電動汽車電驅動高頻嘯叫噪聲評價方法研究

康 強，顧鵬云，李 潔，左曙光

（1.浙江汽車工程學院，杭州 310000； 2.浙江吉利汽車研究院有限公司，寧波 315000；3.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201800）

前言

隨著電池技術和智能網聯技術的發展，目前電動汽車已成為發展趨勢。與內燃機相比，電驅動總成的噪聲和振動的幅值很小，但仍然存在一些問題需要考慮。內燃機噪聲主要是低頻發火階次的機械和燃燒噪聲。汽車制造商對其內燃機聲品質已做了幾十年的研究。而電驅動總成噪聲則主要由電磁力和齒輪嚙合產生的高頻嘯叫階次噪聲，以及DC／AC脈寬調制產生的高頻傘狀噪聲［1］構成。目前在電動汽車整車開發中仍然是用通常用的指標聲壓級來評價其噪聲，而對其聲品質的研究不多。然而聲壓級并不能完全反映人對單調噪聲的主觀感受。由于沒有內燃機工作噪聲的掩蔽，這些高頻單調噪聲在許多工況下會很顯著。同時純電動汽車行駛時仍然有路噪、胎噪和風噪等，因此既要考慮單調噪聲的聲壓級，也應關注其它噪聲的掩蔽效應和反映乘員的主觀感受。Zwicker等研究指出，為掩蓋一個單調音，掩蔽音頻率每倍頻程須增大10 dB。也即頻率越高，所需的掩蔽音幅值越大［2］。文獻［3］中研究了聲品質參數PR（prominence ratio）和驅動電機單調音的閾值之間的關系，并得出不擾人的聲音為：800 Hz以上時PR小于3 dB，800 Hz以下時PR小于5 dB［3］。同時文獻［4］中建議對于單調噪聲可使用TNR（tone-to-noise ratio）和PR評價，但對于具有多個相近階次的噪聲，更加適合［4］。本文中對市場上一些不同品牌的純電動車的車內階次進行了評價和分析，目的是分析主要階次噪聲的特征、最大聲壓級、頻率和TNR與主觀感受的關系，為電驅動總成噪聲的目標設定提供參考。

1 嘯叫聲的評價指標TNR

TNR是用于分析單調噪聲的一個心理聲學指標。它的定義為單調音的能量與單調音所處的臨界頻帶的其它噪聲能量的比值，其中后者是將臨界頻帶的能量減去單調噪聲的能量得到。在信息技術和通信設備行業的機電產品噪聲評價時，由于主要是單調噪聲，常采用TNR指標，其定義為

根據ECMA—74標準［5］：如果兩個音調很接近，那么將其中較弱者的能量加到較強者之上；如果兩個音調有顯著的距離，則將它們視為獨立的音調。這個標準也提供了評價一個單調噪聲是否顯著的判斷標準：對于頻率高于1 000 Hz，TNR限值為8 dB；對于頻率低于1 000 Hz，TNR限值為8 dB＋8.33·log10（1000／ftone）dB；超過上述限值的單調音為顯著的，如圖1所示。

圖1 TNR的評價限值標準

2 測試說明

選取了7臺近年來較暢銷的純電動車型，如表1所示。這7臺車分別來自中國、日本、美國和德國，可認為這些電動車具有典型的全球代表性。表中列出了其電驅動總成的主要性能參數，包括電機和減速器的主要階次。從表中可以看出，除Tesla采用感應電機外，其它車型都采用內置式永磁同步電機。其電機主要階次分別為48，60和72階，等于電機的定子槽數。減速器輸入齒輪階次處于19～31階之間，減速器輸出齒輪階次處于7～10階之間。

由于全負荷工況（WOT）時動力總成噪聲最大，故均測試WOT工況下車內駕駛員耳旁噪聲（由于Tesla加速太快，以部分負荷工況進行測試，使0～100 km加速時間控制在8 s左右）。試驗在光滑平直瀝青路面上進行，從靜止全負荷加速到120 km／h，跟蹤電機轉速并記錄噪聲數據。試驗采用LMS數據采集系統，數據后處理采用5 Hz頻率分辨率。在實車評價時，專業評價人員采用整車主觀評價的10分制進行評價。另外，采用聲音回放與濾波，對主要階次噪聲進行主觀評分。

3 測試結果分析

3.1 聲壓級與TNR云圖分析

圖2～圖4示出其中3臺車的車內聲壓級和TNR云圖。

表1 測試的純電動汽車參數描述

圖2 BMW I3 WOT工況下的車內駕駛員耳旁聲壓級（左圖）和TNR（右圖）

圖3 Nissan LEAF WOT工況下的車內駕駛員耳旁聲壓級（左圖）和TNR（右圖）

從聲壓級云圖可以看出，電動車車內主要表現為電驅動總成的高頻階次噪聲。胎噪、路噪、風噪等噪聲隨車速增大其幅值和頻率寬度也增大。車速達到100～120 km／h時，這些寬頻主要頻率最高約達4 000～5 000 Hz。

圖4 Chevrolet BOLT WOT工況下的車內駕駛員耳旁聲壓級（左圖）和TNR（右圖）

從TNR云圖可以看出，由于每臺車電驅噪聲與背景噪聲的不同，導致TNR的表現不同。I3的電機階次72階TNR非常顯著，而LEAF和BOLT的電機階次不顯著。這與主觀感受一致。但I3的電機階次聲壓級卻是三者中最小的，如圖5所示。因此，不能單從聲壓級的大小來衡量人對高頻嘯叫聲的主觀感受，并用一個固定的聲壓級數值來設定指標。比較圖2～圖4，I3噪聲的72階所處的背景噪聲最小，但TNR卻最大。

圖5 3款車的車內電機階次對比

3.2 TNR與主觀評分對比

考慮整個加速工況中聲音最顯著的時刻，將所有車型各階次最大的TNR列出，如圖6所示。由于TNR越大，表示單調噪聲越顯著；而主觀評價分值越小，表示噪聲越顯著。因此，將10-主觀評價分與TNR進行對比。從圖中可以看出，各個階次的TNR的趨勢與主觀評分的趨勢基本一致。因此，可使用TNR指標來評價電動車高頻嘯叫噪聲。

3.3 最大的TNR和聲壓級及頻率分布

TNR的限值與頻率相關。為確定電動車嘯叫噪聲TNR指標的一般要求，將所有車型最大的TNR與對應的頻率和最大的聲壓級與對應的頻率列出，如圖7～圖9所示。

圖6 各車型主要階次TNR與主觀評分對比

從圖7左圖看出：電機階次TNR最大值頻率位于2-8 kHz之間，幅值大小為0～5 dB。其中BOLT和DENZA幅值最小，為0；其次是Geely，LEAF和Model X，分別為2和3 dB；最大的是QIN和I3，幅值為5 dB。從圖7右圖看出，聲壓級所反映的規律與TNR完全不同：LEAF和Model X的聲壓級是最大的，超過30 dB（A）。因此，目標設定時不能簡單地要求電機階次噪聲小于30 dB（A）。應該首先設定TNR的目標，再計算背景噪聲下對應的聲壓級。

從圖8左圖看出：減速器輸入齒輪階次TNR最大值頻率位于0.700-1.8 kHz之間，幅值大小為0～7 dB；其中BOLT和LEAF最小，分別為0和1 dB；其次是Model X，Geely和DENZA，分別為2和3 dB；最大的是I3和QIN，分別為5和7 dB。

從圖9左圖看出：減速器輸出齒輪階次TNR最大值頻率位于500-700 Hz之間，幅值大小為0～9 dB；其中LEAF和Geely最小，分別為0和2 dB；其次是Model X，I3和DENZA，分別為4，6和7 dB；最大的是QIN和BOLT，分別為8和9 dB。

圖7 各車型電機階次最大的TNR（左圖）和聲壓級（右圖）對比

圖8 各車型減速器輸入齒輪階次最大的TNR（左圖）和聲壓級（右圖）對比

圖9 各車型減速器輸出齒輪階次最大的TNR（左圖）和聲壓級（右圖）對比

圖8和圖9右圖聲壓級規律與左圖的TNR完全不同?？梢钥闯觯簻p速器齒輪噪聲聲壓級幅值較分散：輸入齒輪階次在42～49 dB（A）之間均有分布；輸出齒輪階次則分布在50～60 dB（A）之間。在設定齒輪階次目標時也不能簡單要求齒輪階次噪聲小于某一數值。

4 電動車電驅動嘯叫聲目標設定方法

根據上述分析，可歸納出電動車車內嘯叫聲的一般評價標準，如圖10所示。電驅動總成的主要階次可按照它們所處的頻率范圍設定相應的TNR目標。如要達到完全無嘯叫，則要求TNR≤1 dB（f＞1 kHz）和TNR≤2 dB（f＜1 kHz）。

圖10 電動車嘯叫噪聲TNR一般評價標準

確定各嘯叫階次的TNR目標后，再參考原型車或樣車估計車輛的路噪、胎噪和風噪頻譜，即可確定各嘯叫階次的聲壓級目標。最后可根據空氣聲傳播函數和結構聲傳播函數確定電驅動總成的單體NVH目標。其設計思路如圖11所示。

圖11 電驅動總成NVH目標設定方法

根據以上的分析，建議減速器輸入和輸出軸主動齒輪齒數盡可能選小一些，以便齒輪嘯叫聲頻率靠近路噪、胎噪和風噪頻率，從而能被有效遮蔽。

5 結論

本文中選取了7款市場上流行的純電動汽車，針對車內電驅動嘯叫進行了測試評價和分析。對全負荷工況下的車內聲壓級、TNR和主觀評分進行了對比，結果表明TNR與主觀感受是一致的，而聲壓級的大小并不能直接用來評價嘯叫的顯著度。根據電驅動總成3個主要階次的TNR分布，得出對應于電動汽車嘯叫顯著度的TNR數值范圍。最后總結了電驅動總成的NVH目標設定方法和建議。