汽車通過噪聲貢獻量分析及前期預測方法研究

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量分析及前期預測方法，包括該方法的基本原理，聲源的測試方法，傳遞函數的測試方法等，最后通過實例分析說明了該方法較傳統包裹法的全面、便捷、高效性，解決了前期無法對通過噪聲進行定量預測及設計指導的問題。

關鍵詞：通過噪聲;貢獻量;傳遞路徑法;PCA

引言

通過噪聲是整車振動噪聲相關的強制法規項，我們國家現行標準是GB1495-2002版本，對于M1類型車輛的要求限值為74dB[1]。而隨著機動車的普及，環境噪聲越來越惡劣，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更低更合理的水平，我國和國際相關組織已經陸續展開一系列的通過噪聲試驗方法和標準限值提高研究。目前歐洲法規已修訂完成，新的測試方法更符合實際駕駛習慣，更有效地反映了城市生活環境下居民受交通噪聲的影響，同時新的限制要求也更加嚴格[2]。我們國家法規的修訂也參考新的歐洲標準正有序開展，新的噪聲限值要求將給正在開發中及即將開發的車輛帶來新的挑戰。

目前在汽車開發過程中，對其通過噪聲的評估只能在樣車試制后通過試驗來測試。當試驗發現樣車不能滿足法規要求時，已經到了車型開發的中后期，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行各種改進，周期長難度大成本高。這種情況下，對于汽車通過噪聲進行貢獻量定量分析及前期預測顯得格外迫切，以便早控制早優化。

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GB1495規定了這種加速行駛測試的試驗方法和噪聲限值。即如圖1?所示，在規定的測量條件下，車輛在預先確定的檔位以穩定的車速沿行駛中心線CC接近測試區域AA-BB，當車輛前部進入AA線時，駕駛員迅速將加速踏板踩到底、節氣門全開并保持不變，直到車輛尾部通過測試區域駛離BB線時再盡快松開踏板。這個過程中，布置于規定位置的傳聲器（PP線上的五角星位置）測量加速駛過測量區的最大A-計權聲壓級。

圖1?通過噪聲測試示意圖

試驗規范對測量場地和背景噪聲等有嚴格的要求，而通過噪聲主要來源于發動機、進氣系統、排氣系統、輪胎等。發動機的輻射噪聲主要由發動機工作產生的燃燒噪聲和機械噪聲透過殼體進入大氣產生，這種噪聲一般頻率比較低與轉速相關;進氣系統噪聲包括進氣口的噪聲和空氣過濾器的的輻射噪聲，該噪聲亦與發動機的轉速有關，轉速越高，進氣口噪聲越大;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，低轉速時尾管噪聲與發動機轉速有關，高轉速時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構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候會形成空腔，當空氣在這些空腔中會發生共振時產生噪聲，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。[3][4]

當通過噪聲超過限制時，需要確定貢獻量最大的聲源，以及該聲源噪聲中貢獻量最大的頻段，然后即可對根源問題進行針對性的優化，使通過噪聲能在最短時間內利用最低的成本得到改進。

2.聲源貢獻量分析方法

通過噪聲聲源貢獻量分析主要有傳統的包裹法和近年來逐漸應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測得樣車的通過噪聲總值，然后對各個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量。這種方法比較直接，也是很長一段時間內貢獻量分析的主要方法，而它的弊端也越來越突出：包裹屏蔽聲源比較耗時;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，給結果帶來偏差;各聲源的屏蔽是分開來做，不同的屏蔽也會因為溫度等原因使車輛的運行狀態不同，由此帶來的結果是試驗一致性不好，使得對比基礎不統一。

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的傳遞函數，然后相乘計算，從而得到各噪聲源在測點處的貢獻量的方法（如圖2）。聲源的近場噪聲即圖示中發動機、進排氣系統、輪胎等的輻射噪聲，這些噪聲可通過進場布置麥克風測試得到。表征傳遞路徑的傳遞函數，即為圖2中每個聲源到各測點（PB處）的傳遞函數，這些測點位置模擬了圖1中車輛駛入測試區域（AA-BB）后，車輛處于不同位置時相對于測點P、P的位置情況。這樣通過噪聲測試時因為車移動帶來的傳遞函數變換，即可以車不動麥克風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：所有聲源的貢獻量可以在一個運行工況中得到;可以得到聲源和傳遞路徑在各頻段的詳細信息，對于查找問題十分有效;對于不同聲源改進產生的效果再評估非常便捷。鑒于這種方法的突出優勢，不少公司相繼推出了相關的分析工具，如AVL的PCA軟件，LMS的TPA&ASQ模塊等。

圖2???傳遞路徑法示意圖

3.傳遞路徑法的應用

3.1?PCA的應用原理

AVL的PCA軟件是國際上應用傳遞路徑法進行通過噪聲貢獻量分析的工具之一。應用PCA分析軟件時，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。當PB-1處體積加速度聲源發出白噪聲時，車輛聲源附近的麥克風測得的近場聲壓相對于PB-1聲源發出的聲功率值，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。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，重復試驗得到PB-2這一位置相對于車上所有通過噪聲聲源的傳遞函數。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，通過噪聲測點相對于車上各聲源的傳遞函數。

PCA分析軟件應用了互易原理，傳遞函數取車上聲源近場聲壓相對于通過噪聲測點聲功率的值，那么如果得到通過噪聲測試工況時車上各聲源的聲功率，即得到了各聲源在通過噪聲測點處的貢獻聲壓值。PCA分析中，是先測得標準工況下聲源近場聲壓值，然后通過各聲源的面積，計算得到車上通過噪聲聲源的聲功率值。

3.2?實例分析

通過噪聲貢獻量分析試驗可以在模擬自由場的半消聲室進行，待測車輛置于轉轂上，車上聲源近場聲壓測試時，按照實際運行工況，車帶動轉轂運動。測量傳函時，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。測點的布置與各聲源輻射噪聲測點布置方式相同，如圖5-圖6[5]。WOT工況下，發動機與排氣的近場聲壓如圖7-圖8。PCA分析時，會將每個聲源所有測點結果做平均后參與計算。

圖5?消聲器和排氣尾管口近場聲壓測點示意圖?????????圖6?發動機近場聲壓測點布置示意圖

圖?7發動機各測點WOT工況近場聲壓值??????圖?8中消和后消各測點WOT工況近場聲壓值

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

圖11?4.7m處各聲源貢獻量分配圖????????????????圖12?1.2m處各聲源貢獻頻譜圖

將測得的所有傳函結果、車上聲源的近場聲壓結果、各聲源的面積、兩側麥克風的位置信息輸入PCA軟件，即可合成得到passby各位置點的噪聲貢獻量如圖9-圖12。圖9列出了所有子系統聲源在整個全油門加速通過歷程中對左側麥克風的噪聲貢獻量值，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量進行了比例示意。1.2m的位置相當于車輛沿CC行駛至兩側麥克風（P、P點）位于車輛約A柱附近時，由圖10可見此時輪胎和發動機為主要聲源，且貢獻量相當。4.7m處則相當于車輛剛完全通過兩側麥克風（P、P點），麥克風位于車尾附近時，由圖11可見此時各聲源的貢獻量發生了變化，其中輪胎貢獻比例增大，發動機艙內各聲源各有不同程度的減小，而排氣的貢獻比例有所增加，這與實際情況是相符的。當找到了主要貢獻聲源，可以進一步對聲源的頻率進行剖析，如圖12，對1.2m處做切片頻譜圖，可見雖然1.2m處發動機和輪胎的貢獻量相當，但主要貢獻頻率段是不同的，800Hz以下主要為發動機噪聲，而800Hz以上主要為輪胎噪聲，針對這些峰值頻斷即可進行針對性的優化改進，由此提高整個車輛的通過噪聲性能。

3.3前期預測方法

對于新開發的車型，這種傳遞路徑法也解決了因為沒有實車而無法在開發初期對通過噪聲進行預測和控制的問題。首先傳遞函數可以借用上一代車型的信息，差別不大。然后各子系統在各工況下的輻射噪聲可以容易的從子系統試驗中得到，也可以借用其他車型相同子系統的輻射噪聲試驗值。由此，整車的通過噪聲及各聲源的貢獻量即可在軟件中合成得到了。當預測的通過噪聲超過限值或存在風險時，可以找到主要貢獻聲源及其主要貢獻頻率，在早期對該子系統進行設計控制，避免設計后期的高成本低效率補救。

4.結論

4.1由實例分析數據來看，傳遞路徑法對于通過噪聲貢獻量分析是十分有效的，結果與實際情況十分相符，可信度較高。

4.2相對于傳統的屏蔽法，傳遞路徑法可以更全面高效地得到通過噪聲的聲源貢獻量，可以便捷地鎖定主要貢獻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行設計控制，解決了因為沒有實車而無法在開發初期對通過噪聲進行預測的問題。

參考文獻：

[1].GB1495-2002?汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法。

[2].STATUS?OF?UNITED?NATIONS?REGULATION?ECE?51-02?Uniform?provision?concerning?the?approval?of：?motor?vehicles?having?at?least?four?wheels?with?regard?to?their?noise?emissions.

[3].田紹軍?《某微型汽車通過噪聲測量的技術改進》《裝備制造技術》2010年第12期

[4].龐劍，諶剛，何華。汽車噪聲與振動-理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006?p398-403.

[5].PCA?PASS-BY?NOISE?CONTRIBUTION?ANALYSIS?ONLINE?HELP.AVL?LIST?GmbH?November?2004.