高速汽車駕駛員耳側噪聲貢獻量分析

李文武，劉寧寧，王巖松，郭 輝

（上海工程技術大學 汽車工程學院，上海 201620）

相關研究表明[1,2]：當車輛高速行駛時，車外氣動噪聲與輪胎輻射噪聲對車內乘員耳側噪聲的影響比重逐漸上升，當車速達到100 km/h時氣動噪聲為車內噪聲的主要影響因素。對于高速行駛的轎車，車外氣流經過后視鏡、A柱等突起位置產生偶極子噪聲源。該類噪聲源通過車身結構傳遞到駕駛員耳側，影響駕駛和乘坐舒適性。由于20世紀90年代初才興起對汽車氣動噪聲的研究，所以對汽車行駛過程中氣動噪聲的研究還不夠深入，許多基礎問題并未得到解決，難以對汽車行駛過程中產生氣動噪聲進行定量分析[3-6]。因此，在沒有聲學風洞等試驗條件的情況下，通過實車高速公路試驗探究高速汽車車外相關位置的氣動噪聲、輪胎輻射噪聲對駕駛員右耳側噪聲的影響。利用傳遞路徑分析方法探究高速工況下，不同類型、位置的車外噪聲源的頻譜特性，對駕駛員耳側空氣噪聲進行定量分析。為相關的高速車輛車內噪聲的研究提供參考依據。

1 傳遞路徑分析（TPA）的基本原理

從噪聲傳播的“源-路徑-接受者”模型角度考慮，想要研究高速汽車產生的噪聲對駕駛員耳側噪聲的貢獻量，需要知道高速工況下車外氣動噪聲信號和相應的到駕駛員耳側路徑的噪聲傳遞特性。因此采用傳遞路徑分析方法（Transfer PathAnalysis）對駕駛員耳側的氣動噪聲和輪胎輻射噪聲進行貢獻量分析，該分析方法有利于直觀地分析不同類型、位置的噪聲源對駕駛員耳側噪聲的影響。傳遞路徑分析方法（TPA）的假設前提是系統為線性時不變，則車內的噪聲聲壓或振動水平等于各激勵源以工作載荷激勵時沿不同路徑傳播到車內的能量的疊加。即各位置的工作載荷乘以對應路徑的傳遞函數等于響應點的噪聲信號。本文研究側重于高速工況下車外空氣噪聲源對駕駛員耳側噪聲的影響。圖1為采用的空氣聲TPA基本模型。

圖1 空氣聲TPA模型示意圖

對于研究空氣傳播噪聲而言，由于路徑上不存在耦合點，所以如果有n個輻射聲源，則有n條到達目標點的傳遞路徑，而目標點的總聲壓就等于各個路徑貢獻量的總和。空氣聲TPA的傳遞函數測量方法有直接法與互易法兩種。由于一般情況下汽車的噪聲源處空間有限，不易布置體積聲源，所以在測量時可以采取互易法，即將體積聲源放置在車內目標點的位置，而將聲傳感器放在各個噪聲源處，以此便能測得各條路徑的傳遞函數，文中采用互易法測量各噪聲源測點位置到駕駛員右耳路徑的傳遞函數，并用對應噪聲源附近的參考聲壓等效成輸入聲壓信號。

2 空氣聲TPA模型的建立

空氣聲傳播的TPA模型采用直接法建立。如式1所示。

式中：PMN為車內目標點的總聲壓；為傳遞路徑i上的聲壓貢獻量；為路徑i上的傳遞函數；為傳遞路徑i上的工作輸入。

通過測得各測點位置到駕駛員右耳位置路徑的傳遞函數，并在實際工況下測得各測點位置附近的近場參考聲壓向量，由公式（1）即可求得各傳遞路徑和對應工作輸入對目標點的聲壓貢獻量，通過對多個測點信號及其傳遞路徑的貢獻量進行擬合，即可得車內目標響應點總聲壓[7-11]。

3 試驗測量

試驗主要分為傳遞函數測試和工況載荷測量兩個部分。根據國標《GBT18697-2002聲學汽車車內噪聲測量方法》、《ISO 5128-2014聲學 汽車內的噪聲測量》等標準和研究內容需要制定實驗方案[13-14]。

3.1 路試

使用風速計和溫度儀測量試驗路段風速和溫度，試驗車輛為某款中級轎車。試驗設備為西門子公司的LMS數采設備。根據上述汽車噪聲采集標準確定一次數據采集時長15 s。研究對象為駕駛員耳側噪聲信號，綜合考慮人耳聽閾范圍（20 Hz～200 00 Hz）及奈奎斯特采樣定律，確定信號采樣頻率為51 200 Hz，分辨率為1 Hz。傳聲器測點選取最為典型的A柱、后視鏡等風噪聲較大的位置。具體位置如表1所示。

表1 傳聲器測點位置

試驗在某高速路段上進行，以80 km/h、100 km/h、120 km/h 3種勻速工況行駛。

3.2 傳遞函數測試

為減小外部環境噪聲的影響，傳遞函數測試在半消聲室內進行。測試主要使用LMS數據采集系統、體積聲源、聲學傳感器等設備。在半消聲室進行傳遞函數測試時，傳感器測點位置和路試時保持一致。傳遞函數采用互易法測量，將傳感器測點布置好后，將體積聲源固定在駕駛員右耳傳感器附近，采用Random觸發信號，即可測出各傳遞路徑的聲-聲傳遞函數。圖2為傳遞函數測試部分測點示意圖。

4 試驗結果與分析

4.1 傳遞函數分析

圖3為左、右A柱頂端到駕駛員右耳路徑的噪聲傳遞函數，圖中可以看出兩者的整體分布趨勢一致，曲線分布較為平緩，主要峰值集中于2 000 Hz之前。其它如左后視鏡、右后視鏡等對稱位置到駕駛員右耳的傳遞函數都有相似的對稱特性，后續不再一一贅述。

圖2 相關測點示意圖

圖3 左、右A柱頂端到駕駛員右耳傳遞函數

圖4為左A柱的頂端和底端到駕駛員右耳路徑的傳遞函數。

圖4 左A柱測點到駕駛員右耳

中高頻段范圍內，A柱底端測點位置到駕駛員右耳側路徑傳遞函數大于A柱頂端測點到駕駛員右耳路徑傳遞函數，即A柱頂端測點位置到駕駛員耳側路徑隔聲效果更好。

圖5為車身左側相關測點到駕駛員右耳側路徑的傳遞函數。圖中傳遞函數幅值差異較大，左A柱頂端及底端、左后視鏡到駕駛員右耳側路徑傳遞函數在20 Hz～10 000 Hz范圍內要明顯大于左前輪、左后輪和進、排氣口到駕駛員右耳側路徑，即隔聲效果較差。

圖5 車身左側及進、排氣口測點到駕駛員右耳路徑傳遞函數

4.2 工況信號分析

圖6、圖7為路試時各測點工況信號。圖中看出，工況信號的能量主要集中在2 000 Hz之前的頻段范圍。車速越高，駕駛員右耳側的A計權聲壓級信號也越高。各測點工況信號主要有兩個峰值凸起，駕駛員右耳信號的第一個峰值頻段為50 Hz～500 Hz，第二個峰值頻率在1 000 Hz附近，其余測點信號兩個能量峰值主要在120 Hz與1 000 Hz附近。

圖6 3種車速下駕駛員耳側實測A計權聲壓級信號

4.3 TPA分析

由上述分析可知，駕駛員右耳側噪聲信號能量主要集中在20 Hz～2 000 Hz的頻段范圍內，因此貢獻量分析的頻率范圍主要針對20 Hz～2 000 Hz。

綜合考慮噪聲路徑傳遞函數和車外測點工況載荷信號計算得到貢獻量曲線。圖8為120 km/h車速時部分測點信號貢獻量曲線。可以發現，車輪、A柱等測點信號對駕駛員右耳噪聲貢獻量主要集中在200 Hz以下的低頻范圍。計算該頻段范圍內貢獻量的均方根值，得到不同位置貢獻量由大到小依次為右前輪、右后輪、排氣口、右后視鏡、進氣口、右A柱底端、右A柱底端，對應聲壓級數值如圖8所示。

圖7 120 km/h車外測點工況信號

圖8 120 km/h部分測點信號貢獻量

圖9為選取20 Hz～2 000 Hz頻率范圍各測點信號對駕駛員右耳噪聲貢獻量的均方根值（RMS）。隨著車速的提升，各測點貢獻量均有不同幅度增加。三種車速狀態下，車輪輻射噪聲貢獻量在整體貢獻量中占據較大比重。隨著車速從80 km/h上升到120 km/h的過程中，車輪輻射噪聲貢獻量的增幅明顯小于后視鏡及A柱等測點位置風噪聲貢獻量增幅；在試驗選取位置的噪聲信號中，后視鏡位置風噪聲逐漸成為駕駛員右耳側噪聲的主要影響因素。

圖10為120 km/h車速時各測點信號在駕駛員耳側傳遞路徑貢獻量與實測信號對比圖，圖中可以看出在20 Hz～10 000 Hz頻率范圍內合成信號和實測信號兩者趨勢一致，幅值之間存在一定的誤差。誤差產生的原因主要可以歸結于如下幾個方面：

（1）實測駕駛員耳側的噪聲包括空氣聲和結構聲兩部分的貢獻量，而本次研究中只考慮了空氣聲的貢獻量，沒有考慮車身結構輻射噪聲、動力總成噪聲、路面不平度等結構噪聲貢獻量。

圖9 20 Hz～2 000 Hz各測點信號貢獻量均方根值

（2）車輛高速運行時，車外風噪聲中的泄露噪聲無法通過傳遞路徑方法進行分析，貢獻量計算中沒有考慮泄露噪聲。

（3）試驗限制，傳聲器測點的數量較少，無法包含車外全部的氣動噪聲源。

圖10 120 km/h駕駛員右耳實測及TPA擬合信號

圖11為120 km/h車速下各測點信號的貢獻量譜圖。圖中可以看出，汽車前輪輻射聲貢獻量和后視鏡湍流噪聲貢獻量在20 Hz～400 Hz頻率范圍較為集中。A柱頂端和底端測點的貢獻量在20 Hz～2 100 Hz范圍內分布較為平均。右A柱頂端、右A柱底端和左后視鏡在900 Hz有一個能量集中頻率點；右A柱頂端和底端、左A柱頂端和低端、后視鏡位置貢獻量在2 100 Hz有一個能量集中頻率點。

5 結語

本文將傳遞路徑分析方法（TPA）應用于高速汽車氣動噪聲和輪胎輻射噪聲的研究上。分析了不同測點位置到駕駛員右耳的噪聲傳遞特性。對高速汽車駕駛員耳側主要影響噪聲源進行了定量分析。確定了不同車身位置氣動噪聲和輪胎輻射噪聲對駕駛員耳側噪聲貢獻能量的主要分布范圍。

圖11 120 km/h貢獻量譜圖

研究表明：

（1）在20 Hz～10 000 Hz范圍內，A柱頂端、底端及后視鏡測點到人耳側傳遞路徑相比于車輪和進、排氣口到駕駛員右耳側路徑更易傳遞噪聲；中高頻段范圍內的噪聲，相比于A柱頂端測點位置而言，從A柱底端位置更容易傳遞到駕駛員耳側；

（2）對比3種車速下駕駛員右耳實測信號可以看出，汽車高速行駛過程中，駕駛員耳側噪聲能量主要集中在20 Hz～2 000 Hz的頻段范圍內。

(3)隨著車速的提升，后視鏡及A柱等位置的風噪聲貢獻量增幅大于輪胎輻射噪聲和進、排氣口的貢獻量增幅，逐漸成為駕駛員耳側噪聲主要影響因素。

(4)汽車前輪輻射聲和后視鏡湍流噪聲對駕駛員右耳噪聲的貢獻量主要集中在20 Hz～400 Hz范圍內，A柱頂端、底端測點風噪聲貢獻量主要均勻分布在20 Hz～2 100 Hz頻段范圍內。