基于聲品質(zhì)評價(jià)的消聲器護(hù)板改進(jìn)設(shè)計(jì)

賀巖松，榮坤強(qiáng)，徐中明，楊振冬

(1.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044;2.重慶建設(shè)摩托車股份有限公司 技術(shù)中心 ，重慶 400054)

隨著摩托車工業(yè)的發(fā)展及人民生活品質(zhì)的提高，人們選購摩托車的標(biāo)準(zhǔn)除了優(yōu)良的性能和可靠的質(zhì)量外，對摩托車的NVH性能要求越來越高，對于摩托車噪聲的要求不再停留在“安靜”的層面，已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)β犛X舒適度——聲品質(zhì)的關(guān)注。研究表明:對于家電和車輛等產(chǎn)品，用戶對產(chǎn)品聲品質(zhì)的關(guān)注與對功能的關(guān)注已經(jīng)處于相同的地位，并呈現(xiàn)出超越趨勢［1－4］。因此，目前聲品質(zhì)問題已開始引起國內(nèi)摩托車制造企業(yè)的廣泛關(guān)注。

本文針對某摩托車企業(yè)的一款改型摩托車雖然整體噪聲水平完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，但在市場上卻有部分顧客反映其聲品質(zhì)較差的問題，進(jìn)行整車噪聲聲源識別及消聲器護(hù)板聲強(qiáng)與分析，尋找問題的主要影響因素。通過對護(hù)板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，達(dá)到了提高整車聲品質(zhì)的目的，增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場競爭力。

1 消聲器護(hù)板聲強(qiáng)試驗(yàn)與分析

聲強(qiáng)方法是現(xiàn)代聲源識別中應(yīng)用最廣泛、最可靠的一種方法［5－6］。在對該摩托車進(jìn)行整車聲強(qiáng)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在1 000 Hz左右處消聲器貢獻(xiàn)量較大。為檢驗(yàn)消聲器護(hù)板對噪聲輻射的貢獻(xiàn)量，并檢驗(yàn)是否由消聲器振動(dòng)引起護(hù)板共振，使之產(chǎn)生再生噪聲，特別針對消聲器護(hù)板進(jìn)行了進(jìn)一步的聲強(qiáng)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，首先對包含護(hù)板的部位劃分網(wǎng)格單元，大小為8 cm×8 cm，然后在試驗(yàn)工況、環(huán)境相同的條件下分別測取有、無護(hù)板時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)低、中及高速時(shí)消聲器部位的聲強(qiáng)。得到對應(yīng)的聲強(qiáng)譜圖，如圖1～3所示。

圖3 全頻段有、無護(hù)板時(shí)聲強(qiáng)頻譜圖(5 000 r/min)

從圖1～3可以看出，在各個(gè)工況下有護(hù)板時(shí)的聲強(qiáng)頻譜可以分為3個(gè)頻段，分別為低于600 Hz的低頻段、600～1 500 Hz的中頻段及高于1 500 Hz的頻段。而當(dāng)取下護(hù)板時(shí)，聲強(qiáng)頻譜能量分段變得不明顯，其中在有護(hù)板時(shí)中頻段中在1 100 Hz左右處出現(xiàn)的峰值，而在取下護(hù)板后的聲強(qiáng)頻譜上則沒有出現(xiàn)，由此推測1 100Hz左右的噪聲與護(hù)板有密切關(guān)系。

從聲強(qiáng)云圖(圖4、5)上可以清晰地看出護(hù)板的影響。

由圖4、5可以看出，在全頻段及600～1 500 Hz頻段，有無護(hù)板聲強(qiáng)云圖差別較大，有護(hù)板時(shí)聲強(qiáng)最大區(qū)域均在消聲器覆蓋件區(qū)域，而取下護(hù)板時(shí)聲強(qiáng)明顯減弱，對比有、無護(hù)板的聲強(qiáng)云圖，說明護(hù)板對噪聲輻射產(chǎn)生較大影響。

如果將有、無護(hù)板時(shí)排氣管部位的聲功率進(jìn)行比較，可以從總聲能量的變化上分析護(hù)板再生噪聲的聲貢獻(xiàn)量大小。有、無護(hù)板時(shí)測試表面的總聲功率計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1也可以看出，護(hù)板對聲功率的貢獻(xiàn)量較大，拆除護(hù)板后聲功率至少降低2 dB(A)。

表1 各個(gè)轉(zhuǎn)速工況下有、無護(hù)板時(shí)的聲功率比較

綜合以上各個(gè)聲強(qiáng)云圖及聲功率比較可以推斷，護(hù)板在消聲器的激勵(lì)下產(chǎn)生嚴(yán)重的二次噪聲，初步分析原因可能是由于護(hù)板剛度較小，某些階模態(tài)頻率較低，容易在消聲器的激勵(lì)下形成共振，產(chǎn)生二次噪聲，所以有必要對護(hù)板進(jìn)行模態(tài)求解與結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

2 排氣消聲器護(hù)板的仿真分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 消聲器護(hù)板的約束模態(tài)

通過整車及有無護(hù)板的聲強(qiáng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)護(hù)板對噪聲的貢獻(xiàn)量較大，特別在1 000 Hz左右較為明顯，且在高速工況時(shí)更為突出，推測可能是護(hù)板剛度太小，模態(tài)較低，于是對護(hù)板進(jìn)行模態(tài)分析。

護(hù)板幾何模型如圖6所示，由于厚度只有0.8 mm，長度與厚度比較大，在 Hypermesh中采用shell單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元大小為3 mm，按照實(shí)際固定位置施加約束，對其進(jìn)行約束模態(tài)分析。前20階模態(tài)頻率如表2所示。

圖6 護(hù)板幾何模型

此護(hù)板的前幾階頻率相對較低，在護(hù)板的前端、中部等處變形較為嚴(yán)重，容易引起共振，產(chǎn)生再生噪聲，有必要對護(hù)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高固有頻率。

2.2 消聲器護(hù)板的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

護(hù)板主要起到美觀和防止?fàn)C傷的作用。在不影響美觀的前提下，結(jié)合模態(tài)振型，考慮通過以下方式增加剛度:① 通過增加背部溝槽深度2 mm，增強(qiáng)護(hù)板背部剛度，減少背部的變形;②適當(dāng)增加護(hù)板厚度，由0.8 mm增加到1 mm，增加整體剛度;③增加固定螺釘，由3點(diǎn)固定改成4點(diǎn)固定。護(hù)板改進(jìn)方案如圖7所示，仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖7 方案1、2結(jié)構(gòu)

從仿真計(jì)算結(jié)果中看出:方案1為增加溝槽深度，加筋處理后護(hù)板的固有頻率幾乎沒有變化，和原護(hù)板基本相同，如第1階頻率原護(hù)板為128.9 Hz，加筋后為126.4 Hz，不但沒有升高，反而有所下降，分析原因可能是增加的2 mm溝槽深度太小，對整體的剛度提高作用不大，固此方案不易采用;方案2為增加護(hù)板厚度0.2 mm，效果較明顯，特別是前幾階頻率提高幅度較大，如第1階由原來的128.9 Hz增加到249.5 Hz，第2階由原來的210.0 Hz提高到370.5 Hz;方案3為增加固定點(diǎn)方案，其效果最好，第1階頻率增加到278.2 Hz，第2階由210 Hz增加到408 Hz，其他各階頻率也均有大幅提高。針對仿真結(jié)果，建議采用第3種方案，即通過增加固定點(diǎn)的方式來提高護(hù)板的固有頻率，減少噪聲輻射。

表2 護(hù)板約束模態(tài)計(jì)算結(jié)果對比

3 摩托車聲品質(zhì)的試驗(yàn)驗(yàn)證

消費(fèi)者對摩托車噪聲的主觀評價(jià)試驗(yàn)是驗(yàn)證改進(jìn)措施效果的最直接方法，但主觀評價(jià)結(jié)果與評價(jià)主體的心情、心理、生理等因素密切相關(guān)，評價(jià)的人為因素影響較大，而心理聲學(xué)參數(shù)是描述噪聲所造成的主觀感受差異程度的客觀物理量，可以定量地反映聽覺感受的差別，消除個(gè)體差異的影響，便于進(jìn)行定量分析［7－8］，因此本文通過客觀評價(jià)參數(shù)對改進(jìn)方案的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 樣本的采集與選取

采用B＆K 4101型雙耳麥克風(fēng)分別記錄定置工況下摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)在 1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 r/min狀態(tài)下駕駛員雙耳處的穩(wěn)態(tài)噪聲樣本，每種工況的記錄時(shí)間為15 s，各工況信號均采集2次。

3.2 客觀評價(jià)試驗(yàn)驗(yàn)證

用于聲品質(zhì)客觀評價(jià)的心理聲學(xué)參數(shù)主要有聲壓級、響度、尖銳度、粗糙度、波動(dòng)度等。試驗(yàn)使用B＆K的Sound Quality專業(yè)聲品質(zhì)分析模塊，對試驗(yàn)的8組共24個(gè)聲樣本的主要心理聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與分析，結(jié)果如圖8～10所示，圖中改進(jìn)方案1為增加護(hù)板厚度方案，改進(jìn)方案2為增加固定點(diǎn)方案。

圖10 響度統(tǒng)計(jì)曲線

從圖8～10中，可以得到:

1)隨著轉(zhuǎn)速的提高，聲壓級(dB(A))逐漸升高;改進(jìn)方案 1、2在各個(gè)轉(zhuǎn)速工況下(除2 000 r/min工況外)，聲壓級均小于原狀態(tài)，說明消聲器改進(jìn)方案對于降低整車噪聲效果明顯;方案2在2 000 r/min時(shí)的數(shù)據(jù)異常，可能是由于所選取的信號異常導(dǎo)致。

2)尖銳度隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，表明高頻成分的多少與轉(zhuǎn)速成正比;改進(jìn)方案1、2在4 000 r/min以前的尖銳度均低于原車，說明通過改進(jìn)消聲器來降低聲品質(zhì)尖銳度的方法可行。由于大部分人比較討厭高頻聲音，因此在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，要獲得較高的聲品質(zhì)就必須設(shè)法抑制聲音的高頻成分。

3)響度隨著轉(zhuǎn)速的升高而緩慢升高，改進(jìn)方案1、2在各個(gè)頻率下均低于原方案，說明通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)來降低響度的方法可行。響度與人對噪聲信號的偏好性評價(jià)密切相關(guān)，響度越高主觀偏好性越差，因此降低摩托車噪聲的響度值是提高其聲品質(zhì)評價(jià)的最直接方法。

4 結(jié)束語

摩托車的聲品質(zhì)問題越來越受到人們的關(guān)注，針對某改型摩托車的聲品質(zhì)問題，通過消聲器護(hù)板的聲強(qiáng)分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)，得到了在發(fā)動(dòng)機(jī)低、中和高速情況下噪聲信號的多種心理聲學(xué)客觀評價(jià)參數(shù)，達(dá)到了提高整車聲品質(zhì)的目的。

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