基于聲傳函的嘯叫分析與優(yōu)化

姚斌輝

（恒大恒馳新能源汽車研究院（上海）有限公司）

嘯叫是最常見(jiàn)的車輛NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）問(wèn)題之一[1]，廣泛存在于動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)，如變速箱嘯叫、電機(jī)嘯叫、發(fā)電機(jī)齒鏈嘯叫等。嘯叫主觀感覺(jué)為“口哨聲”，客觀表現(xiàn)為具有明顯的階次特征，無(wú)論在傳統(tǒng)車輛還是新能源車輛中，均有可能出現(xiàn)。不同系統(tǒng)產(chǎn)生嘯叫的原因豐富多樣，但是從傳遞路徑的角度而言，嘯叫和其他噪聲問(wèn)題一樣，均通過(guò)空氣和結(jié)構(gòu)這2條路徑向車內(nèi)傳遞[2]。而空氣路徑與結(jié)構(gòu)路徑的疊加將增加排查分析的難度，如果能將空氣路徑分離出來(lái)，那么嘯叫問(wèn)題就會(huì)變得容易解決。因此，如何準(zhǔn)確地分離出空氣路徑的貢獻(xiàn)量顯得尤為關(guān)鍵。目前，大多數(shù)研究人員通常采用階次特征對(duì)比[3]或傳遞路徑分析(TPA)方法進(jìn)行傳遞路徑[4]的識(shí)別與分解。但是，采用階次特征對(duì)比方法，無(wú)法定量獲得貢獻(xiàn)量大小，一般需要配合改制方案進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。而傳遞路徑方法需要依賴LMS等商用設(shè)備和軟件，無(wú)法獲得其計(jì)算過(guò)程和中間數(shù)據(jù)。本文提出了基于傳函的空氣傳遞路徑識(shí)別方法，并闡述路徑貢獻(xiàn)量的計(jì)算原理。應(yīng)用該方法對(duì)某車型的齒輪嘯叫空氣傳遞路徑進(jìn)行了定量分析與識(shí)別。采用隔振分析對(duì)結(jié)構(gòu)傳遞路徑進(jìn)行了進(jìn)一步分析，最后確定了變速箱懸置為該嘯叫問(wèn)題的主要結(jié)構(gòu)傳遞路徑。

1 基于傳函的空氣傳遞路徑分析方法

1.1 聲傳函的測(cè)試方法

聲傳函指的是聲源到響應(yīng)點(diǎn)的聲傳遞函數(shù)。對(duì)于車輛而言，即動(dòng)力總成等聲源到車內(nèi)人耳處的聲傳遞函數(shù)。工程上通常采用基于能量法的聲傳遞函數(shù)來(lái)表示，即PBNR（power based noise reduction test）。其數(shù)學(xué)表達(dá)式[5]為

式中，W——點(diǎn)聲源在自由聲場(chǎng)內(nèi)的聲功率，W；

P——聲接收點(diǎn)聲壓，Pa；

P*——聲壓P的共軛，Pa；

Wref——參考聲功率，W；

Pref——參考聲壓級(jí)，Pa。

對(duì)于點(diǎn)聲源，其公式可簡(jiǎn)化為：

式中，Qa——聲源的體積加速度，m3/s2。

試驗(yàn)時(shí)，為提升試驗(yàn)效率，通過(guò)會(huì)根據(jù)聲場(chǎng)傳函的互易特性，將聲源置于乘客艙內(nèi)，而將傳聲器置于車外的各種聲音位置（發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎、排氣等）。然后測(cè)量聲源的體積速度和接收點(diǎn)的聲壓，并根據(jù)公式(2)計(jì)算得到PBNR隔聲量。

1.2 聲傳函與聲功率的關(guān)系

對(duì)公式(1)進(jìn)行換算可得：

式中，SWL——聲源聲功率，dB；

SPL——響應(yīng)點(diǎn)的聲壓級(jí)，dB。

也就是說(shuō)PBNR為聲源的聲功率與響應(yīng)點(diǎn)聲壓級(jí)的差值。對(duì)于PBNR測(cè)試來(lái)說(shuō)，SWL就是體積聲源的聲功率。而對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的車輛，SWL就是車輛的各種噪聲源。當(dāng)研究動(dòng)力總成的噪聲問(wèn)題時(shí)，SWL就是動(dòng)力總成聲功率；當(dāng)研究輪胎的噪聲問(wèn)題時(shí)，SWL就是輪胎聲功率。

對(duì)公式(4)進(jìn)行變換，得：SPL=SWL-PBNR。也就是只要知道聲功率和聲傳函，就能夠計(jì)算得到車內(nèi)的聲壓級(jí)，而這里計(jì)算得到的聲壓級(jí)是由聲功率輻射到車內(nèi)的聲音部分，也就是通過(guò)空氣傳遞路徑傳遞的聲音，即通常所說(shuō)的空氣聲。

1.3 聲傳函的轉(zhuǎn)換

由于最終聲壓是隨轉(zhuǎn)速的，所以需將PBNR轉(zhuǎn)成隨轉(zhuǎn)速變化的。因此，聲傳函轉(zhuǎn)換的思路如下：1)提取原始數(shù)據(jù)得到窄帶譜下的PBNR；2)根據(jù)階次關(guān)系計(jì)算頻率對(duì)應(yīng)下的轉(zhuǎn)速，如式(5)：

式中，N——轉(zhuǎn)速，r/min；

f——頻率，Hz；

order——階次。

從而得到隨轉(zhuǎn)速變化的PBNR，如圖1所示。

圖1 隨轉(zhuǎn)速變化的PBNR

1.4 聲傳函頻率的有效性分析

準(zhǔn)確計(jì)算得到車內(nèi)聲壓級(jí)的前提是聲傳函測(cè)試的準(zhǔn)確性，即分析頻段內(nèi)聲傳函的相干性要足夠高。圖2為PBNR測(cè)試時(shí)，聲源與響應(yīng)點(diǎn)的相干性。從圖2可以看到，100 Hz以上的相干性是良好的。

圖2 傳遞函數(shù)相關(guān)函數(shù)

2400 r/min的23階對(duì)應(yīng)920 Hz，從圖2中可以看到，920 Hz頻率段PBNR的相干性大于0.9，說(shuō)明PBNR的測(cè)試結(jié)果還是可信的。

2 某車型齒輪嘯叫分析實(shí)例

2.1 問(wèn)題描述

某車型在開(kāi)發(fā)過(guò)程出現(xiàn)嘯叫問(wèn)題。主觀評(píng)估6分，從2500～3000 r/min嘯叫比較明顯，嘯叫階次為23階，對(duì)應(yīng)頻率958～1150 Hz。

經(jīng)對(duì)變速箱本體振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)變速箱本體也存在23階振動(dòng)。經(jīng)調(diào)查，23階為變速箱齒輪嚙合的階次，初步判斷該階次嘯叫為變速箱嘯叫引起。

2.2 基于聲傳函的空氣聲分析

應(yīng)用基于聲傳函的空氣聲分析方法，分布測(cè)取動(dòng)力總成的聲功率SWL，和動(dòng)力總成到車內(nèi)的聲傳函PBNR。然后根據(jù)公式計(jì)算得到空氣聲的貢獻(xiàn)量，并將空氣聲的貢獻(xiàn)量與車內(nèi)的實(shí)測(cè)聲壓級(jí)進(jìn)行比較，如圖3所示。

圖3 空氣聲計(jì)算結(jié)果

3500 r/min以下時(shí)計(jì)算得到的空氣聲低于車內(nèi)聲壓的實(shí)測(cè)結(jié)果，而3500 r/min以上時(shí)吻合良好。具體來(lái)看，2500～3000 r/min范圍內(nèi)實(shí)測(cè)結(jié)果存在著明顯的峰值，遠(yuǎn)高于空氣聲計(jì)算結(jié)果，最大差值約為25 dB，這說(shuō)明在2500～3000 r/min時(shí)的嘯叫主要是由于結(jié)構(gòu)傳遞引起的，需對(duì)結(jié)構(gòu)分傳遞路徑進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.3 結(jié)構(gòu)路徑傳遞排查

該車型的動(dòng)力總成主要通過(guò)3個(gè)懸置與車身相連，懸置可能為23階嘯叫的傳遞路徑。對(duì)3個(gè)懸置的主被動(dòng)端振動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在變速箱懸置主被動(dòng)側(cè)存在明顯特征，進(jìn)一步對(duì)變速箱懸置進(jìn)行隔振分析。

隔振分析經(jīng)常被應(yīng)用于橡膠件中，以往的隔振分析經(jīng)常針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)階次進(jìn)行分析，如4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的2階、4階、6階和8階，其計(jì)算公式[6]為：

式中，β——隔振原件的隔振量；

Aactive——主動(dòng)側(cè)的振動(dòng)加速度，m/s2；

Apassive——被動(dòng)側(cè)的振動(dòng)加速度，m/s2。

將其推廣應(yīng)用于變速箱嘯叫階次，即可評(píng)估懸置對(duì)嘯叫階次的隔振能力。圖4為變速箱懸置的23階振動(dòng)的隔振量計(jì)算結(jié)果。可以看到，變速箱懸置的Y向和Z向在2500～3000 r/min范圍隔振量較低，23階對(duì)應(yīng)頻率為958～1150 Hz。

圖4 變速箱懸置隔振分析

對(duì)變速箱懸置支架進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，變速箱懸置被動(dòng)側(cè)支架的原點(diǎn)頻響曲線如圖5所示。可以看出，變速箱懸置被動(dòng)側(cè)支架的原點(diǎn)頻響函數(shù)在900～1150 Hz附近存在明顯峰值，即變速箱懸置被動(dòng)側(cè)支架在900～1150 Hz存在模態(tài)。

圖5 變速箱懸置被動(dòng)側(cè)支架頻響函數(shù)

2.4 對(duì)比驗(yàn)證

變速箱懸置支架被動(dòng)側(cè)加質(zhì)量（3 kg左右），車內(nèi)23階嘯叫對(duì)比如圖6所示。可看出，2500～3000 r/min范圍內(nèi)嘯叫明顯降低。同時(shí)，經(jīng)主觀評(píng)估，主觀分?jǐn)?shù)由6分提升至7分，嘯叫問(wèn)題得到解決。

圖6 車內(nèi)嘯叫對(duì)比

3 結(jié)論

針對(duì)嘯叫問(wèn)題，本文提出了基于傳函的空氣聲分析方法，并應(yīng)用該方法對(duì)某車型的變速箱嘯叫問(wèn)題進(jìn)行了分析和優(yōu)化，得到以下結(jié)論：1)將車輛的動(dòng)力總成噪聲源想象成點(diǎn)聲源，根據(jù)基于能量的聲傳遞函數(shù)定義，推導(dǎo)得到了聲源聲功率、車內(nèi)噪聲與聲傳函的關(guān)系，并基于此提出了空氣聲的計(jì)算方法。該方法可以應(yīng)用于包括變速箱嘯叫在內(nèi)的各種噪聲的傳遞路徑分析；2)通過(guò)階次與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可以將隨頻率變化的聲傳函通過(guò)差值轉(zhuǎn)換成了隨轉(zhuǎn)速變化的聲傳函；3)嘯叫通常發(fā)生在400 Hz以上，而聲傳函在上述嘯叫問(wèn)題頻率段具有很好的相干性，表明基于聲傳函的空氣聲分析方法可以準(zhǔn)確計(jì)算得到空氣聲的貢獻(xiàn)量；4)提出了高頻隔振的分析方法，可以通過(guò)對(duì)懸置嘯叫階次主被動(dòng)端振動(dòng)的分析，并計(jì)算隔振量，來(lái)定量分析懸置對(duì)嘯叫結(jié)構(gòu)傳遞的隔振能力，據(jù)此可以快速確定懸置的影響；5)懸置支架存在模態(tài)，在支架的共振模態(tài)所處的頻率段，懸置無(wú)法有效隔離嘯叫的結(jié)構(gòu)傳遞噪聲，從而導(dǎo)致明顯的嘯叫問(wèn)題。文章論述的傳遞路徑分析方法與嘯叫優(yōu)化方案對(duì)噪聲的傳遞路徑分析與整車NVH性能優(yōu)化有一定借鑒意義。