基于偏相干分析方法的怠速工況車內(nèi)噪聲源識別

陳 克,姜少瑋,李孟宇

(沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院,沈陽 110159)

對于汽車行業(yè)而言,消費(fèi)者對整車品質(zhì)的要求嚴(yán)苛,除了汽車的經(jīng)濟(jì)性、動力性等,消費(fèi)者更看重的是駕駛和乘坐舒適性.據(jù)統(tǒng)計,汽車故障投訴中有1/3的問題和噪聲、振動與聲振粗糙度(Noise,Vibration,Harshness,NVH)控制有關(guān)[1].汽車車內(nèi)噪聲大小作為影響駕乘人員乘坐舒適性的重要指標(biāo),不僅是提高整車品質(zhì)的關(guān)鍵,更是企業(yè)核心競爭力的體現(xiàn)[2].因此,有效控制車內(nèi)噪聲水平勢在必行.

為了有效控制汽車車內(nèi)噪聲,國內(nèi)外研究人員針對噪聲源識別問題提出的理論方法可以歸納為傳統(tǒng)噪聲源識別方法、基于信號處理技術(shù)的分析方法以及基于可視化技術(shù)的聲源識別方法.傳統(tǒng)噪聲源識別方法和基于可視化技術(shù)的聲源識別方法，在簡單聲源識別和表面噪聲識別上的應(yīng)用較廣.當(dāng)實際應(yīng)用于汽車這樣一個存在著多個噪聲源且包含多個振動發(fā)聲部件、聲固耦合性復(fù)雜的系統(tǒng)時,有識別精度低、測試成本高的劣勢；而基于信號處理技術(shù)的識別方法，在識別精度、測試手段和普適性上優(yōu)勢明顯[3-4].

相干分析法識別車內(nèi)噪聲源屬于數(shù)字信號處理類.該方法是以相關(guān)理論為基礎(chǔ),以相干函數(shù)為分析工具,本文主要采用偏相干函數(shù)，分析頻域內(nèi)各噪聲源的輸入信號與響應(yīng)點的輸出信號間的相干系數(shù)大小[5].偏相干函數(shù)是建立在常相干理論基礎(chǔ)上的[6],可視為特殊的常相關(guān)函數(shù)，兩者區(qū)別于偏相干分析可以在頻域范圍內(nèi)計算系數(shù)中各非獨立輸入對輸出的線性影響系數(shù)，而常相干分析在此方面的應(yīng)用存在局限性[7].在對振動噪聲信號源因果關(guān)系判斷正確的前提下進(jìn)行有序輸入,偏相干分析能剔除其他相關(guān)輸入的影響,提高在實際應(yīng)用中車輛噪聲源識別精確度[8].

本文在分析汽車振動噪聲產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上,進(jìn)行車內(nèi)噪聲源測試試驗以及相干性分析技術(shù)理論研究,結(jié)合譜分析識別出結(jié)構(gòu)-空氣噪聲源,以噪聲源類別判斷為基礎(chǔ)進(jìn)行信號源因果關(guān)系判斷,應(yīng)用偏相干分析法準(zhǔn)確識別引發(fā)車內(nèi)噪聲的噪聲源.

1 測試目標(biāo)確定及試驗設(shè)計

1.1 測試目標(biāo)分析

行駛中的汽車車內(nèi)噪聲源主要來自兩方面,分別是汽車自身工作條件方面和汽車外部環(huán)境方面,而由汽車外部環(huán)境導(dǎo)致的噪聲(如路噪、風(fēng)噪等)在進(jìn)行汽車設(shè)計生產(chǎn)過程中無法逐一實地考量進(jìn)而控制.對于汽車自身工作條件所引起的噪聲問題,為避免外部環(huán)境對汽車發(fā)動機(jī)懸置振動的影響,就需要進(jìn)行汽車在定置怠速工況基礎(chǔ)條件下的車內(nèi)噪聲源識別研究.基于此,本文所研究的影響定置工況下，車內(nèi)噪聲的主要噪聲源有:發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)以及發(fā)動機(jī)艙的共振.怠速工況下車內(nèi)噪聲源按結(jié)構(gòu)路徑和空氣路徑傳播如圖1所示.

圖1 定置怠速工況下車內(nèi)噪聲源傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of noise source transmission

1.2 車內(nèi)噪聲源測試試驗設(shè)計

對某國產(chǎn)SUV車進(jìn)行振動與噪聲測試,試驗方法依據(jù)GB/T 18697—2002《聲學(xué)汽車車內(nèi)噪聲測量方法》[9]進(jìn)行.在定置怠速工況下,以發(fā)動機(jī)懸置被動側(cè)的振動加速度、進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲、排氣系統(tǒng)噪聲和發(fā)動機(jī)艙噪聲作為系統(tǒng)模型中的輸入信號,駕駛員右耳處聲壓信號作為系統(tǒng)輸出信號,一共布置7個振動與噪聲測點,共需13個測試通道.

試驗主要儀器和設(shè)備包括:某國產(chǎn)SUV車、32通道LMS振動噪聲數(shù)據(jù)采集儀、美國PCB三向加速度傳感器、丹麥GRAS傳聲器等,測試對象的振動與噪聲各測點具體布置如圖2所示.圖2中測點1～3安裝三向加速度傳感器,測點4～7安裝傳聲器.

圖2 振動與噪聲測點布置圖Fig.2 Vibration and noise measuring points layout

2 車內(nèi)噪聲源測試數(shù)據(jù)分析

基于試驗設(shè)計方案以及相干性分析的技術(shù)理論,進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理,相干分析的研究是以相關(guān)理論為基礎(chǔ),以相干函數(shù)為分析工具,其流程如圖3所示.

2.1 時域數(shù)據(jù)分析

在測試過程中試驗車輛手剎處于制動狀態(tài),變速器位于空擋,將試驗車輛預(yù)熱5 min,待各系統(tǒng)處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)時開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.在定置怠速800 r/min工況下,采樣時間10 s內(nèi)測得的車內(nèi)噪聲源Overall曲線如圖4所示.

上述分析從時域的角度對懸置點振動和空氣噪聲聲壓進(jìn)行了時域特征分析,但是結(jié)構(gòu)振動和空氣噪聲的能量、幅值的大小，不能反映與車內(nèi)噪聲的關(guān)系,只能反映該時刻下的幅值變化,不能以此確定噪聲源,試驗采集的各測點振動與噪聲數(shù)據(jù)可以用來轉(zhuǎn)換到頻域下繼續(xù)進(jìn)行分析.

OA曲線是對整個采樣信號在時域上的線性平均,可以看到在10 s的采樣時間內(nèi)怠速800 r/min的車內(nèi)噪聲源輸入端信號處于穩(wěn)定狀態(tài),符合怠速工況的實際情況,數(shù)據(jù)采集可靠,整個時段的采樣信號可以作為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域下繼續(xù)進(jìn)行分析.

圖3 試驗數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 Test data processing flow chart

圖4 車內(nèi)噪聲源Overall Level曲線Fig.4 Interior noise source overall level curve

2.2 相干性分析技術(shù)理論

2.2.1多輸入單輸出系統(tǒng)模型

相干性分析中,假設(shè)噪聲源之間相互獨立,建立多輸入單輸出系統(tǒng)模型[10],如圖5所示.圖5中:xn(t)為噪聲源輸入信號;Hny(f)為由輸入到輸出的傳遞函數(shù);yn(t)為常參數(shù)理想線性系統(tǒng)的輸出;n(t)為偏離線性系統(tǒng)的所有偏差;y(t)為偏離線性系統(tǒng)的所有偏差n(t)與理想輸出yn(t)之和.

圖5 多輸入單輸出系統(tǒng)模型Fig.5 Multi-input and single output system model

常參數(shù)理想線性系統(tǒng)中相干函數(shù)定義為[7]

(1)

2.2.2偏相干分析計算

偏相干分析由常相干分析的基礎(chǔ)發(fā)展而來,能克服常相干函數(shù)在應(yīng)用條件下的限制.在多輸入單輸出系統(tǒng)中,若輸入信號間含有相干成分,偏相干分析可以預(yù)先將輸入信號與其他信號的相干因素去掉,運(yùn)用條件功率譜計算來排除信號源的相干影響,考慮圖5所示模型中n個任意輸入xi(t),(i=1,2,…,n)和一個輸出y(t)的情況,所有這(n+1)個信號均可測.為了方便描述,現(xiàn)規(guī)定記錄次序如下:去掉前r個輸入信號,剩下的是后面的(n-r)個輸入和輸出y(t).條件記錄記為

以上每個條件記錄的條件自譜Sii·r!和Syy·r!,條件互譜Siy·r!均可計算,即

其中,最優(yōu)系統(tǒng)Liy的計算公式為

(6)

若用y(t)=xn+1(t)來代替,則Liy變成Lij,得

(7)

對任意i，有Lii=1；任意j

(8)

(9)

實際車輛工作系統(tǒng)振動與噪聲的傳遞是耦合的、非獨立的[11].偏相干計算引入剩余譜的概念[12],能解決實際工程情況中多輸入信號間非獨立的問題,可以在各輸入信號間消除相關(guān)影響后計算各輸入對輸出的貢獻(xiàn),即在剩余譜應(yīng)用的基礎(chǔ)上建立起的多輸入單輸出系統(tǒng)模型中輸入信號間等效于滿足獨立性.模型理論應(yīng)用條件為:假定噪聲源信號為平穩(wěn)隨機(jī)信號,系統(tǒng)為常參數(shù)線性系統(tǒng).偏相干計算的系統(tǒng)模型如圖6所示.

圖6 基于剩余譜的多輸入單輸出系統(tǒng)模型 Fig.6 Multi input and single output system model

圖6是用一組有序的條件輸入記錄代替原始的已知輸入記錄,按圖6所示次序選擇的條件輸入記錄為{xi·(i-1)!},i=1,2,…,n,對于任意i,xi·(i-1)!表示前x1,x2,…,xi-1條件下的xi,即從xi中去掉x1到xi-1的線性影響后的測量信號,這些有序的條件輸入是兩兩不相關(guān)的,偏相干的系統(tǒng)模型解決了相干性理論應(yīng)用中對輸入信號相關(guān)性的限制.這種有序輸入就是輸入信號與輸出信號之間的因果關(guān)系判斷,在國外文獻(xiàn)中提及的有常相干函數(shù)法、發(fā)展的脈沖響應(yīng)函數(shù)法和Hilbert變換法[13-14].文獻(xiàn)[15]中論證了以上方法的缺陷,區(qū)別于以上方法,本文提出基于結(jié)構(gòu)和空氣噪聲源特性分析法的因果關(guān)系判斷:在判斷噪聲源類型的基礎(chǔ)上,若某頻段或工況下結(jié)構(gòu)噪聲為主，則該結(jié)構(gòu)噪聲源優(yōu)先級越高；若空氣噪聲為主，則空氣噪聲源優(yōu)先級越高.

2.3 車內(nèi)噪聲源特性分析

振動與噪聲測點的頻譜分析,可以在不切斷噪聲源與接收者關(guān)聯(lián)的情況下直接反映測試結(jié)果,在定置怠速800 r/min工況下,采用發(fā)動機(jī)左、右、后3個被動側(cè)懸置點振動加速度頻譜圖(見圖7)和各系統(tǒng)噪聲頻譜圖(見圖8)作為輔助分析圖.

圖7 被動側(cè)懸置點振動加速度頻譜圖Fig.7 Passive side mount point acceleration spectrum

圖8 排氣、進(jìn)氣、發(fā)動機(jī)艙噪聲頻譜圖Fig.8 Exhaust,intake,engine room noise spectrum

由圖7可知,發(fā)動機(jī)懸置的振動測量點在1 000 Hz以下有明顯的峰值,300 Hz以下的低頻能量最強(qiáng).由圖8可知,空氣系統(tǒng)噪聲在500 Hz以上有明顯的峰值,其中1 000 Hz以上的高頻能量最強(qiáng).圖7中在0～1 000 Hz頻段曲線峰值多于圖8對應(yīng)頻段峰值,且能量較強(qiáng);圖8中1 000～2 000 Hz頻段曲線峰值多于圖7對應(yīng)頻段峰值,且能量較強(qiáng).由此判斷汽車怠速工況下車內(nèi)噪聲源產(chǎn)生的原因如下:結(jié)構(gòu)振動和空氣噪聲相互耦合共同作用,但0～1 000 Hz頻段處主要是發(fā)動機(jī)的激勵作用經(jīng)懸置點傳遞至車身引起結(jié)構(gòu)壁板振動,在駕駛室內(nèi)形成輻射噪聲,結(jié)構(gòu)噪聲為主;在1 000～2 000 Hz頻段處,進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲和發(fā)動機(jī)艙噪聲通過空氣傳播經(jīng)車身孔隙進(jìn)入車內(nèi),空氣噪聲為主.

3 偏相干分析的車內(nèi)噪聲源識別

車內(nèi)噪聲源特性分析識別出的結(jié)構(gòu)和空氣噪聲源判別結(jié)果,解決了偏相干分析信號源的因果關(guān)系判斷問題.被測車輛的橡膠懸置實際為非線性系統(tǒng),但測試條件為定置怠速工況,可以將其視為弱線性系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集是在正態(tài)平穩(wěn)隨機(jī)過程下進(jìn)行的,根據(jù)相干性理論,可以進(jìn)行線性系統(tǒng)分析.

以結(jié)構(gòu)-空氣噪聲源識別試驗的6個噪聲源測點作為輸入,駕駛員右耳處噪聲作為輸出,建立一個6輸入單輸出的線性系統(tǒng),如圖9所示.根據(jù)車內(nèi)噪聲源特性分析的因果關(guān)系判斷,當(dāng)研究0～1 000 Hz 頻段時,結(jié)構(gòu)噪聲源因果關(guān)系大、優(yōu)先級高,則將發(fā)動機(jī)振動測點信號放置首位,其余任意排列;當(dāng)研究1 000～2 000 Hz頻段時,空氣噪聲源因果關(guān)系大、優(yōu)先級高,將頻譜峰值能量高,頻譜峰值密度大的放置首位,其余任意排列;當(dāng)研究其他頻段時,同理分析.

圖9 6輸入單輸出系統(tǒng)模型Fig.9 Six-input single output system

將LMS Test.lab中的實測振動與噪聲數(shù)據(jù)處理后應(yīng)用偏相干程序在Matlab軟件中計算,計算怠速800 r/min工況下,3個發(fā)動機(jī)懸置被動側(cè)振動測點和進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)艙的噪聲測點偏相干系數(shù)曲線，如圖10所示.

由圖10可知:在0～1 000 Hz頻段內(nèi),振動與噪聲對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)較大,其中,峰值最大的為發(fā)動機(jī)右懸置,其偏相干系數(shù)約為0.91,其次是發(fā)動機(jī)后懸置和進(jìn)氣系統(tǒng),振動測點貢獻(xiàn)明顯偏高.說明怠速工況下發(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn),低頻段發(fā)動機(jī)振動經(jīng)過懸置點傳遞至車身及車架引起車內(nèi)結(jié)構(gòu)壁板振動是造成車內(nèi)噪聲的主因,該頻段范圍內(nèi)發(fā)動機(jī)振動為主要噪聲源,其中經(jīng)發(fā)動機(jī)右懸置傳遞的貢獻(xiàn)量最大.

圖10 振動與噪聲測點偏相干曲線圖Fig.10 Partial coherent curve of measuring points of

在1 000～2 000 Hz頻段內(nèi),峰值最大的為發(fā)動機(jī)左懸置,其偏相干系數(shù)約為0.90;其次是發(fā)動機(jī)艙和發(fā)動機(jī)后懸置,頻段內(nèi)噪聲達(dá)到較高的原因是空氣噪聲與結(jié)構(gòu)振動的耦合,兩者共同作用形成的噪聲泄露至駕駛室內(nèi),導(dǎo)致車內(nèi)噪聲壓力值增大,其中經(jīng)發(fā)動機(jī)左懸置傳遞的貢獻(xiàn)量最大.

在2 000～3 000 Hz頻段內(nèi),峰值最大的為發(fā)動機(jī)艙,其偏相干系數(shù)約為0.75;其次是排氣系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)右懸置,振動測點的部分貢獻(xiàn)總體上下降,空氣噪聲對駕駛室內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)增強(qiáng),表明發(fā)動機(jī)的燃燒噪聲和排氣系統(tǒng)的噪聲通過空氣泄漏到駕駛室,其中發(fā)動機(jī)艙是主要的噪聲源.

結(jié)合以上分析可知:定置怠速工況下振動與噪聲在各頻段內(nèi)均有耦合作用,造成怠速工況下車內(nèi)噪聲的主要噪聲源是發(fā)動機(jī)系統(tǒng),發(fā)動機(jī)右懸置的振動傳遞至車內(nèi)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲貢獻(xiàn)最大.表明基于結(jié)構(gòu)-空氣噪聲源特性分析的因果關(guān)系判斷下進(jìn)行信號有序的條件輸入,應(yīng)用偏相干分析在不同頻率上能準(zhǔn)確識別出主要噪聲源,在解決實際工程問題應(yīng)用中效果顯著.

4 結(jié)論

通過對被測車輛振動與噪聲測點的實時數(shù)據(jù)采集并處理,應(yīng)用偏相干性分析得出如下結(jié)論.

(1) 車內(nèi)噪聲在全頻域內(nèi)均受結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲的耦合作用,在基于結(jié)構(gòu)-空氣噪聲源特性分析基礎(chǔ)上解決了信號源的因果關(guān)系判斷,做到輸入信號的有序輸入,應(yīng)用相干性分析確定影響車內(nèi)噪聲的主要噪聲源.

(2) 針對某國產(chǎn)SUV車型,在定置怠速工況下進(jìn)行振動與噪聲測點實時采集數(shù)據(jù),應(yīng)用相干性理論識別噪聲源分析得出:在0～1 000 Hz頻段,發(fā)動機(jī)振動為主要噪聲源,其中峰值最大的為發(fā)動機(jī)右懸置,其偏相干系數(shù)約為0.91,是主要貢獻(xiàn)源;在1 000～2 000 Hz頻段,噪聲達(dá)到較高的原因是空氣噪聲與結(jié)構(gòu)振動的耦合,其中峰值最大的為發(fā)動機(jī)左懸置,其偏相干系數(shù)約為0.90,是主要貢獻(xiàn)源;在2 000～3 000 Hz頻段,振動測點貢獻(xiàn)量下降,空氣噪聲的貢獻(xiàn)增強(qiáng),其中峰值最大的為發(fā)動機(jī)艙,其相干系數(shù)約為0.75,是主要貢獻(xiàn)源.根據(jù)偏相干系數(shù)大小可知,0～1 000 Hz頻段的偏相干系數(shù)明顯高于其他頻段的偏相干系數(shù),這是車輛在定置怠速工況下的主要噪聲頻段.由此可以驗證應(yīng)用偏相干分析方法可以很好地進(jìn)行車內(nèi)噪聲源識別.