汽車通過噪聲貢獻(xiàn)量分析及前期預(yù)測方法研究

石菲 李建華 王亮

摘要：介紹了基于傳遞路徑的汽車通過噪聲貢獻(xiàn)量分析及前期預(yù)測方法，包括該方法的基本原理，聲源的測試方法，傳遞函數(shù)的測試方法等，最后通過實(shí)例分析說明了該方法較傳統(tǒng)包裹法的全面、便捷、高效性，解決了前期無法對通過噪聲進(jìn)行定量預(yù)測及設(shè)計(jì)指導(dǎo)的問題。

關(guān)鍵詞：通過噪聲;貢獻(xiàn)量;傳遞路徑法;PCA

引言

通過噪聲是整車振動噪聲相關(guān)的強(qiáng)制法規(guī)項(xiàng)，我們國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是GB1495-2002版本，對于M1類型車輛的要求限值為74dB[1]。而隨著機(jī)動車的普及，環(huán)境噪聲越來越惡劣，人們對生活中的噪聲要求也逐漸提高。由此，為了將汽車通過噪聲控制在一個(gè)更低更合理的水平，我國和國際相關(guān)組織已經(jīng)陸續(xù)展開一系列的通過噪聲試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)限值提高研究。目前歐洲法規(guī)已修訂完成，新的測試方法更符合實(shí)際駕駛習(xí)慣，更有效地反映了城市生活環(huán)境下居民受交通噪聲的影響，同時(shí)新的限制要求也更加嚴(yán)格[2]。我們國家法規(guī)的修訂也參考新的歐洲標(biāo)準(zhǔn)正有序開展，新的噪聲限值要求將給正在開發(fā)中及即將開發(fā)的車輛帶來新的挑戰(zhàn)。

目前在汽車開發(fā)過程中，對其通過噪聲的評估只能在樣車試制后通過試驗(yàn)來測試。當(dāng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)樣車不能滿足法規(guī)要求時(shí)，已經(jīng)到了車型開發(fā)的中后期，許多零部件已基本定型，可改動的范圍小，且在不明確主要噪聲源的情況下對樣車進(jìn)行各種改進(jìn)，周期長難度大成本高。這種情況下，對于汽車通過噪聲進(jìn)行貢獻(xiàn)量定量分析及前期預(yù)測顯得格外迫切，以便早控制早優(yōu)化。

1.通過噪聲及其聲源

加速行駛是汽車通過噪聲中最壞噪聲排放情況，國標(biāo)GB1495規(guī)定了這種加速行駛測試的試驗(yàn)方法和噪聲限值。即如圖1?所示，在規(guī)定的測量條件下，車輛在預(yù)先確定的檔位以穩(wěn)定的車速沿行駛中心線CC接近測試區(qū)域AA-BB，當(dāng)車輛前部進(jìn)入AA線時(shí)，駕駛員迅速將加速踏板踩到底、節(jié)氣門全開并保持不變，直到車輛尾部通過測試區(qū)域駛離BB線時(shí)再盡快松開踏板。這個(gè)過程中，布置于規(guī)定位置的傳聲器（PP線上的五角星位置）測量加速駛過測量區(qū)的最大A-計(jì)權(quán)聲壓級。

圖1?通過噪聲測試示意圖

試驗(yàn)規(guī)范對測量場地和背景噪聲等有嚴(yán)格的要求，而通過噪聲主要來源于發(fā)動機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、輪胎等。發(fā)動機(jī)的輻射噪聲主要由發(fā)動機(jī)工作產(chǎn)生的燃燒噪聲和機(jī)械噪聲透過殼體進(jìn)入大氣產(chǎn)生，這種噪聲一般頻率比較低與轉(zhuǎn)速相關(guān);進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲包括進(jìn)氣口的噪聲和空氣過濾器的的輻射噪聲，該噪聲亦與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，進(jìn)氣口噪聲越大;排氣噪聲包括尾管口的噪聲，消聲器等部件的輻射噪聲，一般而言，低轉(zhuǎn)速時(shí)尾管噪聲與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，高轉(zhuǎn)速時(shí)空氣流與排氣管的摩擦噪聲比較明顯，而消聲器等元件的板殼結(jié)構(gòu)決定了輻射噪聲的大小;輪胎噪聲主要因輪胎橫向和縱向輪齒在與路面接觸的時(shí)候會形成空腔，當(dāng)空氣在這些空腔中會發(fā)生共振時(shí)產(chǎn)生噪聲，該噪聲的頻率與大小與輪齒的寬度、深度、形狀、路面及車速等因素有關(guān)。[3][4]

當(dāng)通過噪聲超過限制時(shí)，需要確定貢獻(xiàn)量最大的聲源，以及該聲源噪聲中貢獻(xiàn)量最大的頻段，然后即可對根源問題進(jìn)行針對性的優(yōu)化，使通過噪聲能在最短時(shí)間內(nèi)利用最低的成本得到改進(jìn)。

2.聲源貢獻(xiàn)量分析方法

通過噪聲聲源貢獻(xiàn)量分析主要有傳統(tǒng)的包裹法和近年來逐漸應(yīng)用的傳遞路徑法兩大類。

包裹法在過去使用較多，這種方法首先需試驗(yàn)測得樣車的通過噪聲總值，然后對各個(gè)聲源分別包裹屏蔽后再測得不含該被屏蔽聲源的通過噪聲值，通過噪聲總值與包裹屏蔽后的值做差，即得到被屏蔽聲源對通過噪聲的貢獻(xiàn)量。這種方法比較直接，也是很長一段時(shí)間內(nèi)貢獻(xiàn)量分析的主要方法，而它的弊端也越來越突出：包裹屏蔽聲源比較耗時(shí);包裹材料往往只能屏蔽300Hz以上的噪聲，對于低頻作用不大，會致使分析結(jié)果不全面;包裹屏蔽的部分會影響其他聲源正常情況下的聲傳遞，給結(jié)果帶來偏差;各聲源的屏蔽是分開來做，不同的屏蔽也會因?yàn)闇囟鹊仍蚴管囕v的運(yùn)行狀態(tài)不同，由此帶來的結(jié)果是試驗(yàn)一致性不好，使得對比基礎(chǔ)不統(tǒng)一。

傳遞路徑法是分別得到噪聲源的近場噪聲、噪聲源到通過噪聲測點(diǎn)的傳遞函數(shù)，然后相乘計(jì)算，從而得到各噪聲源在測點(diǎn)處的貢獻(xiàn)量的方法（如圖2）。聲源的近場噪聲即圖示中發(fā)動機(jī)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、輪胎等的輻射噪聲，這些噪聲可通過進(jìn)場布置麥克風(fēng)測試得到。表征傳遞路徑的傳遞函數(shù)，即為圖2中每個(gè)聲源到各測點(diǎn)（PB處）的傳遞函數(shù)，這些測點(diǎn)位置模擬了圖1中車輛駛?cè)霚y試區(qū)域（AA-BB）后，車輛處于不同位置時(shí)相對于測點(diǎn)P、P的位置情況。這樣通過噪聲測試時(shí)因?yàn)檐囈苿訋淼膫鬟f函數(shù)變換，即可以車不動麥克風(fēng)移動的測試方式模擬了出來。這種傳遞路徑法因不存在屏蔽法的這些弊端且更高效而逐漸興起：所有聲源的貢獻(xiàn)量可以在一個(gè)運(yùn)行工況中得到;可以得到聲源和傳遞路徑在各頻段的詳細(xì)信息，對于查找問題十分有效;對于不同聲源改進(jìn)產(chǎn)生的效果再評估非常便捷。鑒于這種方法的突出優(yōu)勢，不少公司相繼推出了相關(guān)的分析工具，如AVL的PCA軟件，LMS的TPA&ASQ模塊等。

圖2???傳遞路徑法示意圖

3.傳遞路徑法的應(yīng)用

3.1?PCA的應(yīng)用原理

AVL的PCA軟件是國際上應(yīng)用傳遞路徑法進(jìn)行通過噪聲貢獻(xiàn)量分析的工具之一。應(yīng)用PCA分析軟件時(shí)，傳函的測試是將體積加速度聲源放置于PB處（以PB-1為例），然后在車上各噪聲源附近布置麥克風(fēng)。當(dāng)PB-1處體積加速度聲源發(fā)出白噪聲時(shí)，車輛聲源附近的麥克風(fēng)測得的近場聲壓相對于PB-1聲源發(fā)出的聲功率值，即為PB-1這一位置相對于車上?所有通過噪聲聲源的傳遞函數(shù)。完成PB-1位置處的傳函測試后，再將體積加速度聲源移至PB-2處，重復(fù)試驗(yàn)得到PB-2這一位置相對于車上所有通過噪聲聲源的傳遞函數(shù)。以此類推，直至完成所有PB位置處的測試，這樣即得到了所有位置情況下，通過噪聲測點(diǎn)相對于車上各聲源的傳遞函數(shù)。

PCA分析軟件應(yīng)用了互易原理，傳遞函數(shù)取車上聲源近場聲壓相對于通過噪聲測點(diǎn)聲功率的值，那么如果得到通過噪聲測試工況時(shí)車上各聲源的聲功率，即得到了各聲源在通過噪聲測點(diǎn)處的貢獻(xiàn)聲壓值。PCA分析中，是先測得標(biāo)準(zhǔn)工況下聲源近場聲壓值，然后通過各聲源的面積，計(jì)算得到車上通過噪聲聲源的聲功率值。

3.2?實(shí)例分析

通過噪聲貢獻(xiàn)量分析試驗(yàn)可以在模擬自由場的半消聲室進(jìn)行，待測車輛置于轉(zhuǎn)轂上，車上聲源近場聲壓測試時(shí)，按照實(shí)際運(yùn)行工況，車帶動轉(zhuǎn)轂運(yùn)動。測量傳函時(shí)，若消聲室的空間有限，可以通過移動車輛來完成所有測試要求范圍內(nèi)的傳涵測試。圖3為左前輪胎到PB5-PB9位置處的傳函，圖4為后消聲器到PB19-PB21位置處的傳函。

圖3?左前輪胎到PB5-PB9位置處的傳函???????????圖4后消聲器到PB19-PB21位置處的傳函

車上各聲源的聲功率需要通過聲源的近場聲壓測試來獲得。測點(diǎn)的布置與各聲源輻射噪聲測點(diǎn)布置方式相同，如圖5-圖6[5]。WOT工況下，發(fā)動機(jī)與排氣的近場聲壓如圖7-圖8。PCA分析時(shí)，會將每個(gè)聲源所有測點(diǎn)結(jié)果做平均后參與計(jì)算。

圖5?消聲器和排氣尾管口近場聲壓測點(diǎn)示意圖?????????圖6?發(fā)動機(jī)近場聲壓測點(diǎn)布置示意圖

圖?7發(fā)動機(jī)各測點(diǎn)WOT工況近場聲壓值??????圖?8中消和后消各測點(diǎn)WOT工況近場聲壓值

圖9各聲源在通過全歷程中對左側(cè)通過噪聲的貢獻(xiàn)量?????圖10?1.2m處各聲源貢獻(xiàn)量分配圖

圖11?4.7m處各聲源貢獻(xiàn)量分配圖????????????????圖12?1.2m處各聲源貢獻(xiàn)頻譜圖

將測得的所有傳函結(jié)果、車上聲源的近場聲壓結(jié)果、各聲源的面積、兩側(cè)麥克風(fēng)的位置信息輸入PCA軟件，即可合成得到passby各位置點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)量如圖9-圖12。圖9列出了所有子系統(tǒng)聲源在整個(gè)全油門加速通過歷程中對左側(cè)麥克風(fēng)的噪聲貢獻(xiàn)量值，圖10和圖11分別對1.2m處和4.7m處各噪聲源對通過噪聲的貢獻(xiàn)量進(jìn)行了比例示意。1.2m的位置相當(dāng)于車輛沿CC行駛至兩側(cè)麥克風(fēng)（P、P點(diǎn)）位于車輛約A柱附近時(shí)，由圖10可見此時(shí)輪胎和發(fā)動機(jī)為主要聲源，且貢獻(xiàn)量相當(dāng)。4.7m處則相當(dāng)于車輛剛完全通過兩側(cè)麥克風(fēng)（P、P點(diǎn)），麥克風(fēng)位于車尾附近時(shí)，由圖11可見此時(shí)各聲源的貢獻(xiàn)量發(fā)生了變化，其中輪胎貢獻(xiàn)比例增大，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)各聲源各有不同程度的減小，而排氣的貢獻(xiàn)比例有所增加，這與實(shí)際情況是相符的。當(dāng)找到了主要貢獻(xiàn)聲源，可以進(jìn)一步對聲源的頻率進(jìn)行剖析，如圖12，對1.2m處做切片頻譜圖，可見雖然1.2m處發(fā)動機(jī)和輪胎的貢獻(xiàn)量相當(dāng)，但主要貢獻(xiàn)頻率段是不同的，800Hz以下主要為發(fā)動機(jī)噪聲，而800Hz以上主要為輪胎噪聲，針對這些峰值頻斷即可進(jìn)行針對性的優(yōu)化改進(jìn)，由此提高整個(gè)車輛的通過噪聲性能。

3.3前期預(yù)測方法

對于新開發(fā)的車型，這種傳遞路徑法也解決了因?yàn)闆]有實(shí)車而無法在開發(fā)初期對通過噪聲進(jìn)行預(yù)測和控制的問題。首先傳遞函數(shù)可以借用上一代車型的信息，差別不大。然后各子系統(tǒng)在各工況下的輻射噪聲可以容易的從子系統(tǒng)試驗(yàn)中得到，也可以借用其他車型相同子系統(tǒng)的輻射噪聲試驗(yàn)值。由此，整車的通過噪聲及各聲源的貢獻(xiàn)量即可在軟件中合成得到了。當(dāng)預(yù)測的通過噪聲超過限值或存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可以找到主要貢獻(xiàn)聲源及其主要貢獻(xiàn)頻率，在早期對該子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)控制，避免設(shè)計(jì)后期的高成本低效率補(bǔ)救。

4.結(jié)論

4.1由實(shí)例分析數(shù)據(jù)來看，傳遞路徑法對于通過噪聲貢獻(xiàn)量分析是十分有效的，結(jié)果與實(shí)際情況十分相符，可信度較高。

4.2相對于傳統(tǒng)的屏蔽法，傳遞路徑法可以更全面高效地得到通過噪聲的聲源貢獻(xiàn)量，可以便捷地鎖定主要貢獻(xiàn)噪聲源及核心問題頻段，對問題的解決起到了事半功倍的效果。

4.3傳遞路徑法可以在早期對通過噪聲進(jìn)行設(shè)計(jì)控制，解決了因?yàn)闆]有實(shí)車而無法在開發(fā)初期對通過噪聲進(jìn)行預(yù)測的問題。

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