汽车通过噪声贡献量分析及前期预测方法研究

摘要：介绍了基于传递路径的汽车通过噪声贡献量分析及前期预测方法，包括该方法的基本原理，声源的测试方法，传递函数的测试方法等，最后通过实例分析说明了该方法较传统包裹法的全面、便捷、高效性，解决了前期无法对通过噪声进行定量预测及设计指导的问题。

关键词：通过噪声;贡献量;传递路径法;PCA

引言

通过噪声是整车振动噪声相关的强制法规项，我们国家现行标准是GB1495-2002版本，对于M1类型车辆的要求限值为74dB[1]。而随着机动车的普及，环境噪声越来越恶劣，人们对生活中的噪声要求也逐渐提高。由此，为了将汽车通过噪声控制在一个更低更合理的水平，我国和国际相关组织已经陆续展开一系列的通过噪声试验方法和标准限值提高研究。目前欧洲法规已修订完成，新的测试方法更符合实际驾驶习惯，更有效地反映了城市生活环境下居民受交通噪声的影响，同时新的限制要求也更加严格[2]。我们国家法规的修订也参考新的欧洲标准正有序开展，新的噪声限值要求将给正在开发中及即将开发的车辆带来新的挑战。

目前在汽车开发过程中，对其通过噪声的评估只能在样车试制后通过试验来测试。当试验发现样车不能满足法规要求时，已经到了车型开发的中后期，许多零部件已基本定型，可改动的范围小，且在不明确主要噪声源的情况下对样车进行各种改进，周期长难度大成本高。这种情况下，对于汽车通过噪声进行贡献量定量分析及前期预测显得格外迫切，以便早控制早优化。

1.通过噪声及其声源

加速行驶是汽车通过噪声中最坏噪声排放情况，国标GB1495规定了这种加速行驶测试的试验方法和噪声限值。即如图1 所示，在规定的测量条件下，车辆在预先确定的档位以稳定的车速沿行驶中心线CC’接近测试区域AA’-BB’，当车辆前部进入AA’线时，驾驶员迅速将加速踏板踩到底、节气门全开并保持不变，直到车辆尾部通过测试区域驶离BB’线时再尽快松开踏板。这个过程中，布置于规定位置的传声器（PP’线上的五角星位置）测量加速驶过测量区的最大A-计权声压级。

图1 通过噪声测试示意图

试验规范对测量场地和背景噪声等有严格的要求，而通过噪声主要来源于发动机、进气系统、排气系统、轮胎等。发动机的辐射噪声主要由发动机工作产生的燃烧噪声和机械噪声透过壳体进入大气产生，这种噪声一般频率比较低与转速相关;进气系统噪声包括进气口的噪声和空气过滤器的的辐射噪声，该噪声亦与发动机的转速有关，转速越高，进气口噪声越大;排气噪声包括尾管口的噪声，消声器等部件的辐射噪声，一般而言，低转速时尾管噪声与发动机转速有关，高转速时空气流与排气管的摩擦噪声比较明显，而消声器等元件的板壳结构决定了辐射噪声的大小;轮胎噪声主要因轮胎横向和纵向轮齿在与路面接触的时候会形成空腔，当空气在这些空腔中会发生共振时产生噪声，该噪声的频率与大小与轮齿的宽度、深度、形状、路面及车速等因素有关。[3][4]

当通过噪声超过限制时，需要确定贡献量最大的声源，以及该声源噪声中贡献量最大的频段，然后即可对根源问题进行针对性的优化，使通过噪声能在最短时间内利用最低的成本得到改进。

2.声源贡献量分析方法

通过噪声声源贡献量分析主要有传统的包裹法和近年来逐渐应用的传递路径法两大类。

包裹法在过去使用较多，这种方法首先需试验测得样车的通过噪声总值，然后对各个声源分别包裹屏蔽后再测得不含该被屏蔽声源的通过噪声值，通过噪声总值与包裹屏蔽后的值做差，即得到被屏蔽声源对通过噪声的贡献量。这种方法比较直接，也是很长一段时间内贡献量分析的主要方法，而它的弊端也越来越突出：包裹屏蔽声源比较耗时;包裹材料往往只能屏蔽300Hz以上的噪声，对于低频作用不大，会致使分析结果不全面;包裹屏蔽的部分会影响其他声源正常情况下的声传递，给结果带来偏差;各声源的屏蔽是分开来做，不同的屏蔽也会因为温度等原因使车辆的运行状态不同，由此带来的结果是试验一致性不好，使得对比基础不统一。

传递路径法是分别得到噪声源的近场噪声、噪声源到通过噪声测点的传递函数，然后相乘计算，从而得到各噪声源在测点处的贡献量的方法（如图2）。声源的近场噪声即图示中发动机、进排气系统、轮胎等的辐射噪声，这些噪声可通过进场布置麦克风测试得到。表征传递路径的传递函数，即为图2中每个声源到各测点（PB处）的传递函数，这些测点位置模拟了图1中车辆驶入测试区域（AA’-BB’）后，车辆处于不同位置时相对于测点P、P’的位置情况。这样通过噪声测试时因为车移动带来的传递函数变换，即可以车不动麦克风移动的测试方式模拟了出来。这种传递路径法因不存在屏蔽法的这些弊端且更高效而逐渐兴起：所有声源的贡献量可以在一个运行工况中得到;可以得到声源和传递路径在各频段的详细信息，对于查找问题十分有效;对于不同声源改进产生的效果再评估非常便捷。鉴于这种方法的突出优势，不少公司相继推出了相关的分析工具，如AVL的PCA软件，LMS的TPA&ASQ模块等。    

图2   传递路径法示意图

3.传递路径法的应用

3.1 PCA的应用原理

AVL的PCA软件是国际上应用传递路径法进行通过噪声贡献量分析的工具之一。应用PCA分析软件时，传函的测试是将体积加速度声源放置于PB处（以PB-1为例），然后在车上各噪声源附近布置麦克风。当PB-1处体积加速度声源发出白噪声时，车辆声源附近的麦克风测得的近场声压相对于PB-1声源发出的声功率值，即为PB-1这一位置相对于车上 所有通过噪声声源的传递函数。完成PB-1位置处的传函测试后，再将体积加速度声源移至PB-2处，重复试验得到PB-2这一位置相对于车上所有通过噪声声源的传递函数。以此类推，直至完成所有PB位置处的测试，这样即得到了所有位置情况下，通过噪声测点相对于车上各声源的传递函数。

PCA分析软件应用了互易原理，传递函数取车上声源近场声压相对于通过噪声测点声功率的值，那么如果得到通过噪声测试工况时车上各声源的声功率，即得到了各声源在通过噪声测点处的贡献声压值。PCA分析中，是先测得标准工况下声源近场声压值，然后通过各声源的面积，计算得到车上通过噪声声源的声功率值。

3.2 实例分析

通过噪声贡献量分析试验可以在模拟自由场的半消声室进行，待测车辆置于转毂上，车上声源近场声压测试时，按照实际运行工况，车带动转毂运动。测量传函时，若消声室的空间有限，可以通过移动车辆来完成所有测试要求范围内的传涵测试。图3为左前轮胎到PB5-PB9位置处的传函，图4为后消声器到PB19-PB21位置处的传函。

        

图3 左前轮胎到PB5-PB9位置处的传函           图4后消声器到PB19-PB21位置处的传函

车上各声源的声功率需要通过声源的近场声压测试来获得。测点的布置与各声源辐射噪声测点布置方式相同，如图5-图6[5]。WOT工况下，发动机与排气的近场声压如图7-图8。PCA分析时，会将每个声源所有测点结果做平均后参与计算。

          

图5 消声器和排气尾管口近场声压测点示意图         图6 发动机近场声压测点布置示意图

图 7发动机各测点WOT工况近场声压值      图 8中消和后消各测点WOT工况近场声压值

      

图9各声源在通过全历程中对左侧通过噪声的贡献量     图10 1.2m处各声源贡献量分配图

            

图11 4.7m处各声源贡献量分配图                图12 1.2m处各声源贡献频谱图

将测得的所有传函结果、车上声源的近场声压结果、各声源的面积、两侧麦克风的位置信息输入PCA软件，即可合成得到passby各位置点的噪声贡献量如图9-图12。图9列出了所有子系统声源在整个全油门加速通过历程中对左侧麦克风的噪声贡献量值，图10和图11分别对1.2m处和4.7m处各噪声源对通过噪声的贡献量进行了比例示意。1.2m的位置相当于车辆沿CC’行驶至两侧麦克风（P、P’点）位于车辆约A柱附近时，由图10可见此时轮胎和发动机为主要声源，且贡献量相当。4.7m处则相当于车辆刚完全通过两侧麦克风（P、P’点），麦克风位于车尾附近时，由图11可见此时各声源的贡献量发生了变化，其中轮胎贡献比例增大，发动机舱内各声源各有不同程度的减小，而排气的贡献比例有所增加，这与实际情况是相符的。当找到了主要贡献声源，可以进一步对声源的频率进行剖析，如图12，对1.2m处做切片频谱图，可见虽然1.2m处发动机和轮胎的贡献量相当，但主要贡献频率段是不同的，800Hz以下主要为发动机噪声，而800Hz以上主要为轮胎噪声，针对这些峰值频断即可进行针对性的优化改进，由此提高整个车辆的通过噪声性能。

3.3前期预测方法

对于新开发的车型，这种传递路径法也解决了因为没有实车而无法在开发初期对通过噪声进行预测和控制的问题。首先传递函数可以借用上一代车型的信息，差别不大。然后各子系统在各工况下的辐射噪声可以容易的从子系统试验中得到，也可以借用其他车型相同子系统的辐射噪声试验值。由此，整车的通过噪声及各声源的贡献量即可在软件中合成得到了。当预测的通过噪声超过限值或存在风险时，可以找到主要贡献声源及其主要贡献频率，在早期对该子系统进行设计控制，避免设计后期的高成本低效率补救。

4.结论

4.1由实例分析数据来看，传递路径法对于通过噪声贡献量分析是十分有效的，结果与实际情况十分相符，可信度较高。

4.2相对于传统的屏蔽法，传递路径法可以更全面高效地得到通过噪声的声源贡献量，可以便捷地锁定主要贡献噪声源及核心问题频段，对问题的解决起到了事半功倍的效果。

4.3传递路径法可以在早期对通过噪声进行设计控制，解决了因为没有实车而无法在开发初期对通过噪声进行预测的问题。

参考文献：

[1].GB1495-2002 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法。

[2].STATUS OF UNITED NATIONS REGULATION ECE 51-02 Uniform provision concerning the approval of： motor vehicles having at least four wheels with regard to their noise emissions.

[3].田绍军 《某微型汽车通过噪声测量的技术改进》《装备制造技术》2010年第12期

[4].庞剑，谌刚，何华。汽车噪声与振动-理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006 p398-403.

[5].PCA PASS-BY NOISE CONTRIBUTION ANALYSIS ONLINE HELP.AVL LIST GmbH November 2004.

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