電動汽車電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)主客觀評價模型

刁坤，汪曉虎，王偉東

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海201201)

隨著全球汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)能源供需矛盾日益凸顯，存在潛在的能源危機(jī)。為此，各國政府大力推廣新能源汽車，特別是電動汽車的發(fā)展，使全球汽車公司都投入了大量人力、物力和財(cái)力開發(fā)電動汽車[1]。與此同時，電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)（包含電機(jī)和減速器）噪聲也越來越受到關(guān)注，成為業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。而電動汽車電驅(qū)動噪聲的聲品質(zhì)特征和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)噪聲差異顯著[2-3]，導(dǎo)致傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)噪聲評估方法已經(jīng)完全不適用，亟需建立針對于電驅(qū)動噪聲的聲品質(zhì)評估方法。法，從電驅(qū)動噪聲的發(fā)生機(jī)理，聲品質(zhì)特性和關(guān)鍵評價指標(biāo)等幾個方面開展了深入的研究。電驅(qū)動階次噪聲主要由減速器齒輪嚙合和電磁力矩波動產(chǎn)生中高頻振動，傳遞到電驅(qū)動系統(tǒng)殼體，進(jìn)而輻射噪聲，并呈顯著的中高頻階次特性[4-5]。徐忠四等[6]發(fā)現(xiàn)齒輪傳遞誤差和齒面接觸應(yīng)力是影響減速器噪聲的主要原因，并通過齒輪優(yōu)化修形有效地降低了車內(nèi)階次噪聲。同濟(jì)大學(xué)左曙光教授團(tuán)隊(duì)[7]研究了電機(jī)中高頻階次噪聲的發(fā)生機(jī)理。文獻(xiàn)[8]對電驅(qū)動噪聲的響度、尖銳度、粗糙度、抖動度和語音清晰度等客觀心理聲學(xué)指標(biāo)進(jìn)行深入研究，通過主客觀相關(guān)性分析，認(rèn)為尖銳度和響度所占的權(quán)重較大。通用汽車[9]和沃爾沃汽車[10]的研究人員通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，心理聲學(xué)指標(biāo)TNR更適用于電動汽車的階次噪聲聲品質(zhì)評價，但受到TNR算法的局限性[11]，當(dāng)多個階次噪聲同時存在時，只能計(jì)算單一階次噪聲的TNR值。因此，還鮮有文獻(xiàn)有針對性地分析同時存在多個階次的電動汽車電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)特性和評價方法。

因此，本文首先制定了電動汽車電驅(qū)動噪聲主觀評價方法和基于道路試驗(yàn)的電動汽車電驅(qū)動噪聲測試方法，并通過對國內(nèi)外市場上主流的電動汽車車內(nèi)電驅(qū)動噪聲進(jìn)行主觀評價和客觀測試分析，首次采用了可同時考慮多個階次的心理聲學(xué)指標(biāo)Total TNR[12]，分析抱怨工況的電驅(qū)動噪聲特性，通過主客觀相關(guān)性分析，建立電動汽車電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)回歸模型，可實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)的精準(zhǔn)預(yù)測，并指導(dǎo)電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)的正向開發(fā)。

1 電驅(qū)動噪聲主觀評價和客觀測試

1.1 電動汽車的選取

有針對性地選取了近年來國內(nèi)外市場上主流的6款純電動汽車，車型和驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。這6款純電動車產(chǎn)地包含了美國、德國和中國，品牌包含了外資品牌、合資品牌和自主品牌，市場定位包含了高端、中端和低端車型，車輛類型包含了運(yùn)動型多用途汽車（Sport utility vehicle，SUV）、掀背兩廂車（Hatchback）和三廂轎車（Sedan），驅(qū)動形式包含了前輪驅(qū)動、后輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動，電機(jī)類型包含了永磁同步電機(jī)和感應(yīng)異步電機(jī)。因此，這6款電動汽車幾乎涵蓋了國內(nèi)外市場上所有的電動汽車類型，具有較強(qiáng)的代表性。

1.2 工況的選取

前期研究表明，車內(nèi)的電驅(qū)動噪聲受到路噪和風(fēng)噪的掩蔽效應(yīng)影響顯著[3]。因此，主觀評價和客觀測試都在上汽通用廣德試車場車內(nèi)噪聲路的光滑平直水泥路面上進(jìn)行，綜合考慮了電動汽車在實(shí)際行駛工況時路噪和風(fēng)噪的影響。

此外，由于電驅(qū)動系統(tǒng)輻射噪聲，特別是電磁力矩波動引起的中高階次輻射噪聲，一般都隨著電驅(qū)動系統(tǒng)的負(fù)載增大而增加，因此全油門工況（Wide open throttle，WOT）是車內(nèi)電驅(qū)動噪聲最惡劣的工況，最容易引起客戶的抱怨。因此，所有的主觀評價和客觀測試，都采用從車輛完全靜止，全油門加速至120 km/h的工況。此外，主觀評價和客觀測試都以駕駛員位置噪聲的打分值和測試數(shù)據(jù)為主。

1.3 主觀評價

本次主觀評價組織了共50名主觀評價人員，其都為電動汽車開發(fā)項(xiàng)目工程師（28人）和NVH開發(fā)工程師（22人），其中男性41名，女性9名。為了保證主觀評價數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度，在評估前，對所有主觀評價人員進(jìn)行了專業(yè)的聲品質(zhì)基礎(chǔ)知識和主觀評價方法的培訓(xùn)。

常用聲品質(zhì)的主觀評價方法有排序法、評分法、成對比較法和語義細(xì)分法等[13]。本次主觀評價采用了評分法，主觀評價人員對車輛WOT全油門加速行駛過程中（車速從0 km/h到120 km/h），車內(nèi)電驅(qū)動噪聲引起的煩擾度進(jìn)行打分，煩擾度等級為1～10分，從極度煩擾，無法接受到非常悅耳，分值越高，聲品質(zhì)越好，如表2所示。同時，分別記錄50名主觀評估人員對每輛電動汽車車內(nèi)電驅(qū)動噪聲最抱怨的車速區(qū)間。

1.4 客觀測試

為了保證主觀評價和客觀測試的一致性，客觀測試采用與主觀評估完全相同的工況——車輛從完全靜止，全油門加速至120 km/h。

車內(nèi)噪聲的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為LMS便攜式12通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，車內(nèi)噪聲采集采用PCB-377A60隨機(jī)場麥克風(fēng)，車速采集采用V-BOX系統(tǒng)。

車內(nèi)噪聲信號的測點(diǎn)有2個——前排駕駛員右耳處和后排右座椅位置，駕駛員右耳處麥克風(fēng)布置如圖1所示。

表1 選取的電動汽車車型和驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

表2 煩擾度等級和描述

圖1 噪聲信號測點(diǎn)（駕駛員右耳）布置

2 主觀評價值統(tǒng)計(jì)分析

由于50名主觀評價人員的煩擾度分值存在一定的分布特性，因此針對每輛電動汽車的煩擾度分值進(jìn)行均值和標(biāo)準(zhǔn)差（如式（1），式（2）所示）計(jì)算，剔除奇異數(shù)據(jù)點(diǎn)，確保主觀評價數(shù)據(jù)的有效性。

式中：μ為均值；N為樣本數(shù)；xi為樣本值（煩擾度分值）；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

電驅(qū)動噪聲主觀評價煩擾度統(tǒng)計(jì)分析流程，如圖2所示，主要分為以下幾個環(huán)節(jié)，具體描述如下：

圖2 電驅(qū)動噪聲主觀煩擾度統(tǒng)計(jì)分析流程圖

（1）計(jì)算主觀評價煩擾度值統(tǒng)計(jì)指標(biāo)——平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。（2）判斷50個樣本的煩擾度值是否滿足[μ-3σ，μ+3σ]區(qū)間分布。如若滿足，則直接跳至步驟（4），分析結(jié)束；如若不滿足，則剔除[μ-3σ，μ+3σ]區(qū)間外的奇異數(shù)據(jù)點(diǎn)；（3）重新計(jì)算剩余樣本煩擾度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，重復(fù)步驟（2），直至最終的樣本煩擾度值滿足[μ-3σ，μ+3σ]區(qū)間分布。（4）獲取最終的煩擾度統(tǒng)計(jì)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

分別對選取的6輛電動汽車的主觀評價煩擾度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算其電驅(qū)動噪聲煩擾度統(tǒng)計(jì)值，如表3所示。根據(jù)主觀評價人員的分值，Tesla Model X的電驅(qū)動噪聲煩擾度分值最高，其次是BMW i3、BYD Song EV、BYD Qin EV、Denza EV，而Emgrand EV的煩擾度分值最低。

3 客觀測試數(shù)據(jù)研究

3.1 車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)分析

將6輛電動汽車全油門工況采集的駕駛員右耳處噪聲信號進(jìn)行短時傅里葉變換（Short-time fourier transform，簡稱STFT），得到噪聲時頻圖。以BMW i3和Emgrand EV的車內(nèi)噪聲為例，如圖3（a）和圖3（b）所示。

圖3 全油門工況車內(nèi)噪聲（駕駛員右耳處）

由圖3（a）和圖3（b）分析可知：（1）電動汽車車內(nèi)電驅(qū)動噪聲主要表現(xiàn)為中高頻的階次噪聲。（2）路噪和風(fēng)噪值，以及其頻率覆蓋帶寬都隨著車速的增大而增大，這對中高車速時（80 km/h～120 km/h）的電驅(qū)動噪聲起到較好的掩蔽效果。（3）BWM i3在中低車速時，存在25階（減速器輸入齒輪階次）和72階（電機(jī)槽數(shù)階次）噪聲；而Emgrand EV在整個車速區(qū)間都存在較為顯著的22階（減速器輸入齒輪階次）和48階（電機(jī)槽數(shù)階次）噪聲。（4）Emgrand EV的階次噪聲較BMW i3更為顯著，這與主觀評價的結(jié)果一致。

3.2 TNR和Total TNR

TNR是一種用于量化單調(diào)噪聲的心理聲學(xué)指標(biāo)，其表征了單調(diào)噪聲（頻率窄帶）的能量與其臨近頻率（寬帶）噪聲能量的比值。研究人員[9-10]發(fā)現(xiàn)，TNR非常適合用于表征電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的階次嘯叫特征，其階次嘯叫即為窄帶噪聲，而該階次嘯叫臨近的路噪和風(fēng)噪為掩蔽噪聲，即為寬帶噪聲。

表3 電動汽車電驅(qū)動噪聲煩擾度統(tǒng)計(jì)值

但由于TNR算法的局限性，其只適用于計(jì)算頻譜內(nèi)的單一階次噪聲，因此引入適用于同時存在多個階次噪聲的Total TNR。

TNR和Total TNR的定義如式（3）至式（5）所示：

式中：Xt為窄帶階次噪聲能量，單位Pa；Xm為寬帶噪聲總能量，單位Pa；Xn為寬帶內(nèi)除了窄帶階次噪聲的其它噪聲能量（掩蔽噪聲能量），單位Pa；Δfm為寬帶噪聲的帶寬，單位Hz；Δft為窄帶階次噪聲的帶寬，單位Hz；k為同時存在的窄帶階次噪聲的數(shù)量。

3.3 車內(nèi)噪聲TNRmax和Total TNR計(jì)算

基于記錄的主觀評價人員抱怨的車速區(qū)間，并結(jié)合車內(nèi)噪聲時頻圖，從車內(nèi)噪聲頻譜曲線中提取6輛電動汽車電驅(qū)動噪聲最被抱怨的車速下的階次噪聲中心頻率，計(jì)算每階噪聲的TNR值和多個階次的Total TNR值，如表5所示。

由表4分析可知：（1）Tesla Model X在其抱怨車速下只存在一個顯著階次噪聲，而Denza EV、BMW i3和Emgrand EV同時存在2個顯著階次噪聲，BYD Qin EV和BYD Song EV同時存在3個顯著階次噪聲。（2）TNRmax值對比，BYD Song EV最優(yōu)，Emgrand EV最差。（3）Total TNR值對比，Tesla Model X最優(yōu)，Emgrand EV最差。

表4 電動汽車車內(nèi)各階次噪聲中心頻率、TNRi值、TNRmax值和Total TNR值

4 電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)主觀預(yù)測模型

將上文計(jì)算的TNRmax和Total TNR值，結(jié)合主觀評價煩擾度值，分別建立電動汽車電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)線性回歸模型，將心理聲學(xué)指標(biāo)TNRmax和Total TNR作為自變量，主觀評價煩擾度作為因變量，如圖4（a）和圖4（b）所示。

圖4 主觀評價煩擾度和客觀測試指標(biāo)相關(guān)性分析

由圖4（a）和圖4（b）分析可知：（1）相比于TNRmax，Total TNR和主觀評價煩擾度具有更好的相關(guān)性和擬合度，其判定系數(shù)R2為98%，高于TNRmax與主觀評價煩擾度的判定系數(shù)（R2=80%）。（2）對比TNRmax值和Total TNR值發(fā)現(xiàn)，若只存在1階較為顯著的階次噪聲時，TNRmax值和Total TNR值相等；若同時存在多個階次噪聲，但其中某1階噪聲TNR值顯著大于其他階次噪聲TNR值時，Total TNR值略微大于TNRmax值；若同時存在多個階次噪聲，且各階次噪聲的TNR值較為接近時，Total TNR值將顯著大于TNRmax值。

綜上所述，當(dāng)電動汽車電驅(qū)動噪聲同時存在多個階次噪聲時，心理聲學(xué)指標(biāo)TNRmax不再適用，應(yīng)采用Total TNR表征電動汽車車內(nèi)電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)特性，并與主觀評價煩擾度具有較強(qiáng)的相關(guān)性和擬合度。

5 結(jié)語

本文基于國內(nèi)外市場上主流的6輛電動汽車的電驅(qū)動噪聲特性，開展了主觀評價和客觀測試研究，建立了電動汽車電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)回歸模型，得到結(jié)論和成果如下：

（1）建立了基于光滑道路試驗(yàn)的車內(nèi)電驅(qū)動噪聲主觀評價和客觀測試試驗(yàn)方法，提取和計(jì)算了主觀評價煩擾度和心理聲學(xué)TNR指標(biāo)。

（2）首次將心理聲學(xué)指標(biāo)Total TNR值作為電動汽車車內(nèi)電驅(qū)動噪聲的聲品質(zhì)關(guān)鍵評價指標(biāo)。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車內(nèi)噪聲同時存在多個階次噪聲，且其TNR值差異不大時，TNRmax不再適用，必須采用Total TNR表征車內(nèi)電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)特性。

（3）相比于TNRmax值，Total TNR與主觀評價煩擾度具有更好的相關(guān)性和擬合度，建立的電動汽車電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)回歸模型，其判定系數(shù)達(dá)到98%。

（4）基于該車內(nèi)電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)回歸模型，可以通過車內(nèi)噪聲客觀測試數(shù)據(jù)，進(jìn)行主觀評價煩擾度的精準(zhǔn)預(yù)測，對電動汽車電驅(qū)動噪聲聲品質(zhì)的正向開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。