混合動力汽車車內(nèi)聲品質(zhì)分析與優(yōu)化

廖連瑩，趙景波，楊 馨，潘繼郭，左言言

(1.常州工學(xué)院 汽車工程學(xué)院， 江蘇 常州 213032；2.江蘇大學(xué) 振動噪聲研究所， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

混合動力汽車因有兩套動力系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)及工作模式相比傳統(tǒng)汽車更加復(fù)雜，由此產(chǎn)生的噪聲特性也更加復(fù)雜。除原有發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的低頻噪聲外，混合動力汽車產(chǎn)生的噪聲還包括電機(jī)產(chǎn)生的分布在400～2 000 Hz的高頻噪聲。在這個頻帶范圍內(nèi)，人耳具有很高的靈敏度，故可能引起強(qiáng)烈的噪聲感覺，嚴(yán)重時表現(xiàn)為刺耳的嘯叫聲[1-2]。另外，混合動力汽車在純電動、純內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動和混動3種工作模式之間切換時產(chǎn)生的噪聲對車內(nèi)聲品質(zhì)有較大影響。因此，降低車內(nèi)噪聲、改善混合動力汽車車內(nèi)聲品質(zhì)顯得尤為重要。

車輛噪聲控制一般包括人耳處噪聲控制、噪聲源控制和傳遞路徑控制。人耳處噪聲控制屬于主動降噪技術(shù)，噪聲源控制和傳遞路徑控制可歸納為被動降噪技術(shù)。但由于汽車噪聲環(huán)境的復(fù)雜性，有源噪聲控制在汽車中的應(yīng)用受到較大限制。更多學(xué)者研究的是噪聲源控制和傳遞路徑控制。對于噪聲源控制， Stephen等[3]通過精確控制柴油發(fā)動機(jī)預(yù)噴射和主噴射之間的時間間隔來降低發(fā)動機(jī)燃燒噪聲。Juergen等[4]對渦輪增壓器噪聲進(jìn)行了細(xì)化，降低了內(nèi)部噪聲。但噪聲源控制受部件生產(chǎn)商技術(shù)的限制，提升空間有限，故在噪聲傳播途徑中采取具有良好聲學(xué)性能的材料對車輛進(jìn)行減振降噪來提升NVH性能成為眾多學(xué)者關(guān)注的措施。為降低車內(nèi)中高頻噪聲，在車身相關(guān)部位采用纖維類、發(fā)泡樹脂類和聚氨酯類吸音材料進(jìn)行聲學(xué)封裝[5]。利用礦棉等多孔材料對汽車側(cè)圍和頂棚進(jìn)行封裝，以有效控制車內(nèi)中高頻噪聲[6]。林巨廣等[7]利用吸聲材料可對電動汽車動力總成進(jìn)行聲學(xué)包裹的降噪方法，對電機(jī)和減速器輸出級近場的中高頻噪聲控制效果明顯，噪聲分別下降6.1dB和4.9dB。張勇等[8]通過對車內(nèi)聲壓貢獻(xiàn)較大的板件進(jìn)行優(yōu)化，有效降低了車內(nèi)中頻噪聲。目前，利用聲學(xué)材料進(jìn)行低頻噪聲控制的技術(shù)也取得了進(jìn)展。Cummer等[9]利用深度亞波長的微結(jié)構(gòu)控制大波長低頻機(jī)械波的技術(shù)，較好地控制了低頻噪聲。邢拓等[10]采用將板型聲學(xué)超材料置入微穿孔板結(jié)構(gòu)的背腔內(nèi)部實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)合的方法，提升了吸聲材料的低頻吸聲效果。劉崇銳等[11]和周國建等[12]利用微穿孔黏性吸聲超表面和多態(tài)反共振協(xié)同型薄膜聲學(xué)超材料等方法，在控制低頻噪聲方面取得了較好效果。

上述研究主要集中在某一種聲學(xué)材料的應(yīng)用，對于振動和噪聲頻率帶分布較廣的混合動力汽車來說，使用單一的聲學(xué)材料對噪聲的控制有限，因此采用多種聲學(xué)材料對混合動力汽車車內(nèi)噪聲性能進(jìn)行改進(jìn)十分必要。針對混合動力汽車振動噪聲特性，利用聚酯(PET)、聚丙烯(PP)纖維及丁基阻尼復(fù)合材料對混合動力汽車車內(nèi)噪聲進(jìn)行控制，以有效提升混合動力汽車的NVH性能。

1 混合動力汽車聲品質(zhì)評價

1.1 振動噪聲樣本采集與分析

為獲得混合動力汽車噪聲源的特性，試驗參照ECE R51和GB/T 18697—2002《聲學(xué) 汽車車內(nèi)噪聲測量方法》進(jìn)行[13-14]。選擇某品牌混合動力汽車進(jìn)行噪聲測試，使用便攜式數(shù)采系統(tǒng)SQuadriga采集車內(nèi)正駕駛右耳、副駕駛右耳和左后排乘客右耳處的噪聲樣本。試驗車輛及設(shè)備實物照片如圖1所示。

圖1 試驗車輛及設(shè)備實物照片

試驗采樣頻率為44.1 kHz，噪聲樣本長度為10 s。選擇開闊地作為試驗路段，周邊30 m內(nèi)無聲音反射物。選擇全油門加速、急減速、緩減速、滑行、變速、低怠速和高怠速等非穩(wěn)態(tài)工況作為試驗工況。選取測試結(jié)果較好的數(shù)據(jù)，分別截取5 s作為噪聲樣本組，重新獲得28組噪聲樣本組，各噪聲樣本組對應(yīng)的試驗工況和車速如表1所示。

表1 噪聲組對應(yīng)試驗工況和車速

每組噪聲樣本分別包含正駕駛右耳、副駕駛右耳和左后排乘客右耳3種噪聲，最終獲得84個噪聲樣本，對其進(jìn)行等響處理后作為聲品質(zhì)主客觀評價聲樣本。

1.2 聲品質(zhì)評價模型建立

1) 聲品質(zhì)主觀評價

聲品質(zhì)主觀評價方法有排序法、等級打分法、成對比較法、語義細(xì)分法、參考語義細(xì)分法等[15]。試驗采用參考語義細(xì)分法，對評價者的主觀評價結(jié)果進(jìn)行幾何平均計算后，再對結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，得到84個噪聲樣本主觀評價結(jié)果。按照上述試驗工況對聲品質(zhì)評價結(jié)果歸類，得到混合動力汽車非穩(wěn)態(tài)工況聲品質(zhì)分布，如圖2所示。

圖2 混合動力汽車非穩(wěn)態(tài)工況聲品質(zhì)分布

2) 客觀參數(shù)計算

聲品質(zhì)客觀參數(shù)分析是混合動力汽車聲品質(zhì)客觀評價的基礎(chǔ)[16]。對前述84個噪聲樣本，根據(jù)各客觀參數(shù)計算模型進(jìn)行計算，得到混合動力汽車6個聲品質(zhì)客觀參數(shù)值，如表2所示。

3) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聲品質(zhì)評價模型

在得到聲品質(zhì)主觀評價結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合粒子群算法和遺傳算法的優(yōu)點(diǎn)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聲品質(zhì)客觀評價模型。首先確定模型為6-6-1結(jié)構(gòu)，上述6個客觀參數(shù)作為輸入層的6個節(jié)點(diǎn)，聲品質(zhì)作為輸出層節(jié)點(diǎn)。選擇合適的遺傳算法權(quán)值參數(shù)和粒子群參數(shù)：染色體長度設(shè)為49，種群數(shù)為40，最大進(jìn)化迭代數(shù)為200，交叉概率為0.8，變異概率為0.07，最大慣性權(quán)重因子為0.9，最小權(quán)重因子為0.4，學(xué)習(xí)因子為2。根據(jù)所選參數(shù)初始化網(wǎng)絡(luò)和初始化種群。通過粒子群迭代、交叉、變異后，計算粒子群的適應(yīng)度值，按照規(guī)則更新粒子的個體極值Pbest和全局極值Gbest。滿足條件后輸出最優(yōu)權(quán)值和閾值，并判斷BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練是否達(dá)到結(jié)束條件，如果滿足，則輸出聲品質(zhì)預(yù)測結(jié)果；如果不滿足，則返回重新進(jìn)行權(quán)值閾值調(diào)整，并進(jìn)行訓(xùn)練。通過建立的聲品質(zhì)評價模型，對混合動力汽車車內(nèi)聲品質(zhì)進(jìn)行預(yù)測，得到模型的權(quán)值和閾值，如表3所示。

表2 聲品質(zhì)客觀參數(shù)

表3 聲品質(zhì)預(yù)測模型權(quán)值與閾值

通過檢驗聲樣本導(dǎo)入建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型，計算得到聲品質(zhì)預(yù)測值。聲品質(zhì)預(yù)測值與主觀評價值的均方根誤差僅為0.038 9，表明該聲品質(zhì)客觀評價模型精度較高，適用于混合動力汽車聲品質(zhì)預(yù)測。

2 聲品質(zhì)客觀參數(shù)貢獻(xiàn)度分析

從聲品質(zhì)預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中可以看出，權(quán)值大小直接決定著聲品質(zhì)的大小。同時，權(quán)值也反映出各輸入值對輸出值的貢獻(xiàn)度。對于建立的6-6-1結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聲品質(zhì)預(yù)測模型，6個輸入?yún)?shù)對輸出量(即聲品質(zhì)預(yù)測結(jié)果)的貢獻(xiàn)度為Wi，表示為：

(1)

(2)

貢獻(xiàn)度Wi表示輸入的聲品質(zhì)客觀參數(shù)對聲品質(zhì)預(yù)測值的影響。把表2中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值代入式(1)和式(2)中，計算得到6個輸入?yún)?shù)對輸出值的貢獻(xiàn)度：W1=0.122 5;W2=0.058 3;W3=0.185 0;W4=0.185 7;W5=0.347 8;W6=0.100 7，即響度、AI指數(shù)、波動度、粗糙度、尖銳度和A聲壓級。6個客觀參數(shù)對聲品質(zhì)預(yù)測結(jié)果的貢獻(xiàn)度百分比見圖3。

圖3 聲品質(zhì)客觀參量對聲品質(zhì)貢獻(xiàn)度直方圖

從圖3可以看出，尖銳度的貢獻(xiàn)量最大，達(dá)到了34.78%，說明高頻噪聲對聲品質(zhì)影響較大。造成這種情況的主要原因是混合動力汽車中電機(jī)參與工作，而電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲的主要成分為高頻噪聲。因此，可通過降低混合動力汽車電機(jī)高頻噪聲來提高混合動力汽車的聲品質(zhì)。波動度和粗糙度的貢獻(xiàn)度非常接近，僅次于尖銳度的貢獻(xiàn)度，說明混合動力汽車在非穩(wěn)態(tài)工況下，其發(fā)動機(jī)頻繁起停，電機(jī)MG1和MG2參與工作時的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩不停改變，甚至電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不停切換，使動力耦合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了振動。這種沖擊振動容易通過車身結(jié)構(gòu)傳遞，引起板件振動而產(chǎn)生輻射噪聲，進(jìn)而影響聲品質(zhì)評價。

3 混合動力汽車車內(nèi)降噪

3.1 車內(nèi)降噪實施

通過聲品質(zhì)客觀參數(shù)貢獻(xiàn)度分析結(jié)果可知，要提升混合動力汽車車內(nèi)聲品質(zhì)，需要降低尖銳度，并對波動度和粗糙度進(jìn)行控制。降低尖銳度主要通過控制高頻噪聲來實現(xiàn)，而吸音隔音的方式對降低高頻噪聲具有良好的效果[17]。因此，本方案選擇合適的吸音材料對車身進(jìn)行改造來實現(xiàn)尖銳度控制。對于波動度和粗糙度產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動及低頻噪聲，選擇具有良好阻尼性能的阻尼材料對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻振和隔振，減小結(jié)構(gòu)噪聲的傳播以降低車身振動，實現(xiàn)低頻降噪的目的。

通過對比各類吸音材料，聚酯(PET)與聚丙烯(PP)混合的復(fù)合材料具有良好的吸音性能，因此用于降噪的多孔吸聲材料選擇PET+PP復(fù)合材料。通過對不同面密度和厚度的PET+PP材料進(jìn)行吸音系數(shù)試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PET+PP材料面密度為200 g/m2、厚度為28 mm時，對于1 500 Hz噪聲的吸音系數(shù)達(dá)到0.6以上，且隨著頻率的增加，吸音系數(shù)逐步上升，在3 000 Hz左右時可達(dá)0.9以上，具有良好的吸音效果。雖然進(jìn)一步增加PET+PP材料厚度能提高吸音系數(shù)，但提高效果不明顯?？紤]到整車聲學(xué)內(nèi)飾的輕量化，最終選取面密度為200 g/m2、厚度為28 mm的PET+PP材料作為本方案的吸音材料。

在選擇阻尼材料時，通過理論分析發(fā)現(xiàn)，丁基橡膠(IIR)因分子結(jié)構(gòu)缺少雙鍵，側(cè)鏈甲基分布密度較大，玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)又呈現(xiàn)出特有的蠕蟲狀分子運(yùn)動形式，所以IIR阻尼材料具有良好的阻尼性能[18]。通過試驗確定密度為920 kg/m3、泊松比為0.4的IIR作為混合動力汽車的低頻降噪材料。

具體實施工藝：首先，拆除混合動力汽車車頂內(nèi)飾材料、車廂地面座椅及內(nèi)飾材料，如圖4(a)所示；然后，在車頂及地面鋼板表面鋪設(shè)上述材料性能的IIR阻尼材料，如圖4(b)所示；隨后，在IIR表面安裝選定性能的PET+PP復(fù)合材料，如圖4(c)所示；最后，還原車頂內(nèi)飾、地板內(nèi)飾及座椅，完成混合動力汽車降噪全過程。

圖4 混合動力汽車降噪施工過程示意圖

3.2 降噪結(jié)果分析

為了更客觀地對比使用降噪材料進(jìn)行混合動力汽車噪聲控制前后的噪聲水平，在車內(nèi)封裝降噪材料后，采取表1中的52、53和54號聲樣本所對應(yīng)試驗工況(在時速20～60 km/h區(qū)間，迅速進(jìn)行加速、減速和滑行等工況轉(zhuǎn)換的變速工況)和相同的試驗方法進(jìn)行車內(nèi)噪聲測試。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，在此工況下，駕駛員右耳處(對應(yīng)52號聲樣本)，PET+PP及IIR組成的復(fù)合降噪材料對400 Hz以下的低頻噪聲實現(xiàn)了降噪1.5dB(A)，對400 Hz以上的高頻噪聲實現(xiàn)了降噪5.2dB(A)，總降噪量達(dá)3.3 dB(A)，如圖5所示。

圖5 駕駛員右耳A計權(quán)聲壓級

使用降噪材料前后，副駕駛右耳(對應(yīng)53號聲樣本)和左后排乘客右耳(對應(yīng)54號聲樣本)兩處的A計權(quán)聲壓級對比如圖6和圖7所示。

圖6 副駕駛右耳A計權(quán)聲壓級

圖7 左后排乘客右耳A計權(quán)聲壓級

從試驗結(jié)果可以看出，所采用的復(fù)合降噪材料的降噪性能優(yōu)越，能顯著降低車內(nèi)噪聲水平，提升駕乘舒適度，適用于對混合動力汽車的降噪。

4 混合動力汽車車內(nèi)聲品質(zhì)優(yōu)化效果驗證

4.1 降噪后車內(nèi)聲品質(zhì)評價

對上述試驗所得的噪聲樣本進(jìn)行聲品質(zhì)客觀參數(shù)計算，得到響度、AI指數(shù)、波動度、粗糙度、尖銳度和A聲壓級的6個客觀參數(shù)值，如表4所示。

表4 優(yōu)化后聲品質(zhì)客觀參數(shù)值

將表4中各客觀參數(shù)值代入所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聲品質(zhì)預(yù)測模型，計算得到3個樣本的聲品質(zhì)評價值分別為0.76、0.77和0.74。

4.2 優(yōu)化前后車內(nèi)聲品質(zhì)對比分析

為評價采取降噪措施后的混合動力汽車車內(nèi)聲品質(zhì)是否有所改善，對照表2和表4，對采取降噪措施前后的聲品質(zhì)客觀參數(shù)和主觀評價值進(jìn)行對比，判斷優(yōu)化車內(nèi)聲品質(zhì)的效果。響度、AI指數(shù)、波動度、粗糙度、尖銳度和A聲壓級對比效果如圖8～13所示，主觀評價值如圖14所示。

圖8 優(yōu)化前后響度直方圖

從圖8可以看出，對于優(yōu)化后的噪聲樣本響度，3個噪聲樣本均有明顯減小，其中52號噪聲樣本的響度值下降了4.92 sone，車內(nèi)環(huán)境感覺更加安靜。

圖9中優(yōu)化后的語言清晰度在3個測點(diǎn)上均大幅提升，優(yōu)化后最高AI指數(shù)達(dá)到96.71%。

圖9 優(yōu)化前后AI指數(shù)直方圖

圖10顯示的是優(yōu)化前后的波動度。通過對比可以看出，優(yōu)化后的波動度均有下降，平均下降幅度為29.3%，最大下降幅度出現(xiàn)在1號噪聲樣本，達(dá)到了34.2%。

分析圖11中優(yōu)化前后的粗糙度對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的粗糙度下降非常明顯，3個噪聲樣本的粗糙度下降幅度均超過50%，粗糙度平均下降幅度達(dá)到56.3%。從聲品質(zhì)客觀參數(shù)對聲品質(zhì)評價值的貢獻(xiàn)度分析來看，粗糙度和波動度的貢獻(xiàn)度位居第2和第3，因此這2個參數(shù)值的下降有利于聲品質(zhì)評價值的提升。

圖10 優(yōu)化前后波動度直方圖

圖11 優(yōu)化前后粗糙度直方圖

從圖12可以看出，優(yōu)化前后的尖銳度在3個觀測點(diǎn)上均有所下降，平均下降0.195 acum，平均降幅達(dá)21.2%。尖銳度作為聲品質(zhì)評價值貢獻(xiàn)度最大的客觀參數(shù)，優(yōu)化后降幅超過20%，這對提升車內(nèi)聲品質(zhì)起到了積極作用。

圖12 優(yōu)化前后尖銳度直方圖

圖13為優(yōu)化前后的A聲壓級情況?？梢钥吹剑ㄟ^降噪材料對混合動力汽車進(jìn)行車內(nèi)噪聲降噪處理后，車內(nèi)噪聲的A聲壓級有明顯下降。

圖14顯示了混合動力汽車降噪處理前后，車內(nèi)3個觀測點(diǎn)的聲品質(zhì)評價值。從圖14中可以看到，3個觀測點(diǎn)的主觀評價值均有較大提升，分別提升了0.14、0.18和0.13，對應(yīng)升幅為22.58%、30.51% 和21.31%，平均升幅達(dá)到了24.8%，再次驗證了本文中所采取的混合動力汽車車內(nèi)聲品質(zhì)優(yōu)化措施的有效性。

圖13 優(yōu)化前后A聲壓級直方圖

圖14 優(yōu)化前后聲品質(zhì)評價結(jié)果

5 結(jié)論

1) 尖銳度、波動度和粗糙度對聲品質(zhì)影響較大，3個客觀參數(shù)的權(quán)重之和達(dá)到71.85%。尖銳度所占權(quán)重最大，高達(dá)34.78%，說明混合動力汽車高頻噪聲對聲品質(zhì)影響最大。粗糙度和波動度的權(quán)重分別為18.57%和18.50%，影響度位居第2和第3位，說明混合動力汽車動力耦合機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的沖擊容易通過車身結(jié)構(gòu)傳遞，引起板件振動而產(chǎn)生輻射噪聲，同樣對混合動力汽車聲品質(zhì)影響較大。

2) 使用降噪材料后，400 Hz以下的低頻噪聲降低了1.5 dB(A)，400 Hz以上的高頻噪聲的降噪效果更為明顯，降噪幅度達(dá)到5.2 dB(A)，整個頻段的總降噪量達(dá)3.3 dB(A)。

3)優(yōu)化后的混合動力汽車的6個聲品質(zhì)客觀參數(shù)效果均有提升，聲品質(zhì)預(yù)測值綜合提升了0.15，提升幅度達(dá)到24.8%，說明了所采取的聲品質(zhì)優(yōu)化措施是可靠有效的。