基于臺(tái)架的真空泵車內(nèi)噪聲計(jì)算方法研究

李登山 湯樂超 趙偉 胡杰宏 陳曦

摘? 要：真空泵噪聲問題是電動(dòng)汽車突出問題之一，如何基于臺(tái)架噪聲預(yù)測(cè)真空泵車內(nèi)噪聲成為一項(xiàng)重要的研究課題?；谂_(tái)架噪聲聲源轉(zhuǎn)換，結(jié)合聲傳函（Acoustic Transfer Function，ATF）測(cè)試結(jié)果，推導(dǎo)了真空泵車內(nèi)噪聲的計(jì)算公式，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該計(jì)算方法準(zhǔn)確有效，與試驗(yàn)誤差在1.5dB（A）左右。該計(jì)算方法對(duì)車輛噪聲子系統(tǒng)目標(biāo)分解選型具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：真空泵;臺(tái)架噪聲;聲源轉(zhuǎn)換;聲傳函;車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：U461.4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2020）03-0016-06

Abstract： Vacuum pumps noise is one of the major problems in electric vehicles. How to precisely predict interior noise induced by vacuum pump has become a research point. Bench noise source conversion combined with Acoustic Transfer Function test results， the formula for calculating the interior noise can be derived. After the test verification， the results show that the calculation method is accurate and effective， which predictive error is about 1.5dB （A） .It provides important reference for target decomposition and selection of vehicle noise subsystem.

Key Words： Vacuum Pump; Bench Noise; Source Conversion; Acoustic Transfer Function; Interior Noise Prediction

引? ?言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和國(guó)家政策的引導(dǎo)，電動(dòng)化已成為汽車行業(yè)發(fā)展的重要特征之一，因沒有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的掩蔽效應(yīng)，真空泵等輔助系統(tǒng)噪聲問題更加明顯[1]。隨著開發(fā)周期縮短和試驗(yàn)物理樣車減少，如何在早期預(yù)測(cè)真空泵車內(nèi)噪聲變得更為迫切。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究人員一般是通過仿真的方法計(jì)算車內(nèi)噪聲，但在工程應(yīng)用中有很多局限。汽車噪聲通常為寬頻噪聲，需要結(jié)合有限元、邊界元、統(tǒng)計(jì)能量法等多種建模方法進(jìn)行混合建模[2-5]，需要輸入大量的內(nèi)外飾材料參數(shù)與多項(xiàng)試驗(yàn)調(diào)試，需要大量的數(shù)據(jù)積累且對(duì)試驗(yàn)資源占有較高。此外，一些車內(nèi)噪聲仿真的關(guān)鍵細(xì)節(jié)仍難以模擬，如車身孔隙分布、隔音墊貼合情況和過孔的細(xì)節(jié)等?；趯?shí)際或相近車型的聲傳函，計(jì)算附件系統(tǒng)的車內(nèi)噪聲更具現(xiàn)實(shí)意義。

本文通過試驗(yàn)的方法計(jì)算車內(nèi)噪聲，需進(jìn)行聲源載荷識(shí)別和傳遞路徑識(shí)別。聲源載荷識(shí)別可分為實(shí)車近場(chǎng)測(cè)量和臺(tái)架噪聲測(cè)量[6-8]。實(shí)車近場(chǎng)測(cè)量時(shí)有兩個(gè)問題難以解決：一是輸入信號(hào)之間相互影響，容易造成計(jì)算結(jié)果偏大，需要進(jìn)行修正[9];二是聲源附近的聲壓受到周圍環(huán)境空腔模態(tài)和吸聲性能的影響，此部分影響在傳遞路徑識(shí)別中已經(jīng)涵蓋而被重復(fù)計(jì)算。本文采用消聲室環(huán)境下的臺(tái)架噪聲測(cè)量，無上述問題。

傳遞路徑識(shí)別可分為空氣傳播噪聲和結(jié)構(gòu)傳播噪聲。中高頻噪聲如風(fēng)噪聲、電磁噪聲等，主要是空氣傳播噪聲;中低頻噪聲如鈑金振動(dòng)噪聲、路面噪聲等，主要是結(jié)構(gòu)傳播噪聲[10]。本文中真空泵與電機(jī)總成之間通過橡膠襯套隔振，電機(jī)總成和車身之間通過懸置隔振，所以真空泵兩級(jí)隔振后輻射的結(jié)構(gòu)傳播噪聲很小，可認(rèn)為真空泵車內(nèi)噪聲主要為空氣傳播噪聲，傳遞路徑中僅測(cè)量聲傳函。本文中為避免聲源布置空間的限制采用逆向法進(jìn)行測(cè)試[11-13]，即乘員艙布置聲源，機(jī)艙布置傳聲器。

汽車真空泵臺(tái)架噪聲和聲傳函通常局限于與對(duì)標(biāo)車單獨(dú)比較，沒有用來預(yù)測(cè)其車內(nèi)噪聲。本文通過聲源轉(zhuǎn)換將兩者有效結(jié)合起來，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算方法準(zhǔn)確有效。該方法增加了項(xiàng)目開發(fā)的可控性，對(duì)車內(nèi)噪聲子系統(tǒng)目標(biāo)分解與選型具有重要意義。

1? ? 真空泵車內(nèi)噪聲頻譜特征及傳遞路徑

真空泵是一個(gè)常見的電動(dòng)車輔助系統(tǒng)聲源，當(dāng)真空助力器真空度不足時(shí)，真空泵會(huì)接入蓄電池電源向外泵氣，泵氣過程一般持續(xù)約15秒，期間會(huì)產(chǎn)生空氣動(dòng)力性噪聲、內(nèi)部機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)的機(jī)械性噪聲和電機(jī)的電磁性噪聲。當(dāng)電動(dòng)車踩下制動(dòng)踏板剛要啟動(dòng)時(shí)，車內(nèi)真空泵噪聲很明顯。

真空泵發(fā)聲時(shí)，車內(nèi)前排后排等不同位置的響應(yīng)有所差異，本文選擇用車內(nèi)的駕駛員內(nèi)耳位置作為代表進(jìn)行研究。將測(cè)試車輛置于半消聲室內(nèi)，關(guān)閉汽車空調(diào)等設(shè)備，測(cè)出駕駛員內(nèi)耳背景噪聲，再讓真空泵工作，實(shí)測(cè)駕駛員內(nèi)耳噪聲及其背景噪聲見圖1：

一般噪聲超出背景噪聲6dB（A）后，人可以明確感知。從圖1中可以看出，真空泵車內(nèi)噪聲2500Hz以上的頻段聲壓級(jí)與背景噪聲差距不足6dB（A），本文不進(jìn)行研究，而主要研究三分之一倍頻程315～2500Hz。

真空泵空氣傳播噪聲向車內(nèi)傳遞可以將聲音能量分為3部分，如圖2所示：第一部分為直接傳入聲，聲音直接通過車身壁板或縫隙傳遞到車內(nèi)，此部分能量主要取決于與乘員艙隔聲性能;第二部分為間接傳入聲，聲音在傳播過程中被地面縱梁等物體反射，最終間接傳入到車內(nèi)，此部分能量主要取決于機(jī)艙吸聲性能;第三部分聲音在傳遞過程中不斷衰減，被聲學(xué)材料吸收或散失到大氣中。

2? ? 真空泵臺(tái)架噪聲測(cè)試與聲源轉(zhuǎn)換

2.1? ?臺(tái)架噪聲測(cè)試

消聲室中將真空泵懸吊起來，通過導(dǎo)線接入穩(wěn)壓電源，保證臺(tái)架真空泵工作電壓與在整車上工作電壓一致。參考GB/T 1859，在真空泵“上、下、前、后、左、右”6個(gè)方向各布置一個(gè)傳聲器。為了構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的球形輻射面，本文中以真空泵中心而不是真空泵表面為參考布置傳聲器，傳聲器距離真空泵中心0.5m，如圖3所示：

測(cè)試結(jié)果見圖4：

2.2? ? 聲源轉(zhuǎn)換

真空泵近似于一個(gè)圓柱體，底面直徑約94mm，高度約137mm，在電機(jī)艙中的安裝位置見圖5：

通常真空泵表面輻射不均勻，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文中將其平分為6個(gè)輻射面，假設(shè)每個(gè)輻射面內(nèi)噪聲輻射均勻。這樣可以將臺(tái)架中真空泵等效為6個(gè)六分之一球面聲源。假設(shè)真空泵右側(cè)因緊靠電機(jī)壁面而導(dǎo)致右側(cè)聲音全部反射到其他方向，反射能量按照“上、下、前、后”輻射的聲功率比例分配，根據(jù)能量守恒定律可將6個(gè)面聲源轉(zhuǎn)換為5個(gè)面聲源。假設(shè)這5個(gè)面聲源均通過真空泵附近對(duì)應(yīng)方向的點(diǎn)輻射噪聲，可將5個(gè)面聲源轉(zhuǎn)換為5個(gè)等效點(diǎn)聲源。最終，聲源轉(zhuǎn)換過程如圖6所示：

本文中假定聲源輻射方向的變化產(chǎn)生的影響可忽略，主要有兩個(gè)原因：一方面，真空泵附近存在前縱梁、前圍板、電驅(qū)總成和機(jī)艙護(hù)板等多個(gè)壁面，聲音會(huì)在這些壁面間來回反射而近似形成一個(gè)混響場(chǎng)，削弱了聲音指向性的影響;另一方面，真空泵尺寸相對(duì)于傳遞路徑來說不到十分之一。

3? ? 等效點(diǎn)聲源至車內(nèi)聲傳函測(cè)試

本文把激勵(lì)源為中高頻體積聲源，可直接測(cè)出聲音體積加速度，激勵(lì)信號(hào)為猝發(fā)隨機(jī)白噪聲，激勵(lì)點(diǎn)為駕駛員內(nèi)耳。我們以駕駛員視角為參考，定義方向“上、下、前、后、左、右”，因?yàn)檎婵毡糜覀?cè)緊靠電機(jī)無法布置傳聲器，所以只在機(jī)艙真空泵附近的“上、下、前、后、左”5個(gè)點(diǎn)布置傳聲器作為測(cè)點(diǎn)，傳聲器距離真空泵表面10cm，見圖7：

本文公式中“上、下、前、后、左、右”分別用“1、2、3、4、5、6”表示。本文中聲傳函用測(cè)點(diǎn)聲壓與激勵(lì)點(diǎn)的體積加速度的比值轉(zhuǎn)換為分貝表示，見公式（1）。

m=1，2，3，4，5? （1）

式中：Hm為（400～1250）Hz真空泵附近各測(cè)點(diǎn)到駕駛員內(nèi)耳聲傳函，pm為各測(cè)點(diǎn)聲壓，Q 激勵(lì)點(diǎn)體積加速度。

聲傳函測(cè)試結(jié)果見圖8：

4? ? 車內(nèi)噪聲計(jì)算和驗(yàn)證

①聲壓級(jí)A計(jì)權(quán)轉(zhuǎn)換見公式（2）、（3）：

式中：LpAk為真空泵臺(tái)架測(cè)試各測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí);Lpk為各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí);A為A計(jì)權(quán)的參數(shù);LpAi為預(yù)測(cè)的駕駛員內(nèi)耳處A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，Lpi為預(yù)測(cè)的駕駛員內(nèi)耳處聲壓級(jí)。

②聲壓級(jí)與聲壓關(guān)系見公式（4）、（5）：

式中：pk 為臺(tái)架各測(cè)點(diǎn)聲壓，pi 為預(yù)測(cè)駕駛員內(nèi)耳聲壓。

③臺(tái)架測(cè)試的消聲室可看作自由聲場(chǎng)，則測(cè)點(diǎn)的聲強(qiáng)在聲音傳播方向上的大小可采用公式（6）計(jì)算：

式中：Ik 為臺(tái)架各測(cè)點(diǎn)的聲強(qiáng)在聲音傳播方向上的大小;ρ 為空氣密度;c 為聲速。

④將距離真空泵中心R的球形輻射面平分為6部分，假設(shè)各部分內(nèi)聲音輻射均勻，即將真空泵聲源轉(zhuǎn)化為6個(gè)面聲源，則可按公式（7）計(jì)算出各輻射面的聲功率：

式中：Wk 為臺(tái)架測(cè)試中各輻射面聲功率。

⑤通過聲源轉(zhuǎn)換分析，聲傳函各測(cè)點(diǎn)聲功率見公式（8）：

式中：Wm為轉(zhuǎn)換后的聲傳函各測(cè)點(diǎn)聲功率。

⑥自由場(chǎng)中，點(diǎn)聲源聲功率與體積加速度關(guān)系見公式（9）：

式中：Qm為真空泵附近各點(diǎn)體積加速度。

⑦汽車行業(yè)中聲傳函測(cè)試一般采用逆向法，假設(shè)汽車中的聲音的傳遞路徑是線性系統(tǒng)，A點(diǎn)聲激勵(lì)下的B點(diǎn)響應(yīng)等于B點(diǎn)聲激勵(lì)下A點(diǎn)響應(yīng)，即聲源和和接受者是可逆的[11-13]。因此，真空泵附近某點(diǎn)到駕駛員內(nèi)耳處的聲傳函等于駕駛員內(nèi)耳處到真空泵附近某點(diǎn)的聲傳函，即為公式（10）：

式中：pm 為真空泵附近各等效聲源發(fā)聲時(shí)駕駛員內(nèi)耳對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。

⑧本文中假設(shè)各等效聲源在車內(nèi)的響應(yīng)是獨(dú)立的，將其各個(gè)響應(yīng)能量求和，即是預(yù)測(cè)的駕駛員內(nèi)耳總響應(yīng)，見公式（11）：

⑨將公式（1）、（2）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9）、（10）、（11）代入公式（3），可得公式（12）：

公式（12）消除了計(jì)權(quán)參數(shù)A和空氣傳播噪聲音傳播速度c等參數(shù)，R為0.5m，空氣密度ρ 為1.17kg/m3（0.1MPa，25℃），將圖4和圖8數(shù)據(jù)代入公式（12），可求出相應(yīng)頻率下的預(yù)測(cè)值 LpAi ，預(yù)測(cè)計(jì)算的結(jié)果和圖1中實(shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)比見圖9：

預(yù)測(cè)頻譜曲線和實(shí)測(cè)頻譜曲線吻合良好，研究頻段的各三分之一倍頻程相差1.5dB（A）左右，說明預(yù)測(cè)方法準(zhǔn)確有效。

5? ? 結(jié)論

本文介紹了車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)的現(xiàn)狀及目前仿真方法的局限性。本文分析了某電動(dòng)車機(jī)艙內(nèi)真空泵噪聲傳遞路徑，基于能量守恒定律把自由場(chǎng)環(huán)境下真空泵臺(tái)架噪聲近似轉(zhuǎn)換為5個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)聲源，結(jié)合聲傳函的互逆特征，推導(dǎo)了真空泵車內(nèi)噪聲的計(jì)算公式，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論如下：

（1）車內(nèi)噪聲計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)差異約1.5dB（A），計(jì)算方法準(zhǔn)確有效;

（2）以空氣傳播噪聲為主的聲源，可根據(jù)周圍環(huán)境基于輻射能量進(jìn)行聲源轉(zhuǎn)換;

（3）該計(jì)算方法對(duì)車內(nèi)噪聲子系統(tǒng)目標(biāo)分解與選型具有重要意義，可結(jié)合臺(tái)架噪聲目標(biāo)達(dá)成情況及時(shí)調(diào)整聲傳函目標(biāo)，評(píng)估真空泵安裝在不同位置的車內(nèi)噪聲等。

參考文獻(xiàn)：

[1]方源，章桐，于蓬，等. 集中驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車噪聲特性分析與試驗(yàn)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊，2015，34（13）：89-94.

[2]Cotoni V， Gardener B， Shorter P， et al. Demonstration of Hybrid FE-SEA Analysis of Structure-borne Noise in the Mid Frequency Range[C]. SAE Paper， 2005， 2005-01- 2331.

[3]Charpentier A， Sreedhar P， Gardner B， et al. Use of a Hybrid FE-SEA Model of a Trimmed Vehicle to Improve the Design for Interior Noise[C]. SAE Paper， 2009， 2009- 01-2199.

[4]YIN Hui， YU De-jie， LV Hui， et al. Hybrid finite element/statistical energy method for mid-frequency analysis of structure-acoustic systems with interval parameters[J]. Journal of Sound and Vibration， 2015， 353.

[5]王彬星，連小珉，鄭四發(fā)，等. 重型貨車車內(nèi)聲壓級(jí)預(yù)測(cè)[J].汽車工程，2016，38（02）：234-241.

[6]Krishna R， Dubbaka. Application of Noise Path Target Setting Using the Technique of Transfer Path Analysis[C]. SAE， 2003（1）; 1402.

[7]王玉雷，王晨光，徐炳樺，等. 某型汽車空氣路徑噪聲貢獻(xiàn)分析[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2019，39（02）：239-244.

[8]CAO Yun-tao， WANG Deng-feng， ZHAO Tong-hang， et al. Electric Vehicle Interior Noise Contribution Analysis [C]. SAE Paper， 2016， 2016-01-1296.

[9]郭榮，余卓平，左曙光，等. 燃料電池轎車空氣傳播噪聲傳遞路徑分析及控制[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（04）：394-399.

[10]曹勇. 電動(dòng)汽車車內(nèi)噪音的分析與控制[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[11]LU Ling， SUN-Hong-ling， WU Ming， et al. A Modified Electro-Acoustical Reciprocity Method for Measuring Low-frequency Sound Source in Arbitrary Surroundings[J]. Applied Acoustics， 2017， 116.

[12]Teik C Lim. Automotive panel noise contribution modeling based on finite element and measured structural-acoustic spectra[J]. Applied Acoustics， 2000， 60（4）.

[13]李靜波，王暉.? P/Q正向法和逆向法在汽車聲音傳遞函數(shù)中的對(duì)比研究[A]. 中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文，2015：4：1777-1780.