基于運行工況傳遞路徑分析和串擾消除的車內噪聲分離技術研究

王海洋 舒歌群 劉海

（1.天津大學，內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津300300；3.河北工業大學，天津 300130）

1 前言

勻速行駛工況是整車NVH性能客觀測試的典型工況之一，也是車輛行駛過程中的常用工況。因此，勻速行駛時的車內噪聲成為整車NVH性能開發過程中的重要目標值之一。

駕乘人員感知的勻速車內噪聲可視作各類型噪聲疊加的綜合體，各子系統噪聲的組成與貢獻度無法精準地感知。因此，對于勻速行駛時車內噪聲組成，通過在發動機噪聲、路面激勵噪聲和風噪中尋找合適的平衡點，實現各主要噪聲源的優化組合，可實現優化車內噪聲聲品質的最終目標。現階段，主要應用頻率來簡單地分解出勻速噪聲的路面激勵噪聲和風噪，將400 Hz以下的頻率劃分為路面激勵噪聲，而500 Hz以上的頻率劃分為風噪，不利于整車的目標值設定。

運行工況傳遞路徑分析（Operational Transfer Path Analysis，OTPA）[1]是對傳統傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，TPA）[2]的改進，二者的本質區別是傳遞函數不同。OTPA用激勵參考信號表征原有的載荷激勵信號，只需在激勵部分的參考點和聲壓響應點布置傳感器，傳遞函數的計算只需考慮激勵參考點與聲壓響應點之間的傳遞特性，彌補了TPA方法的不足[3-4]。在國外，OTPA已被應用于解決NVH領域的問題。Sitter G D[5]等用二自由度系統和六自由度系統模型詳細推導了OTPA的理論表達式，并用有限元仿真驗證了其正確性；Klerk D D[6]建立了輪胎振動噪聲到車內駕駛員耳旁噪聲的OTPA模型，分析了各路徑的貢獻量，得到了輪胎影響駕駛員耳旁噪聲的主要傳遞路徑；Toome M研究了將OTPA應用到汽車低頻噪聲特性分析中，發現傳遞路徑貢獻量在低頻時出現過預測現象，并分析了原因[7]。在國內，吉林大學王登峰和李未[8]在傳遞路徑分析中考慮了各條路徑幅值和相應對目標響應點的綜合影響，識別出影響轎車平順性的懸架系統和動力總成的主要傳遞路徑；清華大學鄭四發等人將OTPA方法擴充到時域分析[9]；海軍工程大學張磊等人對OTPA方法存在的不足進行了改進[10]，并進行了驗證；金鵬[11]等人應用OTPA方法對某車輛車內噪聲的傳遞貢獻進行排序，找到了導致怠速車內轟鳴聲的主要激勵源；張志勇[12]等人利用OTPA方法對三路徑隔振系統的每條路徑進行振動傳遞能力分析，并利用路徑的振動傳遞貢獻量確定了振動傳遞的關鍵路徑。

本文結合OTPA技術和串擾消除技術，嘗試精準識別與分解勻速工況車內噪聲源，解決車內噪聲源于多聲源疊加原理，傳統方法無法從時頻域準確分解并分析噪聲源，導致車內噪聲難以準確控制的難題。

2 勻速噪聲組合分解方法

2.1 運行工況傳遞路徑分析

勻速行駛工況的車內噪聲是一個復雜的噪聲場，它既包含有相關性的噪聲，如動力總成噪聲和路面激勵噪聲，也包含無相關性的噪聲，如風噪和異響。依據OTPA的相關理論，可以將勻速運行車輛視作一個多輸入多輸出的系統，如圖1所示。

圖1 基于OTPA的多輸入多輸出模型

從圖1可知，時域信號xj(t)和yi(t)可以分解成有一定重疊性的數據塊，經過頻域的傅里葉變換后，可以將時域信號轉換為Xj(f,m),j=1…J和Yi(f,m),i=1…I，其中 f為測試數據的頻率，m=1…M為分解的數據塊。這樣，每個頻率 f的輸入信號可以寫作包含所有輸入信息和數據塊的矩陣X(f)：

對于接收點的每個麥克風，其測試值可以用1個行向量來表示：

那么從輸入 j到輸出i的傳遞函數Hj,i(f)也可以用行向量來表示：

接收點的測試數據中包含2個部分：與輸入信號有相關性的ti(t)和沒有相關性的ni(t)。因此，每個接收點的函數可以表示為：

與輸入信號相關的部分Ti(t)可以用濾波后的輸入信號的組合來擬合。輸入信號被加載的濾波器可以等同于乘以1個頻域的傳遞函數。那么上述公式可以表述為：

當數據塊的個數m大于輸入信號的個數時，傳遞函數矩陣求解的問題就會變成最小二乘優化的問題。那么傳遞函數可以計算為：

式中，X(f)+為X(f)的廣義逆矩陣。

由于xi(t)與ni(t)不相關，因此X與N之間也沒有線性關系。當數據塊的數量足夠多時，通過平均可以減小ni(t)的影響，此時濾波后的輸入信號的組合擬合為：

式中，hj,i(t)為與Hj,i(f)相當的脈沖響應。

相應地，輸出信號的測試值與OTPA的擬合值之間的差值，就是與輸入信號不相關的部分：

2.2 串擾消除技術

在車內噪聲傳遞過程中，各聲源之間會彼此產生串擾，給車內噪聲主導性的噪聲源分析造成一定困難。本文利用串擾消除技術[13-15]，對影響車內噪聲的聲源之間的串擾進行了理論分析，以此消除串擾，優化傳統傳遞路徑方法。

根據上述OTPA的理論分析可知，輸入信號的獨立性是建立噪聲分解精準模型的關鍵，但勻速行駛工況發動機因素對各噪聲源的影響是無法消除的。基于以上原因，式（8）中的ni(t)將包含風噪和發動機噪聲。發動機不僅影響接收信號，也會影響輸入信號。發動機的運轉會引起輪轂處的振動，其通過空氣傳播的輻射噪聲也會影響輪胎近場處麥克風的測試。因此，輸入的信號既包括輪胎激勵為主的信號，同時存在輪胎和發動機噪聲之間的串擾現象。利用串擾消除（Cross-Talk Cancellation，CTC）技術來消除發動機對輸入信號和接收點的影響（見圖2），之后基于新的輸入和輸出信號建立OTPA模型。

圖2 基于串擾消除的路面激勵噪聲分析模型

動力總成懸置系統本身質量較重，具有良好的隔振措施，動力總成振動響應受到路面激勵載荷的影響可以忽略，因此，OTPA方法可用于計算輪胎輸入信號中與發動機信號相關的成分。發動機振動是輸入信號，輪胎信號是OTPA模型的輸出信號，基于式（8）分析可發現，路面激勵噪聲輸入信號不受發動機影響。

發動機的結構噪聲和空氣噪聲（尤其是主階次）具有高相關性，因此，發動機上的振動信號作為輸入信號，可以移除輪胎近場中的與發動機結構噪聲有關的輻射噪聲部分。

3 應用組合技術設定勻速噪聲目標

在車內噪聲聲品質目標設定中，把整車目標值分解到各個零部件系統中是必不可少的。

目標設定通常基于整車生產商的在售車輛與相同等級的競爭車型的對比實現。通過對各競爭車型的勻速測試，應用OTPA和串擾消除的結合方法，可將勻速行駛工況的車內噪聲分解成動力總成噪聲、路面激勵噪聲和風噪，實現了車輛空氣傳播噪聲和結構傳播噪聲的劃分與貢獻量的確認。通過不同車輛之間的對比，可以將勻速行駛的車內目標分解成動力總成噪聲、路面激勵噪聲和風噪目標，使得勻速工況的目標設定更清晰和準確。

勻速噪聲的分解技術可以準確地識別噪聲的不同來源，據此可以精準地分析影響車內噪聲的不同噪聲源對應的頻率成分。

4 應用組合技術分解勻速車內噪聲

4.1 試驗方案描述

應用OTPA的方法對某車型和其對標車型的勻速工況進行車內噪聲的目標分解測試。其中在每個車輪的轉向節上接近軸心的布置三向加速度傳感器作為輪胎結構聲的輸入信號，在每個輪胎前、后各布置1個麥克風，作為輪胎空氣聲的輸入信號。在發動機所有懸置的主動端布置三向加速度傳感器，作為發動機結構聲的輸入信號，在發動機近場布置麥克風，作為發動機空氣傳播噪聲的輸入信號。在車內駕駛員右耳和后排右側乘員左耳處布置麥克風，作為系統的輸出信號。這樣就組成了有33個輸入信號和2個輸出信號的OTPA模型，如圖3所示。

圖3 運行工況勻速目標分解測試示意

試驗在實際光滑瀝青路面上進行，測試勻速60 km/h工況。

采用OTPA方法對車內噪聲進行3級逐級分解，如圖4所示，確認影響車內噪聲的最終目標噪聲源。

圖4 車內噪聲的3級分解

4.2 結果分析

應用OTPA方法對整改車型和競爭車型進行勻速噪聲第1級分解，如圖5所示。從圖5可以看出，整改車型的車內噪聲較競爭車型高約5 dB(A)，不論是結構聲還是空氣噪聲，整改車型都要遠高于競爭車型。但對于整改車型而言，其車內噪聲中結構噪聲的貢獻量稍大，占54%，而競爭車型中結構噪聲貢獻量為43%，因此結構噪聲是整改車型改進設計的主要目標。

圖5 勻速噪聲第1級分解頻譜

進一步開展結構噪聲的第2級分解研究，以明晰影響整改車型噪聲的根本原因。

采用OTPA方法對兩種車型結構噪聲與空氣噪聲進一步分解，如圖6所示。從圖6可以看出，路面激勵噪聲和風噪對兩車車內噪聲貢獻量均較大。將兩車路面激勵噪聲和風噪相比較，如圖7所示，路面激勵噪聲和風噪是整改車型落后于競爭車型的主要原因，結合第1級分解結果可知路面激勵噪聲是導致整改車型車內噪聲高于競爭車型的主要原因。

圖6 勻速噪聲第2級分解頻譜

圖7 路面激勵噪聲與風噪對比

利用組合技術進行目標車型與競爭車型勻速車內噪聲分解，明確噪聲源特征，據此可設置目標車噪聲源目標值，如表1所示。

表1 目標值設定 dB（A）

路面噪聲作為影響整改車型最主要的噪聲源，須基于OTPA方法對其進行第3級細化分解，如圖8所示，以此來確定前、后車輪的貢獻度。

圖8 第3級路面激勵噪聲分解頻譜

從圖8可以看出，與競爭車型相比較，整改車型的車內噪聲主要來源于2個后輪的激勵，因此，后輪傳遞路徑是整改車型車內噪聲的主要傳遞路徑。結合圖7中噪聲頻譜分析結果可以得到，整改車型的路面激勵噪聲主要受到后輪激勵頻帶的影響，同時在頻率點209 Hz、304 Hz和496 Hz處前輪激勵占主要貢獻量。

5 結束語

本文提出了基于OTPA與串擾消除聯合的方法快速準確地分解勻速工況下車內噪聲，確定噪聲源，與競品車相比較，明確目標車勻速車內噪聲的目標值。串擾消除應用該方法完成了目標車與競品車勻速噪聲的分解，明確了目標車與競品車路面激勵噪聲、風噪和發動機噪聲的貢獻量，確定了目標車各噪聲源與車內噪聲目標值。

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