各为 一列气缸供气的涡轮增压器。这个全新发动机理念对于驾驶员而言,是美妙无比的推进力,但在穆勒眼中,却是一项双重任务。从现在开始,来自发动机的废气将首先流入涡轮机,因此流动速度受到改变,进而产生不同的声波。其中由于特定音高比其他音高受到更强的阻尼抑制,因此使整个频谱发生移动。

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乐团排练:伯恩哈德·普菲富灵博士(左)和伯恩德·穆勒视察六缸发动机的校音工作。

除此之外,由于涡轮增压器转速高达每分钟 200,000 转,因此本身也会发出一种非常特殊的声响,也就是著名的涡轮增压器哨音。但是这也不完全是负面的,因为驾驶员可以借此知道:推力来了。然而,在高速公路上高速行驶时,还是要避免这种持续的干扰声。这两项挑战,都被这位保时捷声学家通过不同的技术措施顺利克服了。例如用来调节增压器废气进气量的废气旁通阀,在特定工作点也会根据声效需求进行操作。还有第三个挑战,也是一项客户经常要求的愿望,同时也是保时捷声学家的任务——作为选配项目的运动型排气系统。它的作用是即使在增压器阻尼抑制的效果下,仍能尽显霸气的声效。穆勒的团队找到了解决方法:一个具有特殊结构的后消音器,结合将尾管位置移往尾部中央的设计,便能额外提供圆浑的低音。这些变更使催化转换器和排气管之间的管道长度得以达到特定要求。换句话说,排气系统的运作原理就与低音大喇叭相似,音高会随着乐器长度的调整而改变。

非对称性和共鸣

借由在今年春季推出的 718 Boxster,保时捷展现了最新 一代的四缸发动机。自从 968 车型在九零年代中期停产之后,保时捷就长时间没有涉足这个领域。如今,718 的水平对置发动机将为世人呈现一个全新面貌的保时捷乐团。

发动机的基调主要由汽缸数决定。在一部四缸发动机中,曲轴每转一圈会点火两次,因此这里音效上最主要的元素是所谓的二次谐波。这样的发动机在单听之下,会让人觉得颇为粗糙,因此,魏斯阿赫的声学家们与发动机工程师共同找出了一个窍门:他们将用来为涡轮增压器输送废气的排气歧管刻意设计成非对称的形状。如此会形成泛音,使得整体音色更加自然圆润。

718 的排气系统展现了更细腻的声音效果。废气会在经过催化转换器之后分成两道长度不同的气流:短管通向一个主要用来降低整体音量的传统消音器,长管则通向一个亥姆霍兹共鸣器。这种共鸣器是以德国科学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz)的姓氏命名的。这位科学家于十九世纪居住在柏林并从事研究工作,是当代许多杰出博学家之一,涉及的领域包括神经细胞学、能量守恒定律和磁场学。他最重要的一项发现就是这种以他命名的共鸣器。在一个只有一个开口的容器里充满空气,当空气脉冲(也就是声音)流过开口时,在容器里的空气就会产生振动,并且发出声音。取决于所选取的不同几何尺寸,共鸣器的固有频率可以混入一个特定的声音,或是也可以删除一个现有的声音,可说是对声音做出最精密的调整。最后的结果,就是透过双尾管传送到人类耳朵里的完美声浪。

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发声机: 718 车系全新发动机的乐曲将由排气系统演奏呈现。通过尾管置中的设计,达到延长共鸣箱的目的。

为电机谱曲

随着 Mission E 的量产计划发展,保时捷声学专家的任务也有了巨大的变化。因为,无论纯电动车的加速性能是如何惊为天人,所产生的声音却非常微小,而且以高频率为主。这样的轻声音效在某些情况下当然好处多多,例如当您是家里早上第一个出门的人时不会吵到家人;但是在市区交通里,发动机声响反而对行人和自行车骑士有益处,因为他们可以在看到车子之前,就听到有车子靠近。例如在美国等一些国家,已经在筹备订立相关法规,其中将明定小轿车至少应有的最低音量。所以,我们需要一个新的音效——但是,要用哪一种?

普菲富灵和穆勒提出的第 一个问题是:什么样的声音能与这辆车的性格匹配?最明确的一点:不论他们创作出什么样的声音,都必须忠于保时捷的理念,绝对不能和这款车毫无关联。这明确地否决了诸如电影星球大战中的人工音效。“客户不可能像替他的手机下载新铃声那样来为他的保时捷电动车下载发动机声效”,普菲富灵表示。保时捷的专家们也认为,当 一项全新的产品和技术还处于初期开发阶段时,将大众舆论作为意见参考,并不是非常明智的做法。

每个客户都有非常个人的态度和想法”,普菲富灵说道, “但是,在我们尚未听到任何音调之前,我们怎么能够去评论 一首交响曲呢?客户也总是期待保时捷有既定的方向。”量产版的 Mission E 会有什么样的声效,目前为止尚未定案。确定的是,在车辆研发的过程中,声学家所扮演的角色愈发重要。尽管音效经由车内和车外扬声器放大,但是绝对噪声水平仍是非常低。因此重要的是,不但机械部件不能发出任何干扰噪声,还必须将高速行驶时的风切声减至最低。普菲富灵和穆勒与研发同事密切合作,例如在风洞里,以保障最后能够获得原汁原味的保时捷声浪。如果在试驾期间出现任何杂音,两位专家还有一个先前已在内燃机车型上发挥效用的万灵丹:声学摄像机。这是一种用图像分析声音的设备,通过结合使用光传感器和指向传声器,他们可以找出深藏在车身内的声源。

伟大的歌剧

保时捷的声学专家们并非艺术家,而是工程师和物理学家。他们冷静客观地观察发动机布置、计算气流和分析频率。然而:在某些时刻,一个突然而来的事件也会让专家们一天的工作变得无比激情。就好比当他们在自己建立的声效数据库中东翻西寻,企图找到一些模范蓝本时,无意间却发现一个历史性勒芒赛车的声效。“我不禁心潮澎湃”,普菲富灵如此承认。请从头全部再演奏一次!配合所有保时捷的新车型,不管它在未来是用何种驱动系统加速前进!

作者 Johannes Winterhagen
摄影 Markus Bolsinger