高速汽車駕駛員耳側(cè)噪聲貢獻(xiàn)量分析

李文武，劉寧寧，王巖松，郭 輝

（上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620）

相關(guān)研究表明[1,2]：當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，車外氣動(dòng)噪聲與輪胎輻射噪聲對(duì)車內(nèi)乘員耳側(cè)噪聲的影響比重逐漸上升，當(dāng)車速達(dá)到100 km/h時(shí)氣動(dòng)噪聲為車內(nèi)噪聲的主要影響因素。對(duì)于高速行駛的轎車，車外氣流經(jīng)過后視鏡、A柱等突起位置產(chǎn)生偶極子噪聲源。該類噪聲源通過車身結(jié)構(gòu)傳遞到駕駛員耳側(cè)，影響駕駛和乘坐舒適性。由于20世紀(jì)90年代初才興起對(duì)汽車氣動(dòng)噪聲的研究，所以對(duì)汽車行駛過程中氣動(dòng)噪聲的研究還不夠深入，許多基礎(chǔ)問題并未得到解決，難以對(duì)汽車行駛過程中產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲進(jìn)行定量分析[3-6]。因此，在沒有聲學(xué)風(fēng)洞等試驗(yàn)條件的情況下，通過實(shí)車高速公路試驗(yàn)探究高速汽車車外相關(guān)位置的氣動(dòng)噪聲、輪胎輻射噪聲對(duì)駕駛員右耳側(cè)噪聲的影響。利用傳遞路徑分析方法探究高速工況下，不同類型、位置的車外噪聲源的頻譜特性，對(duì)駕駛員耳側(cè)空氣噪聲進(jìn)行定量分析。為相關(guān)的高速車輛車內(nèi)噪聲的研究提供參考依據(jù)。

1 傳遞路徑分析（TPA）的基本原理

從噪聲傳播的“源-路徑-接受者”模型角度考慮，想要研究高速汽車產(chǎn)生的噪聲對(duì)駕駛員耳側(cè)噪聲的貢獻(xiàn)量，需要知道高速工況下車外氣動(dòng)噪聲信號(hào)和相應(yīng)的到駕駛員耳側(cè)路徑的噪聲傳遞特性。因此采用傳遞路徑分析方法（Transfer PathAnalysis）對(duì)駕駛員耳側(cè)的氣動(dòng)噪聲和輪胎輻射噪聲進(jìn)行貢獻(xiàn)量分析，該分析方法有利于直觀地分析不同類型、位置的噪聲源對(duì)駕駛員耳側(cè)噪聲的影響。傳遞路徑分析方法（TPA）的假設(shè)前提是系統(tǒng)為線性時(shí)不變，則車內(nèi)的噪聲聲壓或振動(dòng)水平等于各激勵(lì)源以工作載荷激勵(lì)時(shí)沿不同路徑傳播到車內(nèi)的能量的疊加。即各位置的工作載荷乘以對(duì)應(yīng)路徑的傳遞函數(shù)等于響應(yīng)點(diǎn)的噪聲信號(hào)。本文研究側(cè)重于高速工況下車外空氣噪聲源對(duì)駕駛員耳側(cè)噪聲的影響。圖1為采用的空氣聲TPA基本模型。

圖1 空氣聲TPA模型示意圖

對(duì)于研究空氣傳播噪聲而言，由于路徑上不存在耦合點(diǎn)，所以如果有n個(gè)輻射聲源，則有n條到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的傳遞路徑，而目標(biāo)點(diǎn)的總聲壓就等于各個(gè)路徑貢獻(xiàn)量的總和?？諝饴昑PA的傳遞函數(shù)測(cè)量方法有直接法與互易法兩種。由于一般情況下汽車的噪聲源處空間有限，不易布置體積聲源，所以在測(cè)量時(shí)可以采取互易法，即將體積聲源放置在車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的位置，而將聲傳感器放在各個(gè)噪聲源處，以此便能測(cè)得各條路徑的傳遞函數(shù)，文中采用互易法測(cè)量各噪聲源測(cè)點(diǎn)位置到駕駛員右耳路徑的傳遞函數(shù)，并用對(duì)應(yīng)噪聲源附近的參考聲壓等效成輸入聲壓信號(hào)。

2 空氣聲TPA模型的建立

空氣聲傳播的TPA模型采用直接法建立。如式1所示。

式中：PMN為車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的總聲壓；為傳遞路徑i上的聲壓貢獻(xiàn)量；為路徑i上的傳遞函數(shù)；為傳遞路徑i上的工作輸入。

通過測(cè)得各測(cè)點(diǎn)位置到駕駛員右耳位置路徑的傳遞函數(shù)，并在實(shí)際工況下測(cè)得各測(cè)點(diǎn)位置附近的近場(chǎng)參考聲壓向量，由公式（1）即可求得各傳遞路徑和對(duì)應(yīng)工作輸入對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)量，通過對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)及其傳遞路徑的貢獻(xiàn)量進(jìn)行擬合，即可得車內(nèi)目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)總聲壓[7-11]。

3 試驗(yàn)測(cè)量

試驗(yàn)主要分為傳遞函數(shù)測(cè)試和工況載荷測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分。根據(jù)國(guó)標(biāo)《GBT18697-2002聲學(xué)汽車車內(nèi)噪聲測(cè)量方法》、《ISO 5128-2014聲學(xué) 汽車內(nèi)的噪聲測(cè)量》等標(biāo)準(zhǔn)和研究?jī)?nèi)容需要制定實(shí)驗(yàn)方案[13-14]。

3.1 路試

使用風(fēng)速計(jì)和溫度儀測(cè)量試驗(yàn)路段風(fēng)速和溫度，試驗(yàn)車輛為某款中級(jí)轎車。試驗(yàn)設(shè)備為西門子公司的LMS數(shù)采設(shè)備。根據(jù)上述汽車噪聲采集標(biāo)準(zhǔn)確定一次數(shù)據(jù)采集時(shí)長(zhǎng)15 s。研究對(duì)象為駕駛員耳側(cè)噪聲信號(hào)，綜合考慮人耳聽閾范圍（20 Hz～200 00 Hz）及奈奎斯特采樣定律，確定信號(hào)采樣頻率為51 200 Hz，分辨率為1 Hz。傳聲器測(cè)點(diǎn)選取最為典型的A柱、后視鏡等風(fēng)噪聲較大的位置。具體位置如表1所示。

表1 傳聲器測(cè)點(diǎn)位置

試驗(yàn)在某高速路段上進(jìn)行，以80 km/h、100 km/h、120 km/h 3種勻速工況行駛。

3.2 傳遞函數(shù)測(cè)試

為減小外部環(huán)境噪聲的影響，傳遞函數(shù)測(cè)試在半消聲室內(nèi)進(jìn)行。測(cè)試主要使用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、體積聲源、聲學(xué)傳感器等設(shè)備。在半消聲室進(jìn)行傳遞函數(shù)測(cè)試時(shí)，傳感器測(cè)點(diǎn)位置和路試時(shí)保持一致。傳遞函數(shù)采用互易法測(cè)量，將傳感器測(cè)點(diǎn)布置好后，將體積聲源固定在駕駛員右耳傳感器附近，采用Random觸發(fā)信號(hào)，即可測(cè)出各傳遞路徑的聲-聲傳遞函數(shù)。圖2為傳遞函數(shù)測(cè)試部分測(cè)點(diǎn)示意圖。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 傳遞函數(shù)分析

圖3為左、右A柱頂端到駕駛員右耳路徑的噪聲傳遞函數(shù)，圖中可以看出兩者的整體分布趨勢(shì)一致，曲線分布較為平緩，主要峰值集中于2 000 Hz之前。其它如左后視鏡、右后視鏡等對(duì)稱位置到駕駛員右耳的傳遞函數(shù)都有相似的對(duì)稱特性，后續(xù)不再一一贅述。

圖2 相關(guān)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖3 左、右A柱頂端到駕駛員右耳傳遞函數(shù)

圖4為左A柱的頂端和底端到駕駛員右耳路徑的傳遞函數(shù)。

圖4 左A柱測(cè)點(diǎn)到駕駛員右耳

中高頻段范圍內(nèi)，A柱底端測(cè)點(diǎn)位置到駕駛員右耳側(cè)路徑傳遞函數(shù)大于A柱頂端測(cè)點(diǎn)到駕駛員右耳路徑傳遞函數(shù)，即A柱頂端測(cè)點(diǎn)位置到駕駛員耳側(cè)路徑隔聲效果更好。

圖5為車身左側(cè)相關(guān)測(cè)點(diǎn)到駕駛員右耳側(cè)路徑的傳遞函數(shù)。圖中傳遞函數(shù)幅值差異較大，左A柱頂端及底端、左后視鏡到駕駛員右耳側(cè)路徑傳遞函數(shù)在20 Hz～10 000 Hz范圍內(nèi)要明顯大于左前輪、左后輪和進(jìn)、排氣口到駕駛員右耳側(cè)路徑，即隔聲效果較差。

圖5 車身左側(cè)及進(jìn)、排氣口測(cè)點(diǎn)到駕駛員右耳路徑傳遞函數(shù)

4.2 工況信號(hào)分析

圖6、圖7為路試時(shí)各測(cè)點(diǎn)工況信號(hào)。圖中看出，工況信號(hào)的能量主要集中在2 000 Hz之前的頻段范圍。車速越高，駕駛員右耳側(cè)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)信號(hào)也越高。各測(cè)點(diǎn)工況信號(hào)主要有兩個(gè)峰值凸起，駕駛員右耳信號(hào)的第一個(gè)峰值頻段為50 Hz～500 Hz，第二個(gè)峰值頻率在1 000 Hz附近，其余測(cè)點(diǎn)信號(hào)兩個(gè)能量峰值主要在120 Hz與1 000 Hz附近。

圖6 3種車速下駕駛員耳側(cè)實(shí)測(cè)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)信號(hào)

4.3 TPA分析

由上述分析可知，駕駛員右耳側(cè)噪聲信號(hào)能量主要集中在20 Hz～2 000 Hz的頻段范圍內(nèi)，因此貢獻(xiàn)量分析的頻率范圍主要針對(duì)20 Hz～2 000 Hz。

綜合考慮噪聲路徑傳遞函數(shù)和車外測(cè)點(diǎn)工況載荷信號(hào)計(jì)算得到貢獻(xiàn)量曲線。圖8為120 km/h車速時(shí)部分測(cè)點(diǎn)信號(hào)貢獻(xiàn)量曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，車輪、A柱等測(cè)點(diǎn)信號(hào)對(duì)駕駛員右耳噪聲貢獻(xiàn)量主要集中在200 Hz以下的低頻范圍。計(jì)算該頻段范圍內(nèi)貢獻(xiàn)量的均方根值，得到不同位置貢獻(xiàn)量由大到小依次為右前輪、右后輪、排氣口、右后視鏡、進(jìn)氣口、右A柱底端、右A柱底端，對(duì)應(yīng)聲壓級(jí)數(shù)值如圖8所示。

圖7 120 km/h車外測(cè)點(diǎn)工況信號(hào)

圖8 120 km/h部分測(cè)點(diǎn)信號(hào)貢獻(xiàn)量

圖9為選取20 Hz～2 000 Hz頻率范圍各測(cè)點(diǎn)信號(hào)對(duì)駕駛員右耳噪聲貢獻(xiàn)量的均方根值（RMS）。隨著車速的提升，各測(cè)點(diǎn)貢獻(xiàn)量均有不同幅度增加。三種車速狀態(tài)下，車輪輻射噪聲貢獻(xiàn)量在整體貢獻(xiàn)量中占據(jù)較大比重。隨著車速?gòu)?0 km/h上升到120 km/h的過程中，車輪輻射噪聲貢獻(xiàn)量的增幅明顯小于后視鏡及A柱等測(cè)點(diǎn)位置風(fēng)噪聲貢獻(xiàn)量增幅；在試驗(yàn)選取位置的噪聲信號(hào)中，后視鏡位置風(fēng)噪聲逐漸成為駕駛員右耳側(cè)噪聲的主要影響因素。

圖10為120 km/h車速時(shí)各測(cè)點(diǎn)信號(hào)在駕駛員耳側(cè)傳遞路徑貢獻(xiàn)量與實(shí)測(cè)信號(hào)對(duì)比圖，圖中可以看出在20 Hz～10 000 Hz頻率范圍內(nèi)合成信號(hào)和實(shí)測(cè)信號(hào)兩者趨勢(shì)一致，幅值之間存在一定的誤差。誤差產(chǎn)生的原因主要可以歸結(jié)于如下幾個(gè)方面：

（1）實(shí)測(cè)駕駛員耳側(cè)的噪聲包括空氣聲和結(jié)構(gòu)聲兩部分的貢獻(xiàn)量，而本次研究中只考慮了空氣聲的貢獻(xiàn)量，沒有考慮車身結(jié)構(gòu)輻射噪聲、動(dòng)力總成噪聲、路面不平度等結(jié)構(gòu)噪聲貢獻(xiàn)量。

圖9 20 Hz～2 000 Hz各測(cè)點(diǎn)信號(hào)貢獻(xiàn)量均方根值

（2）車輛高速運(yùn)行時(shí)，車外風(fēng)噪聲中的泄露噪聲無法通過傳遞路徑方法進(jìn)行分析，貢獻(xiàn)量計(jì)算中沒有考慮泄露噪聲。

（3）試驗(yàn)限制，傳聲器測(cè)點(diǎn)的數(shù)量較少，無法包含車外全部的氣動(dòng)噪聲源。

圖10 120 km/h駕駛員右耳實(shí)測(cè)及TPA擬合信號(hào)

圖11為120 km/h車速下各測(cè)點(diǎn)信號(hào)的貢獻(xiàn)量譜圖。圖中可以看出，汽車前輪輻射聲貢獻(xiàn)量和后視鏡湍流噪聲貢獻(xiàn)量在20 Hz～400 Hz頻率范圍較為集中。A柱頂端和底端測(cè)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量在20 Hz～2 100 Hz范圍內(nèi)分布較為平均。右A柱頂端、右A柱底端和左后視鏡在900 Hz有一個(gè)能量集中頻率點(diǎn)；右A柱頂端和底端、左A柱頂端和低端、后視鏡位置貢獻(xiàn)量在2 100 Hz有一個(gè)能量集中頻率點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文將傳遞路徑分析方法（TPA）應(yīng)用于高速汽車氣動(dòng)噪聲和輪胎輻射噪聲的研究上。分析了不同測(cè)點(diǎn)位置到駕駛員右耳的噪聲傳遞特性。對(duì)高速汽車駕駛員耳側(cè)主要影響噪聲源進(jìn)行了定量分析。確定了不同車身位置氣動(dòng)噪聲和輪胎輻射噪聲對(duì)駕駛員耳側(cè)噪聲貢獻(xiàn)能量的主要分布范圍。

圖11 120 km/h貢獻(xiàn)量譜圖

研究表明：

（1）在20 Hz～10 000 Hz范圍內(nèi)，A柱頂端、底端及后視鏡測(cè)點(diǎn)到人耳側(cè)傳遞路徑相比于車輪和進(jìn)、排氣口到駕駛員右耳側(cè)路徑更易傳遞噪聲；中高頻段范圍內(nèi)的噪聲，相比于A柱頂端測(cè)點(diǎn)位置而言，從A柱底端位置更容易傳遞到駕駛員耳側(cè)；

（2）對(duì)比3種車速下駕駛員右耳實(shí)測(cè)信號(hào)可以看出，汽車高速行駛過程中，駕駛員耳側(cè)噪聲能量主要集中在20 Hz～2 000 Hz的頻段范圍內(nèi)。

(3)隨著車速的提升，后視鏡及A柱等位置的風(fēng)噪聲貢獻(xiàn)量增幅大于輪胎輻射噪聲和進(jìn)、排氣口的貢獻(xiàn)量增幅，逐漸成為駕駛員耳側(cè)噪聲主要影響因素。

(4)汽車前輪輻射聲和后視鏡湍流噪聲對(duì)駕駛員右耳噪聲的貢獻(xiàn)量主要集中在20 Hz～400 Hz范圍內(nèi)，A柱頂端、底端測(cè)點(diǎn)風(fēng)噪聲貢獻(xiàn)量主要均勻分布在20 Hz～2 100 Hz頻段范圍內(nèi)。