整車電氣部件嘯叫問題分析與整改

練添生，馬 謙

（吉利汽車研究院 （寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

隨著人們生活水平的提高，汽車技術的發展，對于汽車的舒適性問題也越來越重視，收音機的嘯叫是用戶能輕易并明顯感知的，對于客戶的使用舒適性影響非常大，整車電磁兼容 (EMC)的干擾是目前導致收音機嘯叫極其重要的一個原因。盡管已經有比較完善的整車和零部件電磁兼容測試標準，但仍然不能保證整車在通過電磁兼容標準測試之后就不會再出現電磁兼容性的問題，整車在常規的EMC試驗過程中沒有出現異常，但在整車的其他試驗中發現嘯叫問題，通過初步排查認為是由于EMC干擾引起，主要來源于整車搭鐵的影響以及零部件本身的嘯叫。

1 整車嘯叫的類型

1.1 零部件本身器件嘯叫

在整車試驗中發現車內異響，排查并非經過揚聲器進行發聲，而是來源于機器本體發出的嘯叫，比如多媒體主機/行車記錄儀等，同時發現嘯叫的聲音在車速和發動機轉速不同的時候會出現不同頻率的嘯叫，比如車速100 km/h，轉速3500 r/min，加油門時，機艙尖銳哨音嘯叫。

1.2 整車搭鐵干擾引起的嘯叫

在整車試驗過程中發現從揚聲器中出現了嘯叫聲音，比如：電揚聲器有“滋滋”類似電流聲，踩制動揚聲器發出″嗒嗒″聲，整車怠速和不同轉速下揚聲器發出嘯叫聲。操作不同的功能都有可能會出現嘯叫，這種嘯叫頻率會比較一致，不會有明顯頻率的變化。

2 嘯叫的形成機理

2.1 由電容電感器件本身的振動導致的嘯叫

在嘯叫出現后對整車進行排查，發現嘯叫的來源為單件本身，并非從揚聲器輸出，最終定位為電容和電感的本身嘯叫；整車在正常運動過程中發電機發電給12 V蓄電池充電，同時給整車用電器供電，發電機發電中包含了交流成分，輸出電壓如圖1所示。

圖1 發電機輸出電壓

由于電壓電流波動會在周圍產生磁場，通電電感線圈會在磁場中受力振蕩產生嘯叫。拆開扼流電感線圈內部磁環，磁環采用的是金屬卷繞成環，如果卷繞較松，縫隙較大，周期性電流經過電感線圈，產生交變磁場，該電感線圈在交變磁場作用下產生振動而發出聲音，層與層之間會振動發聲，引起嘯叫，正是這種磁致伸縮效應引起了這樣的環直徑隨脈動電流大小、頻率產生相應變化而發聲，此發聲即人耳聽到的嘯叫。同時電壓波動對單件內部的濾波電容產生影響，此現象是陶瓷電容器的一個固有特征，當施加到電容器的電壓達到一定的值后，如果向高介電常數型的電容器施加交流電壓，由于電致伸縮效應，會造成多層電容器芯片伸縮)。由于陶瓷的強介電性引起的壓電效應，疊層電容在施加交流電之后會向疊層的方向發生伸縮。即與電路板平行的方向也會發生伸縮，結果導致電路板表面產生振動并能夠聽到聲音。通常情況下，因為這種振動頻率遠遠高于人耳可聽頻率范圍 (20 Hz～20 kHz)，所以即使向單體電容器施加人耳可聽頻率范圍的信號電壓，也不會形成人耳可聞程度的聲音 (嘯叫)。但是，如果將電容器封裝于基板，那么該振動會傳導至基板，振動就會放大(諧振)。其結果是人耳可以感知到類似于“吱吱”的聲音。雖然芯片和基板的振幅僅為1 pm～1 nm左右，但其聲音卻大到人耳輕易識別的程度。

使用示波器實測車輛電池發現，電源處會有很強的多次諧波干擾信號，諧波頻率會隨發動機轉速變化而不同，此干擾信號正好為音域頻率20 Hz～20 kHz之間，其疊加到電源電池上，隨轉速噪聲幅值增大而增加，經過轉速反復測試比對，此噪聲剛好與電源LC濾波電路形成正反饋共振，導致內部濾波電容形成“壓電效應”產生振動而發出嘯聲，所以在加油后轉速上升導致噪聲頻率增加使聲音變得尖銳。

2.2 車身搭鐵導致嘯叫

EMC干擾的耦合主要通過輻射和傳導的方式進行耦合，其中公共阻抗傳導耦合是其中一個重要路徑，公共傳導耦合是指噪聲通過印刷電路和機殼的搭鐵線/設備的安全搭鐵線以及搭鐵網絡中的公共搭鐵阻抗產生公共節點阻抗耦合，噪聲通過電源的公共電源阻抗產生公共電源阻抗耦合，整車車身作為一個公共搭鐵，車身上走了各種電器件的電源搭鐵線和信號搭鐵，同時車身也不是絕對的導體，存在一定的阻抗，導致車身搭鐵存在電壓波動。車身搭鐵電壓波動如圖2所示。

圖2 車身搭鐵上采集的信號

波動電壓經過天線金屬底座到屏蔽線屏蔽層進入到導航主機，流經主機Tuner&DSP到功放傳到揚聲器發出，如圖3所示。

3 整改方案

3.1 由于器件本身導致的干擾改善方案

由于正常發動機怠速是沒有異常的，是在車速及轉速增大時才產生，應該從電壓干擾方面來入手分析。采集發電機紋波，發現紋波在設計要求范圍內，那么應該是期間本身選型不合理導致的異常。

目前關于電容和電感的整改主要是通過提高電源的品質和改善本體本身的性質來解決此類問題，主要的整改方案如下。

圖3 典型的電磁干擾傳播途徑

1)更換同等容量、不同封裝的電容器件改善電感的工藝，能更好地濾除發動機對電源的干擾，解決本身壓氣效應產生尖銳哨音現象，提高單件的抗干擾能力及性能，所以，EMC方面不會有任何影響，功能不會存在任何風險。比如將電容類型從陶瓷電容更換為鉭電容。鉭電容的構造和陶瓷電容不同，不會產生電容嘯叫。

2)將電容/電感上大幅度變化的電壓信號消除或者將其頻率搬到人耳能聽得到的范圍以外，避免出現周期性的方波群落入音頻的范圍，從而避免電感的嘯叫。或者在紋波允許范圍內，適當降低紋波幅度，必要的話多加一級濾波。

由于車內所使用電網的交流成分主要來源于發電機，發電機的輸出大小和頻率會根據發動機轉速變換而變化，所以采用的解決方案1)能更加簡潔地解決當前問題，將47 uF電解電容替代2顆22 uF陶瓷電容。如圖4、圖5所示。

圖4 電容改善前電路

圖5 電容改善后電路

同電容嘯叫的解決方案一致，車內電源系統的改善會較為困難。若選用固體鐵粉磁芯電感扼流線圈，可以有效避免嘯叫發生。升級BOM，選用固體鐵粉磁芯扼流電感線圈，以避免由于內部磁芯材料在磁場中受力振蕩產生嘯叫，如圖6、圖7所示。

圖6 電感改善前電路

圖7 電感改善后電路

3.2 由車身搭鐵導致的干擾改善方案

由于搭鐵線導致的問題主要的處理方案為：改善地平面或者變更耦合路徑，針對怠速、踩轉速、踩制動、上電等情況，揚聲器的嘯叫和雜音整改。由于各種電器件的搭鐵都直接或間接地搭鐵走向車身，導致車身搭鐵不穩定存在壓差和波動，改善車身搭鐵上的干擾會比較困難，所以通過對導航主機的搭鐵線進行優化，可以有效濾除車身上的波動對揚聲器造成的影響，消除嘯叫、雜音。讓干擾信號不經過放大器，不進行放大可以有效減少干擾信號的影響，如圖8、圖9所示。

4 結論

1)不同車型，發動機及相關部件在電源中產生的干擾度不同，嚴重度也不同，只有將不同電子部件進行加強優化改善，有針對性改善，才能更好解決實際問題，積累更多的經驗。

圖8 改善前電路

圖9 改善后電路

2)對于電容/扼流電感線圈的選型，需要知曉其內部工藝/材料/磁環存在卷繞成環與固體鐵磁芯兩種不同的工藝。單件的各項功能的驗證必需以實車為基準。

3)遵循就近搭鐵原則，避免單件的搭鐵線過長導致的車身搭鐵上的干擾導入到單件中帶來的EMC問題。