電動(dòng)汽車車內(nèi)高頻噪聲傳遞路徑分析

宋魯濤，董博文，王暉，王洋（華晨汽車工程研究院整車部NVH工程室，遼寧 沈陽 110141）

電動(dòng)汽車車內(nèi)高頻噪聲傳遞路徑分析

宋魯濤，董博文，王暉，王洋
（華晨汽車工程研究院整車部NVH工程室，遼寧 沈陽 110141）

針對(duì)電動(dòng)汽車車內(nèi)高頻噪聲問題，利用空氣聲傳遞路徑分析方法，識(shí)別駕駛室內(nèi)噪聲問題的主要原因。以驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 6輻射表面作為點(diǎn)聲源，司機(jī)內(nèi)耳噪聲作為目標(biāo)點(diǎn)，建立傳遞路徑分析模型。采用逆矩陣法識(shí)別 6點(diǎn)聲源的空氣聲載荷，得到各路徑對(duì)駕駛室內(nèi)噪聲問題的貢獻(xiàn)量，為問題的解決提供優(yōu)化方向。研究表明，空氣聲傳遞路徑分析能有效應(yīng)用于電動(dòng)汽車的車內(nèi)高頻噪聲問題的分析。

電動(dòng)汽車；高頻噪聲；傳遞路徑分析；空氣聲載荷

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.028

CLC NO.: U469.7Document Code:AArticle ID: 1671-7988(2015)12-77-04

引言

伴隨著全球能源（特別是石油資源）危機(jī)、環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)汽車進(jìn)行比較，純電動(dòng)汽車沒有了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲，但由于存在“獨(dú)特”的驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲，如果設(shè)計(jì)或控制不當(dāng)，將會(huì)產(chǎn)生比傳統(tǒng)汽車還要差的噪聲品質(zhì)［1-2］。電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)高頻噪聲往往通過結(jié)構(gòu)和輻射傳遞到目標(biāo)位置。因此，對(duì)電動(dòng)汽車噪聲優(yōu)化，提高其NVH性能水平，識(shí)別結(jié)構(gòu)傳遞和聲音傳遞的貢獻(xiàn)量至關(guān)重要。通過傳遞路徑分析（即 TPA ： Transfer Path Analysis），確定傳遞路徑上對(duì)車內(nèi)噪聲影響最大的因素［3-4］，通過控制這些關(guān)鍵因素，如控制聲源噪聲，隔斷噪聲傳遞路徑等，以使車內(nèi)噪聲降低到可控范圍內(nèi)。

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲頻率高，聲品質(zhì)差。利用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑分析無法有效捕捉高頻范圍的噪聲特征。本文采用聲輻射傳遞路徑分析，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為立方體分解為6個(gè)面的點(diǎn)聲源，分別識(shí)別出其空氣聲源載荷，通過各聲源對(duì)車內(nèi)噪聲傳遞函數(shù)分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)噪聲的結(jié)構(gòu)傳遞和聲音噪聲的貢獻(xiàn)量，用于指導(dǎo)聲學(xué)包裝和結(jié)構(gòu)隔振的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1、空氣聲傳遞路徑分析的基本原理

將電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)假設(shè)為6個(gè)面的點(diǎn)聲源，則6聲源對(duì)車內(nèi)噪聲總的貢獻(xiàn)量為P：

式中，

Pn——各點(diǎn)聲源對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)聲壓；

Hn——點(diǎn)聲源對(duì)車內(nèi)噪聲傳遞函數(shù)；

Qn——運(yùn)行工況點(diǎn)聲源空氣聲源載荷。

由式（1）可以看出，聲源的空氣聲載荷和傳遞函數(shù)是TPA傳遞路徑分析的輸入量。

1.1空氣聲源載荷的測(cè)試方法

空氣聲源載荷常用的測(cè)試方法有聲波輻射面逐點(diǎn)采集法、聲強(qiáng)推導(dǎo)法和逆矩陣法[5]。由于聲波輻射面逐點(diǎn)采集法主要應(yīng)用于 2000Hz以下頻段的噪聲分析，聲強(qiáng)推導(dǎo)法主要應(yīng)用于平穩(wěn)信號(hào)，均不適用于電動(dòng)汽車高頻聲源的傳遞路徑分析。

利用逆矩陣法求取空氣聲源載荷，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為立方體考慮，6個(gè)輻射表面劃分為6個(gè)輻射點(diǎn)聲源。如圖1所示。

圖1　聲源表面及參考麥克風(fēng)

測(cè)得運(yùn)行工況下各聲源表面參考麥克風(fēng)處聲壓 p1, p2,…… pm，同時(shí)測(cè)得聲源到近場(chǎng)麥克風(fēng)處的傳遞函數(shù)[H＇]6ⅹm,則各聲源處的空氣聲載荷可由逆矩陣求得：

式中，｛Qi｝——各聲源空氣聲載荷；

｛pm｝——運(yùn)行工況下，各參考點(diǎn)聲壓；

［H＇］6×m——各聲源到參考麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)。

1.2傳遞路徑測(cè)試方法

聲源對(duì)車內(nèi)噪聲傳遞函數(shù)的測(cè)試，采用各聲源位置體積聲源激勵(lì)，車內(nèi)拾取聲壓信號(hào)的方法。

式中 P＇——體積聲源激勵(lì)工況車內(nèi)聲壓；

Q＇n——體積聲源激勵(lì)表面體積加速度；

2、電動(dòng)車高頻噪聲傳遞路徑分析

依據(jù)前述車輛空氣聲傳遞路徑分析方法可知，進(jìn)行傳遞路徑分析需要得到頻率響應(yīng)函數(shù)和空氣聲載荷等條件，實(shí)驗(yàn)過程如圖2所示。

圖2　空氣聲傳遞路徑分析的實(shí)驗(yàn)流程

2.1激勵(lì)點(diǎn)和參考點(diǎn)的定義

用逆矩陣法求取空氣聲源載荷，進(jìn)行空氣聲傳遞路徑分析，首先需要確定激勵(lì)點(diǎn)和參考點(diǎn)。以電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)而言，6個(gè)輻射表面上、下、左、右、前和后（面朝車輛前方）劃分為6個(gè)輻射點(diǎn)聲源，在每個(gè)輻射點(diǎn)聲源附近選取2個(gè)參考點(diǎn)以提升計(jì)算的準(zhǔn)確性。選擇參考點(diǎn)原則是與激勵(lì)點(diǎn)保持一定距離，且受其他激勵(lì)影響較小。下方參考點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3　下表面參考麥克風(fēng)布置

2.2運(yùn)行工況測(cè)試

定義激勵(lì)點(diǎn)和參考點(diǎn)后，需要測(cè)量車輛實(shí)際工作狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)。測(cè)試地點(diǎn)為整車半消聲室轉(zhuǎn)轂，測(cè)試工況為全加速，測(cè)試信號(hào)為駕駛室內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)聲音信號(hào)和12參考點(diǎn)聲音信號(hào)。車內(nèi)麥克風(fēng)位置如圖4所示。

圖4　車內(nèi)麥克風(fēng)布置

圖5　駕駛室內(nèi)聲音譜圖

圖6　驅(qū)動(dòng)電機(jī)近場(chǎng)聲音譜圖

圖5和圖6分別為駕駛室內(nèi)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)近場(chǎng)的聲音信號(hào)。可以看出駕駛室內(nèi)存在明顯的40和48階次的高頻嘯叫，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)噪聲有明顯的相關(guān)性。電動(dòng)車主驅(qū)動(dòng)電機(jī)和各種輔助系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起駕駛室內(nèi)高頻電機(jī)嘯叫。對(duì)于較高的電機(jī)嘯叫噪聲，頻率區(qū)間處于人類敏感區(qū)域，其控制水平對(duì)電動(dòng)汽車NVH性能的提升有非常重要的作用。

2.3頻率響應(yīng)函數(shù)測(cè)試

測(cè)試激勵(lì)點(diǎn)-目標(biāo)點(diǎn)，激勵(lì)點(diǎn)-參考點(diǎn)的頻響函數(shù)，用于空氣聲源載荷計(jì)算及各路徑貢獻(xiàn)量分析。頻響函數(shù)測(cè)試是以體積聲源在激勵(lì)點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)，然后測(cè)試目標(biāo)點(diǎn)和參考點(diǎn)的響應(yīng)函數(shù)。6個(gè)激勵(lì)源分別激勵(lì)，共得到6組激勵(lì)點(diǎn)-目標(biāo)點(diǎn)頻響函數(shù)和72組激勵(lì)點(diǎn)-參考點(diǎn)頻響函數(shù)。每組頻響函數(shù)的相干性應(yīng)保持在0.9以上。圖7為下表面激勵(lì)點(diǎn)對(duì)參考點(diǎn)的頻響函數(shù)。

圖7　下表面激勵(lì)點(diǎn)-參考點(diǎn)頻響曲線

3、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及分析

圖8為駕駛室內(nèi)司機(jī)位置噪聲的階次譜線，由圖可以看出40階和48階次噪聲較大，因其頻率較高，處于人耳敏感區(qū)域，能夠明顯被駕駛室內(nèi)人員感知，引起較大抱怨。

圖8　駕駛室內(nèi)噪聲階次圖

對(duì)聲輻射傳遞路徑實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，判斷驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲的2問題階次通過聲音輻射還是結(jié)構(gòu)傳遞引起駕駛室內(nèi)問題。

圖9　48階次噪聲輻射貢獻(xiàn)

圖10　40階次噪聲輻射貢獻(xiàn)

圖9和圖10為輻射噪聲總貢獻(xiàn)量與駕駛室階次噪聲對(duì)比。可以看出駕駛室內(nèi)48階和40階噪聲主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的聲音輻射引起。驅(qū)動(dòng)電機(jī)及附屬電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生比較大的階次噪聲，經(jīng)聲學(xué)包裝吸隔聲后，傳入駕駛室內(nèi)。由此可斷定，聲源輻射噪聲控制和聲學(xué)包裝性能提升是解決此問題的2條路徑。在聲源無法做較大改動(dòng)的前提下，提升聲學(xué)包裝材料吸隔聲性能至關(guān)重要，為下一步工作指明了方向。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，判定聲源假定的6個(gè)激勵(lì)點(diǎn)中，哪個(gè)位置輻射噪聲貢獻(xiàn)量最大，為聲學(xué)包裝優(yōu)化提供參考。

圖11　48階次噪聲后側(cè)激勵(lì)點(diǎn)貢獻(xiàn)量

圖12　40階次噪聲后側(cè)激勵(lì)點(diǎn)貢獻(xiàn)量

圖11和圖12為48階和40階噪聲后輻射表面貢獻(xiàn)量曲線，可以看出，駕駛室內(nèi)2問題階次噪聲，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)后方輻射傳遞。可以判斷防火墻吸隔聲水平對(duì)此問題貢獻(xiàn)量最大，聲學(xué)包裝的優(yōu)化工作可重點(diǎn)從此位置展開。

4、結(jié)論

電動(dòng)車階次嘯叫問題頻率較高，采用傳遞路徑分析時(shí)，因設(shè)備的限制無法采用結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑實(shí)驗(yàn)。而聲輻射傳遞路徑分析，對(duì)聲源定義、參考點(diǎn)選擇、體積聲源設(shè)置等要求較高，若要準(zhǔn)確預(yù)估目標(biāo)的響應(yīng)，既需要熟悉理論基礎(chǔ)，也需要相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。本文討論電動(dòng)汽車高頻階次嘯叫對(duì)駕駛室內(nèi)貢獻(xiàn)，工作要點(diǎn)可歸納為以下3點(diǎn)：

（1）提出電動(dòng)汽車問題頻率較高時(shí)，采用聲輻射傳遞路徑分析進(jìn)行問題調(diào)查；

（2）定義驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)聲源為6輻射表面激勵(lì)，采用逆矩陣法識(shí)別空氣載荷，分析輻射噪聲對(duì)駕駛室內(nèi)貢獻(xiàn)量；

（3）識(shí)別出聲源大小和聲音輻射傳遞是引起駕駛室內(nèi)問題的主要路徑，并提出防火墻吸隔聲優(yōu)化是改善此問題的主要方法，為下一步優(yōu)化指明方向。

[1] 嚴(yán)剛,夏順禮,張歡歡,趙彬,吳剛.某純電動(dòng)汽車車內(nèi)噪聲試驗(yàn)分析與識(shí)別[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2011,34(09):1298-1301.

[2] 何志剛,趙明星,徐興等.基于傳遞路徑分析的電動(dòng)汽車車內(nèi)噪聲研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(21):156-161.

[3] 侯鎖軍,史文庫(kù),毛陽.應(yīng)用傳遞路徑分析方法對(duì)方向盤抖動(dòng)貢獻(xiàn)量的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2013,47(03):132-136.

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Transfer Path Analysis of High Frequency Noise on Electric Vehicle

Song Lutao, Dong Bowen, Wang Hui, Wang Yang
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

According to high frequency problem of electric vehicle interior noise, the airborne transfer path analysis method is researched to identify the main reason for the interior noise problem. Six radiating surfaces of the driving motor system are supposed to point sources, and the driver inner ear noise is the target point，then the analysis model is established. The air sound loads of 6 points are identified with inverse matrix method, and the contribution of every path is obtained, which provides optimization direction for the solution of the problem. The research shows that the airborne transfer path analysis can be effectively applied to high frequency noise of electric cars analysis.

Vehicle interior noise; Sound quality; Psycho-acoustic parameters; Subjective and objective evaluation

U469.7

A

1671-7988（2015）12-77-04

宋魯濤，就職于華晨汽車工程研究院。