某SUV整車室內(nèi)通過噪聲部件貢獻(xiàn)量分析與性能提升

陳 劍，高彬彬，殷金祥，鄧厚科，宋文鳳

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 噪聲振動(dòng)工程研究所，合肥230009；2.安徽省汽車NVH工程技術(shù)研究中心，合肥230009；3.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，合肥230601)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的全面發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，汽車保有量也大幅增加，隨之而來的就是汽車的噪聲污染問題越來越嚴(yán)重[1]。目前，降低汽車通過噪聲已成為各國(guó)及各汽車生產(chǎn)商的共同目標(biāo)。影響汽車通過噪聲的噪聲源有很多，其中主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、輪胎以及傳動(dòng)系。當(dāng)汽車通過噪聲超標(biāo)時(shí)，為了進(jìn)行達(dá)標(biāo)整改，需要研究各主因素對(duì)通過噪聲的貢獻(xiàn)比重，并依據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)相關(guān)子系統(tǒng)的改進(jìn)。以往通常在室外試車場(chǎng)地上使用屏蔽法對(duì)通過噪聲進(jìn)行貢獻(xiàn)量分析試驗(yàn)，因此易受標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定的嚴(yán)苛天氣條件的影響，同時(shí)也不能保持測(cè)試的一致性。本文在半消聲室內(nèi)針對(duì)某運(yùn)動(dòng)型多用途汽車整車（Sport Utility Vehicle，SUV）在試制階段使用屏蔽法對(duì)室內(nèi)通過噪聲超標(biāo)問題進(jìn)行主因素貢獻(xiàn)量分析研究。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)條件

（1）試驗(yàn)場(chǎng)地：半消聲室。

（2）試驗(yàn)環(huán)境：GB 1495-20××草案規(guī)定的氣象及聲學(xué)環(huán)境。

1.2 試驗(yàn)儀器

主要設(shè)備及軟件：聲學(xué)照相機(jī)；LMS 48 通道采集前端及其軟件；傳聲器等附件。

2 主要噪聲源定位

由于該車目前處于試制階段，對(duì)其行駛過程中各噪聲源的具體位置及噪聲輻射強(qiáng)度的大致排序尚不明確，所以在對(duì)被測(cè)車輛進(jìn)行通過噪聲貢獻(xiàn)量分析之前使用聲學(xué)照相機(jī)對(duì)噪聲源進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位，從而提高后續(xù)試驗(yàn)的針對(duì)性與準(zhǔn)確性。

2.1 聲學(xué)照相機(jī)基本原理

聲學(xué)照相機(jī)的硬件部分主要包括一個(gè)高靈敏度傳聲器陣列和信號(hào)檢測(cè)處理器[3]。聲學(xué)照相機(jī)工作時(shí)，陣列上的各傳聲器陣元對(duì)聲場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采樣，然后聲學(xué)照相機(jī)軟件通過波束形成方法計(jì)算出聲源的空間信息和強(qiáng)度信息，以彩色等高線圖譜的形式顯示出直觀的圖像并與由陣列上配裝的攝像頭所拍的實(shí)景視頻圖像疊加在一起，從而可以高效準(zhǔn)確地得出被測(cè)對(duì)象中各聲源的位置及強(qiáng)度信息。

2.2 噪聲源識(shí)別試驗(yàn)

被測(cè)車輛置于半消聲室內(nèi)的低噪聲四驅(qū)轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)上，并且其中心線應(yīng)盡可能地接近轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)的中心線[4–5]。根據(jù)聲學(xué)照相機(jī)的測(cè)試要求在半消聲室內(nèi)布置安裝相應(yīng)的傳感器，同時(shí)盡量保證傳聲器陣列平面與汽車噪聲輻射平面平行[6]。在被測(cè)車輛基于GB 1495-20××草案確定的試驗(yàn)工況[2]行駛時(shí)，對(duì)其不同側(cè)面進(jìn)行測(cè)量。其中幾種聲學(xué)照相機(jī)的布置位置如圖1所示。

2.3 測(cè)量結(jié)果與分析

通過綜合分析各個(gè)位置的測(cè)量數(shù)據(jù)，得出輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣消聲器、進(jìn)氣口為汽車通過噪聲的主要噪聲源。其中輪胎和發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲輻射強(qiáng)度較其它噪聲源明顯偏大，這兩個(gè)位置處的聲成像結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)上述分析結(jié)果，下一步就可以對(duì)被測(cè)車輛采取針對(duì)性的聲學(xué)屏蔽措施，進(jìn)行噪聲貢獻(xiàn)量分析試驗(yàn)。

3 室內(nèi)通過噪聲貢獻(xiàn)量分析

3.1 試驗(yàn)方法

轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)的中心線左右兩側(cè)7.5 m 處布置傳聲器陣列，其長(zhǎng)度不小于GB 1495-20××草案規(guī)定的AA′線與BB′線之間的距離，即20 m。本試驗(yàn)中，每側(cè)布置21個(gè)傳聲器，相鄰兩個(gè)傳聲器的距離為1 m。進(jìn)行通過噪聲試驗(yàn)時(shí)通過設(shè)置轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)由轉(zhuǎn)轂?zāi)M被測(cè)車輛特定的運(yùn)行工況，然后開展通過噪聲測(cè)量工作。

圖1 聲學(xué)照相機(jī)布置位置

圖2 聲學(xué)照相機(jī)成像

為了提高試驗(yàn)效率，采用逐一拆除屏蔽的方法對(duì)各主因素進(jìn)行分析。在噪聲源屏蔽方式上進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：輪胎屏蔽采用自行設(shè)計(jì)的內(nèi)附吸聲玻璃棉的屏蔽箱；進(jìn)氣口屏蔽采用大容積附加消聲器，并且保證其進(jìn)氣阻力與原車相當(dāng)；排氣尾口屏蔽采用大容積附加消聲器；自帶排氣消聲器屏蔽采用防火性和吸聲性較好的巖棉包裹。同時(shí)注意采用上述措施進(jìn)行屏蔽時(shí)應(yīng)盡量減輕對(duì)被測(cè)車輛結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響。被測(cè)車輛的全屏蔽狀態(tài)如圖3所示。

圖3 被測(cè)車輛全屏蔽狀態(tài)

根據(jù)如下步驟，分別測(cè)量車輛在勻速和加速工況下的通過噪聲。

（1）車輛全屏蔽，測(cè)量通過噪聲；

（2）車輛拆進(jìn)氣口消聲器，測(cè)量通過噪聲；

（3）車輛拆排氣尾口消聲器，測(cè)量通過噪聲；

（4）車輛拆自帶排氣消聲器巖棉包裹，測(cè)量通過噪聲；

（5）車輛拆輪胎屏蔽箱，測(cè)量通過噪聲。

3.2 測(cè)量結(jié)果與分析

3.2.1 通過噪聲測(cè)量結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)采集的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后，分析左右兩側(cè)加速工況下響應(yīng)最大處的有效聲壓級(jí)，并基于GB 1495-20××草案對(duì)該處勻速和加速工況下的通過噪聲進(jìn)行加權(quán)合并，得到最終的車輛通過噪聲。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)及加權(quán)結(jié)果如表1所示。

由以上試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用聲能疊加原理[7]依次求出被測(cè)車輛動(dòng)力總成（發(fā)動(dòng)機(jī)+傳動(dòng)系統(tǒng)）、進(jìn)氣口、排氣尾口、自帶排氣消聲器以及輪胎對(duì)通過噪聲的貢獻(xiàn)量及對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率。

表1 通過噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)及加權(quán)結(jié)果/dB(A)

3.2.2 相關(guān)理論分析

（1）聲能疊加原理

如果一個(gè)聲場(chǎng)中有n個(gè)聲源，且這n個(gè)聲源發(fā)出的聲音不是相同頻率的單頻音時(shí)，則這n 個(gè)聲源在此聲場(chǎng)某點(diǎn)處疊加后的總聲壓級(jí)Lp為

式中：Lpi為第i個(gè)聲源傳播到該點(diǎn)處的聲壓級(jí)。

已知n 個(gè)聲源在某點(diǎn)處疊加后的總聲壓級(jí)為L(zhǎng)p，如果屏蔽掉第i 個(gè)聲源后的總聲壓級(jí)為L(zhǎng)p(n-1)，則第i個(gè)聲源的聲壓級(jí)Lpi為

（2）聲能貢獻(xiàn)率

根據(jù)聲能疊加原理可知聲場(chǎng)中單個(gè)噪聲源i 對(duì)總聲壓級(jí)的聲能貢獻(xiàn)率η為

3.2.3 噪聲貢獻(xiàn)量計(jì)算結(jié)果

依據(jù)3.2.2 計(jì)算得出的各噪聲源貢獻(xiàn)量及對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率如表2所示。

表2 各噪聲源貢獻(xiàn)量及對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率

通過表2 可知，各噪聲源按貢獻(xiàn)量大小的排序?yàn)椋狠喬?動(dòng)力總成>進(jìn)氣口>自帶排氣消聲器。

4 改進(jìn)和驗(yàn)證

4.1 對(duì)該車采取的整改措施

由于輪胎為影響通過噪聲的主要噪聲源，拆除輪胎屏蔽箱后，通過噪聲值升高非常明顯，因此首先選擇對(duì)輪胎進(jìn)行優(yōu)化。其次對(duì)動(dòng)力總成的主要組成部分發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行聲學(xué)屏蔽整改。進(jìn)氣口對(duì)通過噪聲也有較大的貢獻(xiàn)量，在頻譜分析的基礎(chǔ)上對(duì)原進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。具體整改措施如下。

（1）針對(duì)原輪胎進(jìn)行外緣尺寸、胎面花紋形狀及花紋深度的優(yōu)化，通過對(duì)比測(cè)量，選用一款合適的輪胎。

（2）在發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩蓋內(nèi)部增設(shè)不低于10 mm厚的吸聲棉，并在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管上部增設(shè)局部吸隔聲罩蓋。

（3）由圖4 可知拆進(jìn)氣口消聲器后勻速工況下的通過噪聲變化不顯著，而加速工況下的通過噪聲在40 Hz～80 Hz的低頻段有較大增量。因此對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以降低加速工況下的低頻段噪聲。

圖4 進(jìn)氣口消聲器拆除前后通過噪聲三分之一倍頻程分析對(duì)比

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采取整改措施后按如下車況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（1）更換低噪聲輪胎（車況一）；

（2）更換低噪音輪胎+發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩蓋內(nèi)部增加吸音棉+進(jìn)氣歧管上部增加吸隔聲罩蓋+優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（車況二）。

2 種車況下的驗(yàn)證結(jié)果與原車的對(duì)比如圖5所示。

圖5 室內(nèi)通過噪聲對(duì)比

車輛通過噪聲的具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3 可知采取整改措施后，被測(cè)車輛的室內(nèi)通過噪聲從原來的70.6 dB(A)降低2.8 dB(A)到67.8 dB(A)，小于68.0 dB(A)的目標(biāo)值，滿足了該型汽車通過噪聲的對(duì)標(biāo)要求。

為驗(yàn)證室內(nèi)外達(dá)標(biāo)的一致性，筆者又對(duì)被測(cè)車輛進(jìn)行了室外通過噪聲試驗(yàn)，結(jié)果顯示車況二下的通過噪聲為67.3 dB(A)，同樣滿足對(duì)標(biāo)要求。

表3 驗(yàn)證結(jié)果/dB(A)

5 結(jié)語

（1）在室內(nèi)進(jìn)行通過噪聲貢獻(xiàn)量分析試驗(yàn)避免了嚴(yán)苛天氣條件的影響，并且只對(duì)被測(cè)車輛進(jìn)行一次定置測(cè)量，對(duì)比室外多次往返試驗(yàn)而言，測(cè)試的一致性更高。

（2）因?yàn)楸粶y(cè)車輛定置行駛，所以在進(jìn)行通過噪聲貢獻(xiàn)量分析前可以使用聲學(xué)照相機(jī)對(duì)車輛噪聲源進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位，從而提高試驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)成本。

（3）通過逐一拆除屏蔽的方法得到了各主因素對(duì)通過噪聲的貢獻(xiàn)量和對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率。

（4）基于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析采取相應(yīng)的整改措施并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了整改措施的有效性，使該車基于GB 1495-20××草案的通過噪聲達(dá)到了對(duì)標(biāo)要求。