某型汽車空氣路徑噪聲貢獻(xiàn)分析

王玉雷，王晨光，徐炳樺，劉杰昌，黃 煜

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007；2.上海交通大學(xué) 振動、沖擊、噪聲研究所 機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

汽車內(nèi)噪聲主要通過結(jié)構(gòu)路徑和空氣路徑傳遞。結(jié)構(gòu)路徑噪聲主要是輪胎不平衡動態(tài)力、路面激勵、發(fā)動機(jī)燃燒、發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部件不平衡以及其他部件的相對運(yùn)動產(chǎn)生的動態(tài)力直接或間接傳到車身，引起車身振動，進(jìn)而通過車身壁板等振動輻射到車內(nèi)[1–3]?？諝饴窂皆肼暤膫鬟f方式中的一種是車外噪聲通過車身縫隙直接傳遞到車內(nèi)，另一種是透過車身板結(jié)構(gòu)傳遞到車內(nèi)。從車內(nèi)噪聲的頻率角度看，低頻噪聲主要是結(jié)構(gòu)聲，而中高頻段主要是空氣聲。但隨著技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)路徑噪聲對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)大大減小。雖然空氣路徑噪聲仍然是車內(nèi)噪聲的主導(dǎo)，但個(gè)別頻率的空氣路徑噪聲峰值會對車輛的噪聲品質(zhì)產(chǎn)生影響。特別地，近年來隨著電動汽車的推廣，結(jié)構(gòu)路徑噪聲最主要的激勵源之一的燃油發(fā)動機(jī)在電動車內(nèi)已不復(fù)存在研究空氣路徑噪聲的重要性隨之顯現(xiàn)出來。

結(jié)構(gòu)路徑噪聲貢獻(xiàn)的不斷減小，使對空氣路徑噪聲貢獻(xiàn)的研究越來越有意義[4–5]。國內(nèi)已有人通過聲學(xué)矢量法對空氣路徑噪聲貢獻(xiàn)進(jìn)行了分析[6]，但針對某一具體型號的車輛，采用譜分析的方法分析噪聲貢獻(xiàn)的研究較少。

本文建立了某型汽車從發(fā)動機(jī)艙、排氣管和輪胎到車內(nèi)副駕駛?cè)硕目諝饴窂皆肼曍暙I(xiàn)分析模型，根據(jù)互易原理[7–9]通過實(shí)驗(yàn)測得了噪聲源到目標(biāo)點(diǎn)的聲聲傳遞函數(shù)以及汽車在高速行駛工況下的聲源噪聲，比較了偏相干分析、聲學(xué)矢量分析計(jì)算噪聲貢獻(xiàn)量的適用情況。最后，結(jié)合譜分析理論，計(jì)算各個(gè)空氣聲源點(diǎn)對車內(nèi)人耳目標(biāo)點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)量，比較在不同工況、不同頻率下各個(gè)空氣聲源的貢獻(xiàn)大小，針對降低空氣聲貢獻(xiàn)提出了一些合理化建議。

1 工程問題的提出

汽車內(nèi)噪聲來源主要由結(jié)構(gòu)路徑和空氣路徑所構(gòu)成，空氣路徑噪聲貢獻(xiàn)大小雖通常不如結(jié)構(gòu)路徑噪聲貢獻(xiàn)大，但卻反映了汽車的隔聲水平的高低，在個(gè)別頻率下較大的空氣路徑噪聲貢獻(xiàn)會影響整車的振動噪聲水平，給乘客帶來不舒適。

在對汽車空氣路徑傳播噪聲進(jìn)行分析時(shí)，需要正確地建立從輸入到輸出的傳遞路徑分析模型，準(zhǔn)確測試激勵到響應(yīng)的傳遞函數(shù)，再結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況下的激勵信號，對各個(gè)空氣路徑的貢獻(xiàn)進(jìn)行分析，找出對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)較大的空氣噪聲路徑。

2 方法

2.1 空氣路徑貢獻(xiàn)分析模型建立

車內(nèi)副駕駛右耳目標(biāo)點(diǎn)的噪聲是各個(gè)噪聲源共同作用的結(jié)果。首先建立空氣路徑聲源到車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的多輸入單輸出模型，如圖1所示。

圖1 空氣路徑噪聲輸入輸出模型

輸入信號x與輸出信號y通過實(shí)車試驗(yàn)得到，傳遞函數(shù)h通過在半消聲室內(nèi)的靜態(tài)聲聲傳遞函數(shù)實(shí)測得到，在實(shí)際行駛工況下車內(nèi)副駕駛右耳的總響應(yīng)還包括噪聲信號及通過其他路徑傳遞到人耳的響應(yīng)。

2.2 互易法與傳遞函數(shù)計(jì)算

互易法的主要思想是：如果系統(tǒng)是被動的和時(shí)不變的，振動傳遞不隨激勵點(diǎn)和觀測點(diǎn)的位置變換而變化。也就是說互易原理表示系統(tǒng)在某一方向上的傳遞路徑等于相反方向的傳遞路徑。針對汽車激勵源到目標(biāo)輸出點(diǎn)的傳遞函數(shù)測量，可以將揚(yáng)聲器布置在輸出目標(biāo)點(diǎn)上，測量實(shí)際目標(biāo)點(diǎn)到實(shí)際激勵點(diǎn)的傳遞函數(shù)，這一結(jié)果和在各個(gè)激勵源分別布置揚(yáng)聲器測量傳遞函數(shù)得到的結(jié)果是相同的。用公式表示互易法測量聲學(xué)傳遞函數(shù)如下

其中：H(ω)i,j是噪聲源j 到目標(biāo)點(diǎn)i 的傳遞函數(shù)，Pi為目標(biāo)點(diǎn)聲壓，P'j為噪聲源聲壓，Pj為將噪聲激勵源轉(zhuǎn)移到位置i之后目標(biāo)點(diǎn)的聲壓，P'i為噪聲激勵源位置為i時(shí)的噪聲源聲壓。

計(jì)算聲聲傳遞函數(shù)前首先對輸入信號和輸出信號進(jìn)行相干性分析，輸入信號與輸出信號有較強(qiáng)的相干性是傳遞函數(shù)計(jì)算結(jié)果正確且有意義的必要條件。

輸入和輸出點(diǎn)之間的常相干函數(shù)用下面的表達(dá)式計(jì)算

若輸入與輸出的相干函數(shù)接近于1，則他們之間的傳遞函數(shù)可以用下面的表達(dá)式計(jì)算

其中：Gxy(f)為互功率譜密度函數(shù)，Gxx(f)、Gyy(f)為自功率譜密度函數(shù)。

在消聲室環(huán)境中，在車內(nèi)和車外布置傳聲器來測量聲壓級大小，可以得到車身的噪聲降低量，評價(jià)汽車隔聲水平，噪聲降低量用NR表示

式中：NRio為噪聲降低量，SPLin為車內(nèi)聲壓級，SPLout為車外聲壓級。

2.3 傳遞路徑貢獻(xiàn)分析方法

傳遞函數(shù)根據(jù)互易原理在半消聲室測得，噪聲激勵在實(shí)車工況下測得，在得到激勵噪聲和傳遞函數(shù)后可以計(jì)算每條路徑的貢獻(xiàn)量，根據(jù)TPA理論，貢獻(xiàn)量計(jì)算有聲學(xué)矢量法、偏相干輸出法、重相干輸出法等。

聲學(xué)矢量法即為對于單一頻率，由各條路徑在輸出點(diǎn)用矢量合成的方法得出總聲壓，貢獻(xiàn)量等于各個(gè)傳遞路徑在輸出點(diǎn)所產(chǎn)生聲壓信號在總聲壓信號向量方向上的投影。各個(gè)路徑在目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓與總聲壓可能同向或反相，貢獻(xiàn)可正可負(fù)，這取決于各條路徑聲壓矢量與總聲壓矢量之間的夾角。聲學(xué)矢量貢獻(xiàn)表達(dá)式為

其中：Pxi為第i條路徑對目標(biāo)點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)，Pi為第i條路徑在目標(biāo)點(diǎn)所產(chǎn)生的聲壓，θi為第i條路徑在目標(biāo)點(diǎn)所產(chǎn)生聲壓與總聲壓向量之間的夾角。

但是，這種方法適用于各個(gè)源相干性較強(qiáng)的情況，對于源之間相干程度低的情況，穩(wěn)健性較差。對于穩(wěn)態(tài)工況的計(jì)算分析，在對頻域信號進(jìn)行平均后，也不適用這種方法。

偏相干輸出功率譜的計(jì)算分析也是解決多輸入單輸出問題的重要方法，例如一個(gè)三輸入單輸出系統(tǒng)有以下公式成立

其中：Gyy表示輸出自功率譜，Gnn是噪聲輸出譜，記號?1?2?…表示排除x1,x2,…引起的部分為源2 的偏相干輸出譜為源3 的偏相干輸出譜。

目標(biāo)點(diǎn)自功率譜等于重相干輸出功率譜與噪聲輸出譜之和，也等于各個(gè)源的偏相干輸出譜與噪聲輸出譜之和。

應(yīng)當(dāng)注意的是，各個(gè)源的順序選擇對偏相干輸出功率譜的計(jì)算與結(jié)果的解釋影響很大，且偏相干輸出功率法得不出每個(gè)輸入造成的輸出比例。

針對每一條路徑對輸出的貢獻(xiàn)計(jì)算在輸入信號混疊較嚴(yán)重時(shí)可以采用偏相干輸出功率譜的方法，同時(shí)要反復(fù)更換各個(gè)源的順序，比較計(jì)算結(jié)果的不同，計(jì)算源之間的相干性，確定各條路徑的貢獻(xiàn)大小，這種方法在輸入信號獨(dú)立性強(qiáng)的情況下意義不大。

車內(nèi)人耳處噪聲由空氣路徑所引起的部分可以通過計(jì)算重相干輸出功率譜的方法確定。輸出y與所有產(chǎn)生y 的輸入xi之間的重相干函數(shù)定義為預(yù)計(jì)的理想線性輸出譜Gvv與總測量輸出譜Gyy之比，于是

式中：Gnn是噪聲輸出譜，則有重相干函數(shù)表達(dá)式

其中，記號y:x表示y因x1,x2,…引起的部分，為重相干函數(shù)。

將重相干函數(shù)與輸出譜相乘得到重相干輸出功率譜

重相干輸出功率譜的物理意義是在總的輸出功率譜中，由已知輸入引起的輸出功率譜部分。

在各個(gè)輸入信號獨(dú)立性較強(qiáng)的情況下，各個(gè)空氣路徑聲源對車內(nèi)噪聲點(diǎn)的貢獻(xiàn)由下式確定

其中：Gxixi為第i 個(gè)輸入通道的自功率譜，Hxiy為第i個(gè)輸入通道與輸出y 之間的傳遞函數(shù)，由半消聲室實(shí)驗(yàn)測得，contrixi為第i個(gè)輸入通道的貢獻(xiàn)功率譜。

通過奇異值分解可以確定輸入信號中獨(dú)立源的個(gè)數(shù)，奇異值的大小作為信號能量的量度，信號能量高則認(rèn)為有較大獨(dú)立成分，可以對輸入信號做奇異值分解判斷其獨(dú)立性。

奇異值矩陣Λ中對角線上非零元素的個(gè)數(shù)等于獨(dú)立信號源的個(gè)數(shù)，由于實(shí)際測量時(shí)干擾和誤差的存在，奇異值為零的情況很少出現(xiàn)，可以根據(jù)奇異值的截?cái)嗾`差來確定獨(dú)立信號源個(gè)數(shù)，一般從最大奇異值向下截取20 dB，所包含的奇異值個(gè)數(shù)認(rèn)為是獨(dú)立信號個(gè)數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)測量

3.1 聲學(xué)傳遞函數(shù)測量

聲學(xué)傳遞函數(shù)測試在半消聲室中進(jìn)行，由布置在車內(nèi)靠近副駕駛車窗側(cè)人耳的揚(yáng)聲器發(fā)出正弦掃頻信號，有效頻率范圍為200 Hz～20 00 Hz，布置在副駕駛?cè)硕恢玫柠溈孙L(fēng)與布置在發(fā)動機(jī)艙、輪胎和排氣管附近的麥克風(fēng)接收這一聲信號。測試時(shí)保持車輛定置，車窗車門關(guān)閉，記錄車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)與發(fā)動機(jī)艙、排氣管和輪胎位置的聲信號。車內(nèi)揚(yáng)聲器與車外麥克風(fēng)的布置如圖2所示。

3.2 實(shí)車工況噪聲激勵測量

要確定空氣路徑噪聲對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量，還需要測量在實(shí)際行駛工況下各個(gè)空氣聲源的實(shí)際激勵輸入。在車內(nèi)副駕駛右耳位置布置一個(gè)傳聲器測量目標(biāo)點(diǎn)噪聲信號，在發(fā)動機(jī)艙、排氣管和四個(gè)車輪位置各布置一個(gè)傳聲器測量空氣路徑聲源激勵信號。在傳聲器校準(zhǔn)完成后，安裝上防風(fēng)球。測試工況為5檔80 km/h和100 km/h，速度達(dá)到要求并穩(wěn)定后，開始記錄數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)要求持續(xù)時(shí)間在15 秒以上。

圖2 車內(nèi)揚(yáng)聲器與車外麥克風(fēng)的布置

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，從最終數(shù)據(jù)中選擇測試時(shí)運(yùn)行較平穩(wěn)的一組或幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，雖然60 mm 直徑防風(fēng)球在高速來流下可以有效降低風(fēng)噪聲干擾[10]，但是氣流拍打傳聲器振膜還是會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響，為此，結(jié)合文獻(xiàn)中高速氣流下風(fēng)噪聲數(shù)據(jù)對車外的噪聲測量結(jié)果進(jìn)行了修正。由于輸入點(diǎn)到輸出點(diǎn)的傳遞函數(shù)只有在200 Hz～2 000 Hz才是可采信的，下面的貢獻(xiàn)分析頻率范圍均為200 Hz～2 000 Hz。

4 結(jié)果和討論

4.1 傳遞函數(shù)測試結(jié)果

部分空氣路徑輸入點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的常相干函數(shù)和傳遞函數(shù)計(jì)算結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3 車外各個(gè)測點(diǎn)與車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)相干函數(shù)

觀察目標(biāo)點(diǎn)與各個(gè)輸入點(diǎn)之間的相干函數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在揚(yáng)聲器發(fā)聲的有效頻段內(nèi)，輸入和輸出點(diǎn)的相干性接近于1，相干性極好，說明傳遞函數(shù)的測試結(jié)果是可以采信的，但是在圖中某些頻率處，相干函數(shù)較低，這些頻率處對應(yīng)的輸入與輸出之間傳遞函數(shù)是不可采用的。

圖7所示傳遞函數(shù)根據(jù)互易原理確定為空氣路徑噪聲源到車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的傳遞函數(shù)。

圖4 空氣聲傳遞函數(shù)幅值

該型汽車部分位置的噪聲降低量如圖5 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，頻率越高，車身的隔聲效果越好。

圖5 各個(gè)聲源到車內(nèi)噪聲降低量

4.2 輸入信號獨(dú)立性分析

采用奇異值分解方法判斷所有輸入信號獨(dú)立成分個(gè)數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 輸入信號奇異值分解結(jié)果

最大奇異值與最小奇異值之差在20 dB 內(nèi)共包含6個(gè)信號，同輸入信號數(shù)目一致，可以認(rèn)為輸入信號獨(dú)立性較好，不存在較強(qiáng)的混疊現(xiàn)象。因此下面采用重相干輸出功率譜的方法計(jì)算總的空氣路徑聲貢獻(xiàn)量。

4.3 空氣路徑噪聲對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)分析

在100 km/h 和80 km/h 工況下汽車運(yùn)行的重相干輸出功率譜和各個(gè)空氣聲傳遞路徑的貢獻(xiàn)如圖7至圖10所示。

圖7 空氣路徑聲重相干貢獻(xiàn)譜（100 km/h）

圖8 各個(gè)空氣聲路徑貢獻(xiàn)譜（100 km/h）

圖9 空氣路徑聲重相干貢獻(xiàn)譜（80 km/h）

從圖7和圖9中可以發(fā)現(xiàn)，空氣路徑噪聲對于車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)較小，但在個(gè)別頻率下仍會對車內(nèi)噪聲產(chǎn)生較大影響。無論100 km/h 還是80 km/h，在250 Hz～260 Hz范圍內(nèi)車內(nèi)噪聲都存在明顯峰值，這正對應(yīng)輪胎的空腔共振頻率?？涨还舱裨肼暿怯蓮穆访孑斎爰钍馆喬ズ蛙囕啒?gòu)成的超低壓空腔聲響系統(tǒng)共振而產(chǎn)生。

對于主要峰值頻率為254 Hz 的空氣路徑噪聲貢獻(xiàn)作單獨(dú)分析，結(jié)果如圖11所示。

圖10 各個(gè)空氣聲路徑貢獻(xiàn)譜（80 km/h）

圖11 頻率為254 Hz時(shí)空氣路徑聲貢獻(xiàn)（100 km/h）

右前輪貢獻(xiàn)最大，左前輪其次，其他位置空氣聲貢獻(xiàn)較小，距離目標(biāo)點(diǎn)更近的聲源位置對輸出響應(yīng)的貢獻(xiàn)更大。

在100 km/h 工況下，在298 Hz、323 Hz 和348 Hz 處都出現(xiàn)了較大峰值，在298 Hz 處，空氣聲的貢獻(xiàn)量相對其他頻率處較大，在這一頻率下對各個(gè)空氣路徑聲的貢獻(xiàn)進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖12所示。

圖12 頻率為298 Hz時(shí)空氣路徑聲貢獻(xiàn)（100 km/h）

在這一頻率下左前輪與右前輪貢獻(xiàn)最大，輪胎的空氣聲路徑貢獻(xiàn)大于發(fā)動機(jī)艙和排氣管的空氣聲貢獻(xiàn)。觀察全頻段貢獻(xiàn)譜圖可以發(fā)現(xiàn)無論哪一組工況，左前輪與右前輪的貢獻(xiàn)在絕大多數(shù)頻率下是最大的，在80 km/h 勻速工況下，左右前輪與其他空氣路徑聲源的貢獻(xiàn)的差距會縮小。

汽車行駛過程中測得的數(shù)據(jù)顯示后輪相對前輪噪聲更大一些，但是由于傳遞路徑較遠(yuǎn)，傳遞函數(shù)偏小，導(dǎo)致對副駕駛右耳目標(biāo)點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)沒有前輪的貢獻(xiàn)大，這又證明了傳遞函數(shù)對空氣聲貢獻(xiàn)影響較大，對車輛進(jìn)行整改時(shí)建議減少前輪位置車身的孔隙。

并不是所有頻率下輪胎噪聲的貢獻(xiàn)都大于其他位置的空氣路徑聲貢獻(xiàn)，從圖8和圖10中可以發(fā)現(xiàn)，2 種工況下頻率在800 Hz 時(shí)，發(fā)動機(jī)艙空氣聲貢獻(xiàn)均較大，以100 km/h 工況為例，對800 Hz 下噪聲貢獻(xiàn)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖13 所示，這一頻率下發(fā)動機(jī)艙貢獻(xiàn)明顯大于其他空氣聲路徑，應(yīng)予以關(guān)注。

圖13 頻率為800 Hz時(shí)空氣路徑聲貢獻(xiàn)（100 km/h）

5 結(jié)語

本文針對某型汽車發(fā)動機(jī)艙、排氣管和輪胎的空氣路徑噪聲貢獻(xiàn)進(jìn)行了研究分析。通過研究發(fā)現(xiàn)，在以較高速度勻速行駛的條件下，空氣路徑噪聲貢獻(xiàn)處于次要地位，空氣聲的貢獻(xiàn)相對車內(nèi)實(shí)際噪聲要小10 dB～20 dB，隨著車速的增大，空氣聲對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)的比例逐漸增大。尤其在高頻下空氣聲的貢獻(xiàn)甚至要超過結(jié)構(gòu)聲的貢獻(xiàn)，但是在1 000 Hz以下的低頻區(qū)域仍以結(jié)構(gòu)路徑貢獻(xiàn)為主。

這一車型應(yīng)用時(shí)較少在100 km/h以上的速度下行駛，對空氣聲改進(jìn)的優(yōu)先級在結(jié)構(gòu)聲之后，但對于空氣聲貢獻(xiàn)較大的單頻應(yīng)作重點(diǎn)分析。在絕大多數(shù)頻率下，左右前輪對車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)要大于其他位置空氣聲貢獻(xiàn)，整體看來，距離目標(biāo)越近的空氣聲源位置對目標(biāo)點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)越大。