整車隔聲量測試研究

張忠東, 吳洪亭, 黃顯利, 劉鑫明, 王 珂

(1.中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252022;2.山東省新能源客車安全與節(jié)能重點實驗室, 山東 聊城 252022)

汽車聲學(xué)包是汽車上阻隔噪聲傳播、吸收噪聲和減振降噪部件的總稱,是保證車內(nèi)靜音工程的關(guān)鍵手段之一,是影響汽車品質(zhì)感的重要因素[1]。在車輛的聲學(xué)包開發(fā)過程中,通常會設(shè)定相關(guān)的聲學(xué)指標,常用聲學(xué)包評價指標包括隔聲量NR、聲傳函ATF以及基于聲功率的隔聲量PBNR等[2-3]。本文在理論分析各評價指標的基礎(chǔ)上,明確了PBNR較NR和ATF的優(yōu)越性,并借助LMS測試系統(tǒng)(包括LMS Test.lab軟件及數(shù)據(jù)采集前端設(shè)備)及中高頻體積聲源設(shè)備進行試驗測試及數(shù)據(jù)計算,確定了測試及計算過程中的注意事項。

1 常用評價指標分析

為了明確常用聲學(xué)包評價指標NR、ATF、PBNR之間的關(guān)系及評價合理性,建立如圖1所示的“源—路徑—響應(yīng)”模型。圖1中左側(cè)區(qū)域代表聲源艙,聲源激勵點的聲壓級設(shè)為p源;右側(cè)區(qū)域代表駕乘艙,響應(yīng)測點位置的聲壓級設(shè)為p;中間的傳遞路徑為STL。

圖1 隔聲系統(tǒng)示意圖

1.1 隔聲量NR

隔聲量NR=p源-p,即響應(yīng)點與激勵點聲壓級的差。這種傳統(tǒng)的NR可以用測試得到的聲源及響應(yīng)位置的聲壓級計算得到,方便計算且易于理解,但是由于聲音的傳遞路徑[4]不唯一,而且NR的值隨著聲源特性(如指向性和運行條件)、聲源處的聲壓傳感器安裝位置和周圍結(jié)構(gòu)的變化而變化,因此上述計算方法是不可靠的。

1.2 聲傳函ATF

基于體積聲源設(shè)備,聲傳函ATF為響應(yīng)點處的聲壓級p與體積聲源體積加速度Q之間的傳遞函數(shù)[5],可表示為ATF=p/Q。聲傳函ATF曲線為直接測試得到,可以客觀、準確地評價整車在各頻率下的聲音傳遞情況,但是其數(shù)據(jù)多、曲線復(fù)雜,不便于直觀地對整車寬頻段的綜合隔聲性能進行評價。

1.3 基于聲功率的隔聲量PBNR

基于聲功率的隔聲量PBNR定義為點聲源(對于單一聲源,聲源中心到測點之間的距離超過聲源最大幾何尺寸的2倍時,該聲源可近似為點聲源)的聲功率W與響應(yīng)(測試)點聲壓平方的比值[6],其是1/3倍頻程的函數(shù),故可表示為

PBNR=W/(p·p*)

(1)

式中：p*是p的共軛,(p·p*)是聲壓的平方值,即聲壓的自功率譜。

已知點聲源聲功率可表示為

(2)

PNBR也可以dB形式來表示[5-7],其計算公式為

PBNR=10 log10[(W/(p·p*)/Ref]

(3)

式中：Ref為體積加速度參考值與聲壓參考值平方的比值,約為1/400。

將Ref的值1/400及式(2)代入式(3)中,并經(jīng)推導(dǎo)得：

(4)

PBNR=10 log10(Qa/p)2+10 log10[100ρ/(πc)]=
-20 log10|p/Qa|-9.5

(5)

式中：空氣密度ρ及聲傳播速度c取環(huán)境溫度為20 ℃的值,分別為1.205 kg/m3、343.2 m/s。

綜上,PBNR比NR及ATF更加適合用于評價聲學(xué)包的隔聲性能。

2 試驗驗證

基于以上理論分析結(jié)果,對測試激勵點與測點間的ATF及PNBR計算開展試驗驗證測試。如圖2所示,測試基于LMS測試系統(tǒng)及中高頻體積聲源進行,體積聲源作為點聲源提供激勵。因不具備消音室、半消音室等理想試驗條件,本次試驗選擇了廠區(qū)內(nèi)較為空曠地帶進行,試驗數(shù)據(jù)精度可能會受環(huán)境影響,但應(yīng)該不會對結(jié)論判斷造成困擾。

2.1 臺架試驗

臺架試驗主要驗證體積聲源設(shè)備的發(fā)聲特點及距離、角度、增益大小等對測試結(jié)果的影響。試驗共布置4個聲壓傳感器,分別位于體積聲源發(fā)聲管口正前方650 mm處、聲源正前方1 750 mm處、聲源側(cè)方90° 450 mm處、聲源側(cè)方45° 600 mm處;試驗設(shè)置聲源信號為白噪聲,發(fā)聲次數(shù)為100次,即測試得到的ATF為發(fā)聲100次測得的平均值。

試驗結(jié)果分析如下：

1) 相關(guān)性對比。同組數(shù)據(jù)(試驗中單次試驗同時采集的各傳感器數(shù)據(jù)為一組)下4個聲壓傳感器測試信號與聲源信號的相關(guān)性曲線如圖3所示。從圖3中可看出,遠點位置相對其他3點位置受環(huán)境因素影響相關(guān)性有所下降,但整體來說,在500～8 000 Hz頻段,測點位置與聲源相關(guān)性達到98%以上且穩(wěn)定性較好,在500 Hz以下及8 000 Hz以上頻段,測點位置與聲源相關(guān)性較500～8 000 Hz頻段明顯下降。基于此結(jié)論,為保證準確性,后續(xù)均采用500～8 000 Hz頻段數(shù)據(jù)進行分析。

圖3 各測點與聲源信號相關(guān)性對比

2) 不同增益對聲傳函ATF的影響。分別采用30%、50%增益進行聲傳函測試,將得到的聲源至各測點的ATF曲線放置在一個坐標系中進行比對,如圖4所示,可以發(fā)現(xiàn)4個聲壓傳感器在不同增益下計算得出的ATF曲線吻合度極高,說明在聲源聲壓明顯高于背景噪聲的前提下,增益大小對ATF幾乎沒有影響,即測試時根據(jù)需要調(diào)節(jié)增益即可,無需擔(dān)心不同增益對試驗結(jié)果的影響。

圖4 不同增益下的ATF對比

3) 不同角度對聲傳函ATF的影響。對比同組數(shù)據(jù)下4個測點與聲源間的ATF曲線,計算得到500～8 000 Hz頻率段的ATF RMS 值見表1。對比近點與遠點2組數(shù)據(jù)可得距離對ATF影響較大(查閱資料得知測試點與聲源距離每增加一倍,聲壓相差6 dB)。對比正前方近點、45°、90° 3組數(shù)據(jù)可知該聲源向各方向的傳遞較為均勻,即表示測試時聲源朝向不同對數(shù)據(jù)帶來的影響可以忽略。

表1 500～8 000 Hz頻率段的ATF RMS 值 Pa·(m3/s2)-1

2.2 整車試驗

為驗證實車測試時的聲源及傳感器布置對測試數(shù)據(jù)的影響進行整車試驗,測試地點同臺架試驗。車內(nèi)傳感器布置位置為駕駛員及前、中、后排乘客右耳處[7-9]。將聲源分別置于發(fā)動機艙內(nèi)的發(fā)動機左側(cè)、右側(cè)、后側(cè)、右前輪罩及右后輪罩處進行測試。

采集聲源發(fā)聲時與不發(fā)聲時的車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù),計算并對比兩種狀態(tài)下車內(nèi)噪聲的聲壓差,差值大于10 dB(A)則證明試驗數(shù)據(jù)有效。試驗數(shù)據(jù)分析如下：

1) 聲源在發(fā)動機艙內(nèi)不同位置對車內(nèi)噪聲影響的對比。將測得的聲源在發(fā)動機艙內(nèi)不同位置到車內(nèi)各測點的ATF曲線用式(5)換算為PBNR,取500～8 000 Hz頻段計算RMS值,統(tǒng)計結(jié)果見表2。從表中數(shù)據(jù)可知發(fā)動機聲源在艙內(nèi)的布置位置對整車隔聲量影響較小,可以忽略不計,測試時聲源位置設(shè)置在合理位置即可,不用考慮布置位置的差異對整車隔聲量測試結(jié)果的影響。

表2 發(fā)動機艙內(nèi)不同位置到車內(nèi)的PBNR dB

2) 胎噪對車內(nèi)噪聲影響的對比。右前輪與右后輪至車內(nèi)各測點位置的PBNR計算結(jié)果見表3,對比右前輪罩、右后輪罩對車內(nèi)噪聲的影響,可確定胎噪對車內(nèi)的影響跟距離有關(guān),也從側(cè)面說明測試樣車底盤隔聲較為均衡。

表3 不同車輪到車內(nèi)的PBNR dB

3) 互易性對比。將聲壓傳感器與體積聲源分別置于車內(nèi)前排乘客右耳旁、發(fā)動機艙內(nèi)發(fā)動機右側(cè)位置,測試后交換位置再次進行測試。將測得的發(fā)動機艙到前排乘客右耳旁及前排乘客右耳旁到發(fā)動機艙的PBNR進行對比,在500～8 000 Hz頻段的整體隔聲量分別為46.2 dB、47.1 dB,可確定互易性較高,即激勵與響應(yīng)位置互換對傳遞函數(shù)影響很小,可忽略不計。后續(xù)試驗可采用在車內(nèi)布置聲源,在車外各關(guān)心位置布置傳感器的測試方法,來減少測試次數(shù)、縮短測試周期。

2.3 主要結(jié)論

結(jié)合本次試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果及近期查閱資料,主要結(jié)論如下：

1) 傳統(tǒng)的NR測量是不可靠的,PBNR更能體現(xiàn)系統(tǒng)的特性。

2) 中高頻體積聲源測試數(shù)據(jù)在500～8 000 Hz頻帶寬度范圍較為可靠,超出部分可靠性下降。

3) PBNR的計算范圍一般在200～10 000 Hz的頻帶寬度,因此需使用低頻聲源與高頻聲源分別測試1次,測試完成后,使用MERGE_FUNCTIONS函數(shù)將2條ATF曲線合并為1條曲線,可進行PBNR的計算,但目前我司僅具備中高頻體積聲源,故僅能準確地計算出500～8 000 Hz范圍內(nèi)的PBNR。

4) 系統(tǒng)的隔聲性能為系統(tǒng)固有特性,其聲傳函ATF不受聲源聲壓大小影響。

5) 聲源可看作點聲源,向各方向的傳播較為均衡。

6) 發(fā)動機艙內(nèi)聲源布置的位置偏差對系統(tǒng)聲傳函數(shù)據(jù)基本無影響。

7) 測試的互易性高,即激勵與響應(yīng)位置互換對傳遞函數(shù)影響可忽略不計。后續(xù)可考慮在車內(nèi)布置聲源,在車外各關(guān)心位置布置傳感器來提高測試效率。

3 結(jié)束語

本文對整車聲學(xué)包性能測試及分析方法進行了探討分析,并通過試驗的方法進行了驗證。結(jié)果表明基于能量的隔聲量PBNR更能客觀、準確的評價整車NVH中的聲學(xué)包隔聲性能。可以為產(chǎn)品的聲學(xué)包性能測試及評價提供參考,為聲學(xué)包的正向開發(fā)提供支持。