基于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的車內(nèi)振動(dòng)和噪聲階次分析*

陳 克，李春萍，李孟宇

(沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159)

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)汽車的乘坐舒適性和行駛平順性的要求越來越高.目前NVH(noise、vibration、harshness)是評(píng)價(jià)汽車乘坐舒適性的主要指標(biāo).車內(nèi)振動(dòng)主要包括兩類，一類是由發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)懸置元件傳遞到車身，再傳遞到車內(nèi)引起的振動(dòng)；另一類是路面激勵(lì)通過輪胎傳遞到車身，再傳遞到車內(nèi)，引起車內(nèi)振動(dòng).按照傳遞方式的不同，車內(nèi)噪聲主要可分為兩類：以發(fā)動(dòng)機(jī)為主體的動(dòng)力總成工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，經(jīng)過懸置元件傳遞到車身，引起汽車內(nèi)外的振動(dòng)并向車內(nèi)輻射的噪聲稱為結(jié)構(gòu)噪聲；發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲和汽車外部噪聲通過車身板件及孔隙直接傳入車內(nèi)的噪聲稱為空氣噪聲[1].良好的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)能夠降低振動(dòng)和噪聲向車內(nèi)的傳遞，提高汽車的乘坐舒適性.發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)振動(dòng)和噪聲的影響研究是控制車內(nèi)振動(dòng)和噪聲的重要環(huán)節(jié)[2].

本文采用階次分析方法，對(duì)測(cè)得的懸置振動(dòng)及車內(nèi)振動(dòng)和噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)車內(nèi)振動(dòng)和噪聲的影響，并計(jì)算各個(gè)懸置隔振率，分析振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的原因.

1 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)振動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)是對(duì)國(guó)內(nèi)某款三懸置發(fā)動(dòng)機(jī)的乘用車進(jìn)行振動(dòng)與噪聲實(shí)驗(yàn)，主要儀器包括：試驗(yàn)車輛、LMS多通道振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)采集儀、美國(guó)PCB壓電式三向加速度傳感器及丹麥GRAS聲壓傳感器(麥克風(fēng))等.

本次實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成的，不考慮風(fēng)噪等噪聲的影響，四周無遮擋物.設(shè)置采樣頻率為6 400 Hz，采樣時(shí)間為15 s(大于10 s).主要測(cè)試加速工況下(850～3 000 r/min)的振動(dòng)和噪聲信號(hào)，在懸置點(diǎn)和座椅滑道布置三向加速度傳感器，獲得振動(dòng)加速度信號(hào)，在乘員座椅耳旁布置麥克風(fēng)[3-4]，獲得車內(nèi)噪聲信號(hào).各傳感器的布置情況如圖1所示.

圖1 傳感器布置Fig.1 Sensor arrangement

2 階次分析原理

發(fā)動(dòng)機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào)，傳統(tǒng)的快速傅里葉變換(FFT)是等時(shí)間間隔采樣，低速時(shí)，旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)一圈采樣點(diǎn)多，高速時(shí)采樣點(diǎn)少，甚至轉(zhuǎn)動(dòng)一圈都沒有采樣點(diǎn)，若直接進(jìn)行快速傅里葉變換，容易產(chǎn)生“頻率混淆”現(xiàn)象[5].

階次分析是快速傅里葉變換的一種演變方法，是用恒定的角增量重采樣將時(shí)域下的非平穩(wěn)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻怯蚱椒€(wěn)信號(hào)，再用頻譜分析進(jìn)行處理[6].頻譜分析是用“秒”來記錄時(shí)間信號(hào)，經(jīng)過快速傅里葉變換得到水平軸是“頻率”的頻譜，而階次分析是用“轉(zhuǎn)速”來記錄信號(hào)，得到的快速傅里葉變換譜即“階次譜”.

階次和轉(zhuǎn)速、頻率之間的關(guān)系[7]可表示為

O=60f/n

(1)

式中：O為階次；f為頻率；n為轉(zhuǎn)速.

圖2為階次采樣的兩個(gè)過程，第一個(gè)過程為原始信號(hào)和轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)等時(shí)采樣過程，第二個(gè)過程為插值重采樣過程.根據(jù)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)速，來計(jì)算等角度采樣的時(shí)刻，對(duì)原始信號(hào)的這些時(shí)刻進(jìn)行插值重采樣，得到等角度域信號(hào).

圖2 階次采樣過程Fig.2 Order sampling process

假設(shè)參考軸在短時(shí)間內(nèi)作勻角加速運(yùn)動(dòng)，參考軸轉(zhuǎn)過的角度θ[8]可表示為

θ(t)=b0+b1t+b2t2

(2)

式中：b0、b1、b2為待定系數(shù)；t為時(shí)間.

對(duì)等時(shí)間間隔的連續(xù)3個(gè)采集到的脈沖，時(shí)刻為t1、t2、t3的信號(hào)進(jìn)行采樣，已知每2個(gè)脈沖之間的角度間隔為Δφ.

設(shè)第一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖到達(dá)時(shí)刻為t1，參考軸轉(zhuǎn)角為0，則有

求出b0、b1、b2，并把b0、b1、b2代入式(2)可得到所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角的重采樣時(shí)刻計(jì)算公式，即

(3)

根據(jù)式(3)求出重采樣時(shí)刻，并利用插值算法可以得到振動(dòng)和噪聲信號(hào)在重采樣時(shí)刻的幅值.得到所有重采樣時(shí)刻的幅值后，即可得到相應(yīng)信號(hào)的等角度采樣序列，對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換，即可得到階次譜.

通過對(duì)階次譜分析可以獲得不同階次下的能量分布，并可以得出能量大的階次對(duì)應(yīng)曲線，具體分析振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的原因.

3 車內(nèi)座椅振動(dòng)與懸置隔振

發(fā)動(dòng)機(jī)加速工作時(shí)的振動(dòng)和噪聲信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào)，所以采用階次分析進(jìn)行信號(hào)處理[9].

圖3為座椅滑道3個(gè)方向振動(dòng)階次圖，從階次圖不僅能夠清晰地看出不同階次下的能量分布，還能直觀地看出不同頻率下的能量分布情況.低速時(shí)，2階激勵(lì)對(duì)車內(nèi)振動(dòng)的貢獻(xiàn)量最大，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到2 000 r/min以上時(shí)，12、14、16、18階激勵(lì)對(duì)車內(nèi)振動(dòng)貢獻(xiàn)量較大；同時(shí)，頻率在1 000 Hz左右時(shí)，y方向和z方向出現(xiàn)強(qiáng)烈的帶狀振動(dòng).

車內(nèi)振動(dòng)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)經(jīng)過懸置元件傳遞到車內(nèi)產(chǎn)生的，通過測(cè)量三個(gè)懸置點(diǎn)被動(dòng)側(cè)的各個(gè)方向振動(dòng)，與車內(nèi)座椅滑道振動(dòng)相比較，發(fā)現(xiàn)右懸置x方向振動(dòng)與車內(nèi)座椅滑道x方向振動(dòng)階次圖相似，低頻時(shí)2階激勵(lì)貢獻(xiàn)量最大，高頻時(shí)12、14、16、18階激勵(lì)貢獻(xiàn)量較大.圖4為右懸置x方向振動(dòng)，同樣在575 Hz左右出現(xiàn)明顯的帶狀振動(dòng)，說明車內(nèi)座椅滑道x方向振動(dòng)主要是由右懸置x方向振動(dòng)引起的.

將3個(gè)懸置y方向振動(dòng)與車內(nèi)座椅滑道y方向振動(dòng)比較，發(fā)現(xiàn)左懸置y方向振動(dòng)與座椅滑道y方向振動(dòng)階次圖相似，低頻時(shí)2階激勵(lì)貢獻(xiàn)量最大，高頻時(shí)42階激勵(lì)貢獻(xiàn)量較大.圖5為左懸置y方向振動(dòng)階次圖，同樣在1 000 Hz左右出現(xiàn)明顯的帶狀振動(dòng)，說明座椅滑道y方向振動(dòng)主要是由左懸置y方向振動(dòng)引起的.

將3個(gè)懸置z方向振動(dòng)與車內(nèi)座椅滑道z方向振動(dòng)比較，發(fā)現(xiàn)左懸置z方向振動(dòng)與車內(nèi)座椅滑道z方向振動(dòng)階次圖相似，低頻2階激勵(lì)貢獻(xiàn)量最大，高頻時(shí)42階激勵(lì)貢獻(xiàn)量較大.圖6為左懸置z方向振動(dòng)階次圖，同樣在960 Hz左右出現(xiàn)明顯的帶狀振動(dòng)，說明車內(nèi)座椅滑道z方向振動(dòng)主要是由左懸置z方向振動(dòng)引起的.

圖3 座椅滑道振動(dòng)階次圖Fig.3 Order diagram of seat slide vibration

圖4 右懸置x方向振動(dòng)階次圖Fig.4 Order diagram of vibration in x direction of right mounting

圖5 左懸置y方向振動(dòng)階次圖Fig.5 Order diagram of vibration in y direction of left mounting

圖6 左懸置z方向振動(dòng)階次圖Fig.6 Order diagram of vibration in z direction of left mounting

發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)經(jīng)過懸置隔振，傳遞到車身的振動(dòng)被削減，懸置隔振性能越好，傳遞到車內(nèi)的振動(dòng)越小，對(duì)車內(nèi)振動(dòng)影響越小.懸置隔振性能好壞用隔振量來評(píng)價(jià)，當(dāng)隔振量大于20 dB時(shí)，懸置隔振性能良好.表1為3個(gè)懸置各個(gè)方向的隔振量，其中右懸置x向和左懸置y、z向隔振量都小于20 dB，說明懸置并沒有起到隔振效果，與階次分析結(jié)果基本一致，即車內(nèi)座椅滑道x方向振動(dòng)主要是由右懸置x方向振動(dòng)引起的，y、z方向振動(dòng)主要是由左懸置y、z方向振動(dòng)引起的.

表1 懸置隔振量Tab.1 Vibration isolation of mounting dB

4 車內(nèi)噪聲與懸置振動(dòng)

發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)不僅影響車內(nèi)振動(dòng)，也會(huì)對(duì)車內(nèi)噪聲產(chǎn)生影響.圖7為升速工況下駕駛員右耳噪聲聲壓階次圖，由圖7可以看出，車內(nèi)噪聲主要為低頻噪聲，聲壓值達(dá)到70 dB以上.車內(nèi)噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)關(guān)系緊密，最大的噪聲升壓出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)頻率時(shí).

圖7 噪聲聲壓階次圖Fig.7 Order diagram of noise sound pressure

圖8為右耳處噪聲階次轉(zhuǎn)速跟蹤圖，其中實(shí)線為噪聲總聲壓級(jí)，該試驗(yàn)車輛車內(nèi)噪聲值在75～85 dB之間，噪聲過大.2階激勵(lì)對(duì)總體噪聲水平貢獻(xiàn)量最大，當(dāng)轉(zhuǎn)速在850～2 700 r/min之間時(shí)，2階激勵(lì)幾乎與總聲壓級(jí)相等，發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)是引起車內(nèi)噪聲的主要原因.

圖8 噪聲階次轉(zhuǎn)速跟蹤圖Fig.8 Order rotational speed tracking diagram of noise

圖9為階次分析提取的懸置被動(dòng)側(cè)全階振動(dòng)和車內(nèi)噪聲總聲壓值對(duì)比圖[10]，由圖9可以看出，后懸置x向振動(dòng)和車內(nèi)噪聲曲線基本一致，說明后懸置振動(dòng)是引起車內(nèi)噪聲的主要原因.

5 結(jié) 論

通過進(jìn)行振動(dòng)與噪聲測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)得加速工況下懸置主動(dòng)側(cè)、被動(dòng)側(cè)振動(dòng)和車內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)處的振動(dòng)與噪聲信號(hào)，并采用階次分析方法進(jìn)行振動(dòng)和噪聲信號(hào)處理，分析可得：

1) 升速工況下，低速時(shí)2階激勵(lì)對(duì)車內(nèi)振動(dòng)的貢獻(xiàn)量最大.當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到2 000 r/min以上時(shí)，12、14、16、18階激勵(lì)對(duì)車內(nèi)振動(dòng)貢獻(xiàn)量較大，主要是由于右懸置和左懸置隔振性能不好引起的.車內(nèi)噪聲主要來源于發(fā)動(dòng)機(jī)的2階激勵(lì)，其中后懸置振動(dòng)是引起車內(nèi)噪聲的主要原因.

圖9 懸置振動(dòng)和車內(nèi)噪聲對(duì)比Fig.9 Comparison between mounting vibration and vehicle interior noise

2) 通過階次分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將時(shí)域非平穩(wěn)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻怯蚱椒€(wěn)信號(hào)，避免了頻率混淆，彌補(bǔ)了頻譜分析的不足，簡(jiǎn)單、高效地分析出了振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的原因.