基于OPAX方法的整車室內(nèi)通過(guò)噪聲貢獻(xiàn)量分析

陳 劍,林小珊,高彬彬,劉 策

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 噪聲振動(dòng)工程研究所,安徽 合肥 230009)

隨著汽車保有量的增長(zhǎng),汽車噪聲污染問(wèn)題日益突出。為降低道路交通噪聲,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO對(duì)車輛通過(guò)噪聲測(cè)量提出更嚴(yán)格的要求,并進(jìn)一步降低通過(guò)噪聲限值。我國(guó)室外通過(guò)噪聲測(cè)試新標(biāo)準(zhǔn)草案GB 1495—20××也即將頒布實(shí)施,因此對(duì)整車通過(guò)噪聲進(jìn)行貢獻(xiàn)量分析,降低車輛通過(guò)噪聲、使其滿足新標(biāo)準(zhǔn)限值要求成為各大汽車企業(yè)亟待解決的問(wèn)題[1-2]。

汽車通過(guò)噪聲源識(shí)別常用的方法有聲強(qiáng)法[3]、波束成型技術(shù)[4]、屏蔽法[5-6]和傳遞路徑分析(transfer path analysis,TPA)法。聲強(qiáng)法和波束成型技術(shù)雖然可以識(shí)別出噪聲源的聲場(chǎng)分布,但無(wú)法對(duì)噪聲源進(jìn)行定量分析。屏蔽法可以評(píng)估車輛通過(guò)噪聲各噪聲貢獻(xiàn)量大小,但是也存在一些缺陷[7]:① 包裹屏蔽各噪聲源的過(guò)程十分繁雜耗時(shí);② 包裹材料對(duì)300 Hz以下的低頻段噪聲的屏蔽作用不大;③ 包裹會(huì)改變車輛的運(yùn)行狀態(tài),如包裹材料會(huì)導(dǎo)致各系統(tǒng)溫度升高,影響各噪聲源聲學(xué)特性;④ 某些系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下難以進(jìn)行包裹。文獻(xiàn)[8-9]使用傳統(tǒng)TPA方法對(duì)車輛通過(guò)噪聲進(jìn)行貢獻(xiàn)量分析,傳統(tǒng)TPA使用逆矩陣法求解載荷,矩陣容易出現(xiàn)病態(tài)導(dǎo)致結(jié)果存在誤差,同時(shí)傳統(tǒng)TPA在實(shí)際測(cè)試和計(jì)算時(shí)工作量大、周期長(zhǎng)。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文采用擴(kuò)展工況傳遞路徑分析(operational-X path analysis, OPAX)方法對(duì)整車室內(nèi)通過(guò)噪聲進(jìn)行貢獻(xiàn)量分析,該方法是一種基于參數(shù)化載荷識(shí)別的新型TPA方法[10],可以在保證分析精度的前提下縮短試驗(yàn)時(shí)間,OPAX方法不存在上述屏蔽法的缺點(diǎn),同時(shí)比傳統(tǒng)TPA方法更為高效便捷。

1 OPAX方法基本理論

在傳統(tǒng)TPA理論中,每條傳遞路徑的貢獻(xiàn)量是該路徑的工況載荷與該路徑的頻響函數(shù)之積,目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)是各傳遞路徑貢獻(xiàn)量的線性疊加。假設(shè)系統(tǒng)是線性和時(shí)不變的,則系統(tǒng)中某一目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)[11]可表示為:

(1)

其中:yk(ω)為目標(biāo)點(diǎn)k的響應(yīng);ω為圓頻率;m、n分別為結(jié)構(gòu)和聲學(xué)傳遞路徑數(shù)量;Fi(ω)、Qj(ω)分別為結(jié)構(gòu)和聲學(xué)載荷;Hki(ω)、Hkj(ω)分別為激勵(lì)力i和聲源j至目標(biāo)點(diǎn)k之間的非耦合頻響函數(shù)。TPA分析通常包括路徑工況載荷識(shí)別和路徑非耦合頻響函數(shù)測(cè)量2個(gè)方面。

1.1 參數(shù)化載荷識(shí)別方法

懸置動(dòng)剛度法適合采用柔性懸置連接的情況,該方法是通過(guò)懸置主、被動(dòng)端的工況響應(yīng)和懸置動(dòng)剛度曲線來(lái)估計(jì)工況載荷,其計(jì)算公式為:

(2)

其中:Fi(ω)為工況載荷;Ki(ω)為懸置動(dòng)剛度;aai(ω)、api(ω)分別為懸置主、被動(dòng)端的加速度響應(yīng)。懸置動(dòng)剛度法的缺點(diǎn)是缺少準(zhǔn)確的工況懸置動(dòng)剛度特性曲線,即使有也只是針對(duì)特定的載荷和激勵(lì)條件。

OPAX方法在懸置動(dòng)剛度法基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出參數(shù)化載荷識(shí)別方法,將工況載荷(包括結(jié)構(gòu)載荷和聲學(xué)載荷)表示為加速度、聲壓和參數(shù)的函數(shù),表達(dá)式為:

Fi(ω)=f(c,aai(ω),api(ω))

(3)

Qj(ω)=f(c,pj(ω))

(4)

其中:aai(ω)、api(ω)、pj(ω)分別為懸置主、被動(dòng)端加速度響應(yīng)和路徑輸入處聲壓;c為待求解的參數(shù)。參數(shù)化載荷識(shí)別方法是OPAX方法的核心,該方法使用工況數(shù)據(jù)并輔以少量的頻響函數(shù)便可對(duì)路徑載荷進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)OPAX方法具有可調(diào)節(jié)性,可基于少量工況數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單模型進(jìn)行問(wèn)題的快速定位,也可使用更多的工況數(shù)據(jù)和指示點(diǎn)數(shù)據(jù)的復(fù)雜模型對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入分析。

將(3)式、(4)式代入傳遞路徑分析方程(1)中,獲得目標(biāo)點(diǎn)和指示點(diǎn)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的參數(shù)化載荷計(jì)算公式為:

(5)

(6)

其中,yk(ω)、uq(ω)分別為目標(biāo)點(diǎn)k和指示點(diǎn)q響應(yīng)的階次切片數(shù)據(jù)。

對(duì)于不同的懸置類型,參數(shù)化載荷模型可分為2種,一種是針對(duì)懸置為軟懸置的單自由度懸置模型(SDOF mount model);另一種是適用于剛性連接和聲學(xué)載荷的多頻帶模型(Multi-band model),若頻帶縮小成單頻率點(diǎn),則與逆矩陣法等效。本文整車通過(guò)噪聲只考慮噪聲源經(jīng)空氣傳遞至目標(biāo)點(diǎn),因此將多頻帶模型稱為多頻帶聲學(xué)模型(Multi-band acoustic model),下文將對(duì)所采用的多頻帶聲學(xué)模型求解聲學(xué)載荷進(jìn)行論述。

1.2 多頻帶聲學(xué)模型

聲源處/路徑輸入處的聲學(xué)載荷可表示為:

Qi(ω)=θi(ω)pi(ω)

(7)

其中,θi(ω)為聲源處的聲學(xué)載荷和聲壓的比值,稱為聲學(xué)靈敏度。在多頻帶聲學(xué)模型中,聲學(xué)靈敏度θi(ω)被認(rèn)為由許多分段等值的頻帶組成,即

θi(ω)=θi,ω=ωi+Δω

(8)

采用多頻帶聲學(xué)模型計(jì)算指示點(diǎn)響應(yīng),其計(jì)算公式為:

(9)

其中:uq(ω)為指示點(diǎn)響應(yīng);Hqi(ω)為聲源i到指示點(diǎn)q的頻響函數(shù);Gqi(ω)=Hqi(ω)pi(ω)。

對(duì)指示點(diǎn)響應(yīng)做階次分析,得到m個(gè)階次數(shù)據(jù),每個(gè)階次數(shù)據(jù)含有r個(gè)轉(zhuǎn)速采樣點(diǎn),可以得到計(jì)算指示點(diǎn)響應(yīng)的矩陣方程為:

AqX=Bq

(10)

其中

其中:Bq、X分別為指示點(diǎn)響應(yīng)向量和待求參數(shù)向量;ωxy=oyrx/60,oy為階次切片數(shù)目(y=1,…,m),rx為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(x=1,…,r)。

(10)式中X的計(jì)算結(jié)果即為多頻帶聲學(xué)模型的聲學(xué)靈敏度參數(shù),將其代入(7)式可得到運(yùn)行工況聲學(xué)載荷,再與相應(yīng)傳遞路徑的頻響函數(shù)相乘便能獲得目標(biāo)點(diǎn)的聲學(xué)路徑貢獻(xiàn),即

(11)

2 室內(nèi)通過(guò)噪聲OPAX建模

研究對(duì)象為M1類某乘用車,依據(jù)國(guó)內(nèi)草案GB1495—20××和ISO 362-3:2016[12],在裝有低噪聲四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓的半消聲室內(nèi)進(jìn)行該車的通過(guò)噪聲室內(nèi)試驗(yàn);該車型通過(guò)噪聲試驗(yàn)工況分為勻速和加速2種工況,勻速工況車速為50 km/h±1 km/h,加速工況需保持在測(cè)試車速范圍40～60 km/h內(nèi)油門或節(jié)氣門全開(kāi)。勻速工況的噪聲與加速工況的噪聲相比較小,限于篇幅,下文僅對(duì)通過(guò)噪聲影響較大的加速工況OPAX分析過(guò)程進(jìn)行介紹。

2.1 建立傳遞路徑分析模型

整車室內(nèi)通過(guò)噪聲的噪聲源主要有動(dòng)力總成噪聲、進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲、排氣系統(tǒng)噪聲和輪胎噪聲等,通過(guò)噪聲測(cè)試車速低于100 km/h,空氣動(dòng)力噪聲影響較小不予考慮,各噪聲源經(jīng)空氣傳遞至試驗(yàn)車輛兩側(cè)模擬聲陣列,其傳遞路徑模型如圖1所示。

圖1 整車室內(nèi)通過(guò)噪聲傳遞路徑模型

試驗(yàn)過(guò)程中，在噪聲源處布置聲傳感器作為等效聲源,在發(fā)動(dòng)機(jī)前側(cè)、左側(cè)、右側(cè)、頂部和底部各布置1個(gè)傳聲器,發(fā)動(dòng)機(jī)后側(cè)由于空間限制無(wú)法布置測(cè)點(diǎn),在進(jìn)氣口、排氣消聲器和排氣口各布置1個(gè)傳聲器,在4個(gè)輪胎前、后喇叭口各布置1個(gè)傳聲器,等效聲源數(shù)量共計(jì)16個(gè)。同時(shí),在噪聲源附近布置13個(gè)傳聲器作為近場(chǎng)指示點(diǎn),近場(chǎng)指示點(diǎn)距離聲源1 m。等效聲源數(shù)量和近場(chǎng)指示點(diǎn)數(shù)量見(jiàn)表1所列。

限于傳聲器的數(shù)量,只在試驗(yàn)車輛的左側(cè)陣列安裝21個(gè)傳聲器用于通過(guò)噪聲測(cè)試,分析計(jì)算時(shí)將左側(cè)聲陣列中間位置的聲傳感器L11作為目標(biāo)點(diǎn),其余20個(gè)傳聲器作為遠(yuǎn)場(chǎng)指示點(diǎn),指示點(diǎn)數(shù)量共計(jì)33個(gè),測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。增加指示點(diǎn)數(shù)量可提高求解方程組的穩(wěn)健性,從而提高分析結(jié)果的精度和可靠性。

表1 等效噪聲源和近場(chǎng)指示點(diǎn)數(shù)量

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 采集運(yùn)行工況數(shù)據(jù)

試驗(yàn)時(shí),使用LMS Test. Lab軟件及配套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)通過(guò)噪聲數(shù)據(jù)采集工作;采集聲源處、目標(biāo)點(diǎn)和指示點(diǎn)響應(yīng)在加速工況下的數(shù)據(jù),加速工況需同步采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)做階次分析,從而獲得目標(biāo)點(diǎn)和指示點(diǎn)響應(yīng)的階次數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)時(shí)通過(guò)CAN總線接口同步采集的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)如圖3所示。

由通過(guò)噪聲加速工況車速范圍可以確定,該車型室內(nèi)通過(guò)噪聲全油門加速工況對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為2 400～3 330 r/min。

圖3 加速工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

2.2.1 響應(yīng)點(diǎn)信號(hào)

響應(yīng)點(diǎn)包括1個(gè)目標(biāo)點(diǎn)L11、13個(gè)近場(chǎng)指示點(diǎn)和20個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)指示點(diǎn)。L11加速通過(guò)噪聲響應(yīng)的前20階能量成分如圖4所示,可見(jiàn)4階噪聲能量占主要成分,需重點(diǎn)關(guān)注。

圖4 L11加速通過(guò)噪聲前20階能量成分

2.2.2 路徑輸入處信號(hào)

路徑輸入處信號(hào)即為16個(gè)等效聲源的聲壓信號(hào)。部分等效聲源的聲壓級(jí)階次數(shù)據(jù)如圖5所示。

由圖5可知,發(fā)動(dòng)機(jī)等效聲源2階能量占主要成分,左后輪胎等效聲源則是4階能量占主要成分。

(a) 發(fā)動(dòng)機(jī)前20階能量成分

(b) 左后輪胎前20階能量成分圖5 部分等效聲源聲壓級(jí)階次數(shù)據(jù)

2.3 頻響函數(shù)測(cè)量

頻響函數(shù)測(cè)量采用體積聲源直接激勵(lì)法,通過(guò)LMS Test. Lab軟件產(chǎn)生的白噪聲信號(hào),經(jīng)數(shù)采設(shè)備輸出至功率放大器,再連接到體積加速度聲源,依次在各等效聲源位置處進(jìn)行激勵(lì),如圖6所示,同時(shí)測(cè)量其他指示點(diǎn)及目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng),從而得到頻響函數(shù)矩陣。

圖6 體積聲源在左后輪胎前喇叭口處激勵(lì)

部分頻響函數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖7所示。其中圖7a為頻響函數(shù)曲線,圖7b為對(duì)應(yīng)的相干函數(shù)曲線。

圖7 部分等效聲源L11頻響函數(shù)

從圖7可以看出,左后輪胎前喇叭口至L11頻響函數(shù)值顯著大于發(fā)動(dòng)機(jī)前側(cè)至L11頻響函數(shù)值;左后輪胎前喇叭口處聲源經(jīng)空氣直接傳遞至目標(biāo)點(diǎn)L11,中間無(wú)障礙物阻隔,其相干性較好。

3 室內(nèi)加速通過(guò)噪聲傳遞路徑分析

3.1 聲學(xué)載荷識(shí)別

聲源的各階激勵(lì)經(jīng)空氣將聲能量傳遞給目標(biāo)點(diǎn)L11,限于篇幅,僅列出部分等效聲源4階加速工況聲學(xué)載荷計(jì)算結(jié)果,如圖8所示。

從圖8a可以看出:在4階加速工況下,排氣消聲器、左后輪胎前喇叭口和排氣口等效聲源的聲學(xué)載荷隨著轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),并且在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 330 r/min處達(dá)到峰值;發(fā)動(dòng)機(jī)前側(cè)和進(jìn)氣口等效聲源聲學(xué)載荷在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都較小。

從圖8b可以看出,左前輪胎前喇叭口與右前輪胎前喇叭口等效聲源聲學(xué)載荷較小。

圖8 部分等效聲源加速工況的聲學(xué)載荷

3.2 傳遞路徑貢獻(xiàn)量分析

用于計(jì)算合成L11處噪聲的加速工況階次數(shù)據(jù)為0.5～20階,間隔0.5階,總共40階;由于階次較多,在此僅展示占主要成分的1～10整數(shù)階次聲壓級(jí),如圖9所示。

由圖9可知,4階聲能量最大,其次是2階,與圖4目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)階次分析結(jié)果一致,表明OPAX計(jì)算方法是準(zhǔn)確的。

圖9 L11合成噪聲1～10階貢獻(xiàn)量排序

L11通過(guò)噪聲4階加速工況貢獻(xiàn)量分析結(jié)果云圖如圖10所示。由圖10可知:OPAX方法計(jì)算得到各等效聲源貢獻(xiàn)量的合成結(jié)果與L11的

實(shí)測(cè)結(jié)果云圖分布趨勢(shì)一致;在全油門加速工況下L11噪聲呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),在3 330 r/min處達(dá)到峰值后遞減。其中,輪胎噪聲是主要噪聲源;發(fā)動(dòng)機(jī)艙有效地減小了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲,只有發(fā)動(dòng)機(jī)前側(cè)大部分聲能量從進(jìn)氣格柵傳遞出來(lái)。還需注意的是,排氣口噪聲在3 330 r/min附近貢獻(xiàn)量明顯增大,此時(shí),其貢獻(xiàn)量?jī)H次于左后輪胎前喇叭口和右后輪胎后喇叭口。

此外,可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)L11噪聲的合成值小于實(shí)測(cè)值,其主要原因是:① 未考慮運(yùn)行時(shí)車身板件的輻射噪聲;② 等效聲源聲學(xué)載荷與頻響函數(shù)相位不一致。

圖10 L11通過(guò)噪聲4階加速工況貢獻(xiàn)量分析結(jié)果

3.3 階次分析

基于上述貢獻(xiàn)量分析結(jié)果,進(jìn)一步分析排氣口噪聲,排氣口噪聲前20階能量成分如圖11所示。

圖11 排氣口噪聲前20階能量成分

由圖11可知,排氣口噪聲2階和4階能量占主要成分。

提取排氣口2階、4階次噪聲,并將其與L11噪聲進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖12所示。由圖12可知,L11在3 330 r/min處的峰值噪聲主要與排氣口4階噪聲有關(guān)。

同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn),圖11中在220 Hz附近存在明顯的共振帶,排氣口4階、6階和8階噪聲在該共振帶附近發(fā)生突變,噪聲值顯著增大。該共振帶主要是由于排氣尾管結(jié)構(gòu)模態(tài)被激勵(lì)起來(lái)而導(dǎo)致的,因此需要對(duì)排氣尾管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖12 L11與排氣口階次噪聲對(duì)比

3.4 改進(jìn)措施

結(jié)合室內(nèi)通過(guò)噪聲傳遞路徑分析結(jié)果與階次分析結(jié)果可知:在整體噪聲能量上,輪胎噪聲貢獻(xiàn)量最大,其次是動(dòng)力總成噪聲;而在噪聲峰值處,4階排氣噪聲是主要貢獻(xiàn)者。為降低該車的通過(guò)噪聲,需要對(duì)以上3個(gè)方面進(jìn)行綜合優(yōu)化,提出改進(jìn)措施如下:

(1) 對(duì)原輪胎胎面花紋和花紋深度進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)對(duì)比,選用一款合適的靜音輪胎。

(2) 由傳遞路徑貢獻(xiàn)量分析結(jié)果知進(jìn)氣格柵處噪聲量級(jí)較大,應(yīng)適當(dāng)調(diào)整冷卻風(fēng)扇與水箱之間的間距,以降低流阻進(jìn)而降低其噪聲;同時(shí),在發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩蓋內(nèi)增加不低于10 mm厚的吸音棉,進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)艙吸隔音效果。

(3) 對(duì)排氣尾管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,避免低階共鳴,尤其是4階,降低其低頻段噪聲。

4 結(jié) 論

本文基于OPAX方法對(duì)某乘用車進(jìn)行了室內(nèi)通過(guò)噪聲貢獻(xiàn)量的分析,理論分析與試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1) OPAX方法可以快速有效地進(jìn)行整車通過(guò)噪聲貢獻(xiàn)量分析,分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

(2) 基于OPAX方法對(duì)整車通過(guò)噪聲貢獻(xiàn)量的分析有助于及時(shí)地對(duì)各主要噪聲源進(jìn)行針對(duì)性整改,降低車輛通過(guò)噪聲。