應(yīng)用偏相干分析識別混合動力汽車車內(nèi)噪聲源

藍(lán)云翔，左言言

( 江蘇大學(xué) 噪聲振動研究所，江蘇 鎮(zhèn)江212013）

對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車來說，車內(nèi)噪聲主要來源于發(fā)動機(jī)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、底盤、行駛的輪胎等。而混合動力汽車（HEV）與傳統(tǒng)轎車相比，結(jié)構(gòu)形式發(fā)生明顯變化，其動力總成系統(tǒng)集成了發(fā)動機(jī)、驅(qū)動機(jī)、發(fā)動機(jī)啟停電機(jī)、動力耦合機(jī)構(gòu)、主減速器等部件，可實(shí)現(xiàn)純電動運(yùn)行模式、發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式及油電混合驅(qū)動模式等工作狀態(tài)，同時(shí)通過增加能量電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及相關(guān)部件而提高了能量的利用率。

混合動力汽車的工作特性決定了發(fā)動機(jī)在汽車運(yùn)行過程中需頻繁地在起動和停機(jī)中切換，特別是由電動驅(qū)動切換至與發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動所引起的瞬態(tài)沖擊振動現(xiàn)象尤為突出[1-2]。HEV 的驅(qū)動模式取決于整車控制策略，即根據(jù)車輛負(fù)荷需求并結(jié)合當(dāng)前設(shè)備工作狀態(tài)確定發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的工作任務(wù)[3]。例如在混動模式下發(fā)電機(jī)、電動機(jī)與發(fā)動機(jī)均處于工作狀態(tài)，車輛依靠電動機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動，發(fā)動機(jī)以低扭矩輸出，通過發(fā)電機(jī)為蓄電池進(jìn)行充電。發(fā)動機(jī)與電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通常有多種噪聲源同時(shí)并存，而混合動力汽車的主要運(yùn)轉(zhuǎn)部件包括發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、耦合機(jī)構(gòu)等幾部分，并且相互之間影響較大[4-5]，因此需要使用有效的技術(shù)對其噪聲影響進(jìn)行分析。

以某混合動力汽車為對象，針對不同工況，應(yīng)用偏相干技術(shù)進(jìn)行整車噪聲源識別的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中基于偏相干分析確定了影響駕駛員耳旁噪聲的主要噪聲源，為混合動力汽車的進(jìn)一步減振降噪提供了依據(jù)。

1 偏相干分析理論

1.1 偏相干分析模型

對于混合動力汽車而言，其主要噪聲源相互之間并不獨(dú)立，它們之間的相干性較強(qiáng)，在分析不同噪聲源對駕駛員耳邊噪聲的影響時(shí)，不能把這些噪聲源認(rèn)為是獨(dú)立的，所以需要選擇使用偏相干法進(jìn)行分析[6]。目前用偏相干分析的方法可以計(jì)算出兩個(gè)信號的相干函數(shù)[7]，把駕駛員右耳噪聲作為整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)的輸出，就能把問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)多輸入/單輸出系統(tǒng)的相干問題[8]。各輸入與輸出的相干程度即相干函數(shù)值越大說明輸入對輸出的貢獻(xiàn)越大，表明該輸入是輸出的主要來源。

為了對相干振源進(jìn)行定量識別，建立如圖1所示的相干輸入下的振源識別模型。

圖1 相干輸入下的多輸入/單輸出系統(tǒng)模型

圖1中，系統(tǒng)有r個(gè)輸入，Xi-1！表示X1、X2、···、Xi-1條件下的Xi，即從Xi中去掉受X1、X2、···、Xi-1相關(guān)部分的影響的Xi信號。Y為輸出信號，Hiy為輸出對第i個(gè)輸入Xi的頻響函數(shù)，N為外界干擾信號。

1.2 偏相干計(jì)算流程

根據(jù)圖1，可導(dǎo)出條件功率譜的遞推表達(dá)式[9]

利用圖1所示模型，通過條件功率譜和偏相干函數(shù)可以進(jìn)行噪聲源識別的計(jì)算分析。為減小計(jì)算量，采用迭代方法進(jìn)行偏相干函數(shù)計(jì)算[10-11]。偏相干函數(shù)計(jì)算式為

根據(jù)式（1）和式（2），應(yīng)用MATLAB相關(guān)功能進(jìn)行迭代計(jì)算就可獲得多輸入系統(tǒng)中相關(guān)聲源的偏相干系數(shù)，具體計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 偏相干計(jì)算流程

在獲得偏相干函數(shù)后即可由此分析主要噪聲源及各聲源對輸出的貢獻(xiàn)量。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 HEV 噪聲試驗(yàn)分析

試驗(yàn)參照國標(biāo)GB/T 18697-2002[12]《聲學(xué)汽車車內(nèi)噪聲測量方法》來進(jìn)行。

試驗(yàn)時(shí)，在正駕駛右耳、發(fā)動機(jī)前懸置、電動機(jī)、耦合機(jī)構(gòu)、排氣系統(tǒng)及左后輪胎上均布置了傳聲器。測點(diǎn)布置見表1。

表1 傳感器位置

但由于HEV行駛工況不同，其A計(jì)權(quán)聲壓級大小與峰值頻率均有所不同，故將針對不同的工況對車內(nèi)噪聲進(jìn)行分析。

2.2 純電動驅(qū)動模式

由于該HEV 采用了電動機(jī)與發(fā)動機(jī)并存的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在車輛起步或是中低速行駛時(shí)可僅依靠電動機(jī)驅(qū)動，發(fā)動機(jī)處于關(guān)閉或待機(jī)狀態(tài)。在純電動模式下，在蓄電池SOC 超過設(shè)定的閾值時(shí)，蓄電池開始向電動機(jī)MG2供電，汽車起步或維持中低速行駛，此時(shí)發(fā)電機(jī)MG1與發(fā)動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)或待機(jī)。選取勻速60 km/h 的工況下駕駛員與駕駛員后排乘客的右耳處A 計(jì)權(quán)聲壓級來分析純電動工況下車內(nèi)噪聲頻譜的分布規(guī)律，如圖3所示。

圖3 純電動模式下車內(nèi)噪聲頻譜

從圖3可看出，無論前排還是后排，車內(nèi)噪聲主要集中在200 Hz～1 000 Hz 區(qū)域，在60 km/h 工況下，噪聲基本維持在2 000 Hz 以下，主要出現(xiàn)在35 Hz、117 Hz、355 Hz、468 Hz、893 Hz、1 014 Hz。由于2 000 Hz 以后的車內(nèi)噪聲均在30 dB(A)以下，因此模擬計(jì)算車內(nèi)噪聲時(shí)，最高計(jì)算頻率取為2 000 Hz就基本滿足要求了。同樣發(fā)現(xiàn)，在幾個(gè)峰值頻率下，駕駛員右耳處噪聲均要比后排左側(cè)乘員右耳處噪聲高出1 dB(A)～3 dB(A)，所以下面將以駕駛員右耳A計(jì)權(quán)聲壓級作為主要研究對象。

2.3 混合驅(qū)動模式

在混合驅(qū)動模式下，發(fā)動機(jī)與電動機(jī)同時(shí)工作，并向該HEV 提供行駛動力。通過該HEV 的控制策略可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)MG1、電動機(jī)MG2 與發(fā)動機(jī)均處于工作狀態(tài)，該車是依靠電動機(jī)MG2 來進(jìn)行驅(qū)動，發(fā)動機(jī)以低扭矩輸出，并通過發(fā)電機(jī)MG1 為蓄電池HV充電。

混合驅(qū)動工況下車速為60 km/h 與100 km/h 時(shí)駕駛員右耳A計(jì)權(quán)聲壓級頻譜圖如圖4所示。

對比圖3與圖4可以看出，同樣在穩(wěn)態(tài)工況（60 km/h）下，在0～2 000 Hz的范圍內(nèi)，混合驅(qū)動工況A計(jì)權(quán)聲壓級要高于純電動工況，(如混動工況聲壓級峰值為61.3 dB(A)，而電動工況僅達(dá)到50.7 dB(A)）但此時(shí)峰值頻率與純電動工況時(shí)基本一致，均在35 Hz、120 Hz、350 Hz、470 Hz、890 Hz、1 015 Hz附近且相差不超過5 Hz，故文中直接使用混動工況的峰值頻率來描述純電動工況。

圖4 車速為60 km/h與100 km/h時(shí)混合驅(qū)動車內(nèi)噪聲對比

而將混動工況下60 km/h 與100 km/h 2 種車速工況進(jìn)行對比不難看出，相對于60 km/h，100 km/h時(shí)聲壓級的峰值頻率發(fā)生明顯變化，峰值頻率向中高頻范圍移動，主要出現(xiàn)在65 Hz、234 Hz、471 Hz、728 Hz、1 085 Hz、1 326 Hz等處，且聲壓級峰值明顯增大。說明即使在相同的工況下該HEV 在不同速度下時(shí)的噪聲情況也有明顯差異。

2.4 發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式

在發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式下，發(fā)動機(jī)作為主要的動力輸出，蓄電池停止向電動機(jī)MG2 供電，發(fā)電機(jī)MG1停止運(yùn)轉(zhuǎn)，類似于普通的內(nèi)燃機(jī)轎車。

試驗(yàn)主要對60 km/h勻速工況下純電動驅(qū)動、發(fā)動機(jī)驅(qū)動以及混合驅(qū)動3種模式下的噪聲頻譜分布規(guī)律進(jìn)行研究，3種工況下駕駛員右耳A計(jì)權(quán)聲壓級頻譜圖如圖5所示。

圖5 3種工況下正駕駛右耳噪聲

如圖5所示，在穩(wěn)態(tài)工況（60 km/h）下，混合驅(qū)動時(shí)駕駛員右耳處A計(jì)權(quán)聲壓級要高于發(fā)動機(jī)驅(qū)動以及純電動機(jī)驅(qū)動兩種模式且峰值更加明顯。聲壓級峰值主要出現(xiàn)在0～500Hz與800 Hz～1 200 Hz的低頻及中頻范圍內(nèi)。

而該HEV在高速行駛狀態(tài)下，可近似認(rèn)為HEV處于混合驅(qū)動模式工作狀態(tài)，此時(shí)發(fā)動機(jī)與電動機(jī)同時(shí)提供驅(qū)動力，以發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛行駛為主，電動機(jī)起輔助作用，這樣既可以保證車輛有足夠的行駛動力，又可以降低發(fā)動機(jī)的載荷輸出。

由上文可以得知，車速為60 km/h 時(shí)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動工況下的噪聲峰值低于混合驅(qū)動工況，且在高速行駛狀態(tài)（100 km/h）大多為混合驅(qū)動模式，所以本文不再對發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式單獨(dú)進(jìn)行討論。

3 偏相干計(jì)算分析

根據(jù)上一小節(jié)所得的A 計(jì)權(quán)聲壓級頻譜圖，通過MATLAB 相關(guān)功能進(jìn)行迭代計(jì)算就可以計(jì)算出各輸出信號與輸入信號之間的偏相干函數(shù)。勻速60 km/h 時(shí)純電動工況與混合驅(qū)動工況與100 km/h時(shí)混合驅(qū)動工況下的耦合機(jī)構(gòu)、發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、排氣尾管以及左后車輪噪聲的偏相干函數(shù)圖如圖6所示。圖中偏相干系數(shù)已經(jīng)去除了其他輸入的影響。

將各主要噪聲源在各個(gè)峰值頻率點(diǎn)處的偏相干系數(shù)值列出，如表3、表4、表5所示。

由于A計(jì)權(quán)聲壓級峰值集中在0～1 400 Hz內(nèi)，且在1 400 Hz 以上的高頻段中總是小于40 dB(A)，故1 400 Hz以上的高頻段噪聲在文中不做研究。首先觀察表3與表4，可以得到：

（1）在低頻段（100 Hz 以內(nèi)），除輪胎外，其余噪聲源偏相干系數(shù)均比較小。這說明在低頻段主要噪聲源為輪胎（偏相干系數(shù)為0.674、0.413）。

（2）在中頻段（100 Hz～600 Hz），各噪聲源的偏相干系數(shù)在兩種工況下出現(xiàn)了明顯的不同。在混合驅(qū)動工況下，發(fā)動機(jī)的偏相干系數(shù)較高，在117 Hz偏相干系數(shù)出現(xiàn)峰值，系數(shù)值為0.703。而在純電動工況下，發(fā)動機(jī)偏相干系數(shù)降低（注：在勻速60 km/h的工況下，即使是在純電動工況，發(fā)動機(jī)依然處于工作狀態(tài)，即待機(jī)狀態(tài)），而電動機(jī)的偏相干系數(shù)有顯著提高，其中在468 Hz 處達(dá)到0.497。結(jié)合文獻(xiàn)[2]可知，這是因?yàn)樵诩冸妱庸r下，電動機(jī)是主要的動力來源，該HEV在300 Hz～630 Hz區(qū)間出現(xiàn)的噪聲峰值是電動機(jī)與發(fā)電機(jī)的電磁噪聲引起的。

（3）在800 Hz～1 200 Hz的中高頻段，耦合機(jī)構(gòu)的偏相干系數(shù)較高，在893 Hz處附近偏相干系數(shù)達(dá)到0.705 和0.558，而其余噪聲源偏相干系數(shù)均比較小。說明在800 Hz～1 200 Hz 范圍內(nèi)，耦合機(jī)構(gòu)為駕駛員右耳處主要噪聲源。

表3 混合驅(qū)動工況下車速為勻速60 km/h時(shí)各主要頻率處偏相干系數(shù)

表4 純電動工況下車速為勻速60 km/h時(shí)各主要頻率處偏相干系數(shù)

表5 混合驅(qū)動工況下車速為勻速100 km/h時(shí)各主要頻率處偏相干系數(shù)

隨后觀察表5，通過對車速為勻速100 km/h 時(shí)混合驅(qū)動工況下的各噪聲源偏相干系數(shù)進(jìn)行研究，可以得到：

（1）在高速狀態(tài)下，在各個(gè)頻段輪胎和排氣尾管的偏相干系數(shù)相對于低速狀態(tài)均有明顯提高。這是因?yàn)樵诟咚贍顟B(tài)下，空氣噪聲取代結(jié)構(gòu)噪聲成為主要的噪聲來源[9]，輪胎和排氣尾管對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)比例開始顯現(xiàn)并且增大。

圖6 不同工況各噪聲源偏相干系數(shù)

（2）在0～1 000 Hz 的區(qū)間范圍內(nèi)，輪胎噪聲成為最主要的噪聲源，在234 Hz與471 Hz處偏相干系數(shù)出現(xiàn)了峰值（0.612與0.598），其次為排氣尾管，在234 Hz處出現(xiàn)峰值（0.511）。

（3）在1 000 Hz～1 400 Hz的中高頻段，耦合機(jī)構(gòu)依然是最主要的噪聲源，在1 085 Hz 附近偏相干系數(shù)達(dá)到0.674。說明在1 000 Hz～1 400 Hz 范圍內(nèi)，即中高頻范圍內(nèi)，耦合機(jī)構(gòu)為駕駛員右耳處主要噪聲源。這是由于該車為實(shí)現(xiàn)無級變速采用行星齒輪機(jī)構(gòu)，在高速狀態(tài)下，行星輪的轉(zhuǎn)速可以超過10 000 r/min，這也導(dǎo)致了在中高頻段耦合機(jī)構(gòu)影響較大。

4 結(jié)語

就某混合動力汽車的噪聲問題，建立了聲源系統(tǒng)多輸入單輸出模型，以車速為60 km/h時(shí)混合驅(qū)動工況、純電動工況與車速為100 km/h 時(shí)混合驅(qū)動工況下駕駛員右耳處噪聲作為研究對象，在試驗(yàn)測量的基礎(chǔ)上采用偏相干分析的方法研究發(fā)動機(jī)、耦合機(jī)構(gòu)等5個(gè)噪聲源在不同頻段內(nèi)對駕駛員右耳噪聲的影響，通過研究得知：

（1）各個(gè)噪聲源中偏相干系數(shù)峰值均較為明顯且與聲壓級峰值所處頻段基本吻合，說明偏相干分析技術(shù)可以應(yīng)用于HEV的噪聲源分析，并且可以有效識別噪聲源；

（2）在1 000 Hz～1 500 Hz的中高頻段區(qū)間內(nèi)，耦合機(jī)構(gòu)在3種工況下均為主要噪聲源。

（3）在車速為勻速60 km/h時(shí)的純電動工況下，電動機(jī)產(chǎn)生的電磁噪聲成為該HEV 的主要噪聲來源，尤其集中在300 Hz～630 Hz 的區(qū)間范圍內(nèi)。日后可針對電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及功率角等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，以減小該HEV的電磁噪聲。

（4）在車速為勻速100 km/h時(shí)的高速混合驅(qū)動工況下，輪胎噪聲與排氣尾管成為中低頻段（0～1 000 Hz 內(nèi)）的最主要噪聲源，所以，在高速行駛工況下，針對輪胎以及排氣尾管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)成為日后研究的主要目標(biāo)。