OTPA方法的純電動(dòng)汽車車內(nèi)噪聲源識(shí)別分析

陳 克，徐蔣明

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽(yáng)110159)

與傳統(tǒng)燃油車相比，電動(dòng)汽車中發(fā)動(dòng)機(jī)與燃油箱的去除、電機(jī)與電池的加入，改變了車輛的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架。對(duì)電動(dòng)汽車而言，沒(méi)有了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)噪聲的掩蔽效應(yīng)，電動(dòng)車動(dòng)力總成系統(tǒng)中電機(jī)與變速器的振動(dòng)與噪聲變得較為突出[1]，準(zhǔn)確識(shí)別出車內(nèi)噪聲的來(lái)源尤為重要。噪聲識(shí)別的方法有測(cè)試試驗(yàn)類和數(shù)值計(jì)算類。文獻(xiàn)[2-5]通過(guò)頻譜分析法、偏相干分析法、階次分析法、聲全息方法對(duì)車內(nèi)噪聲源進(jìn)行了識(shí)別，這些方法為測(cè)試試驗(yàn)類方法，其優(yōu)點(diǎn)是可直接得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可直觀看出研究對(duì)象的噪聲與振動(dòng)的大小和特點(diǎn)，其缺點(diǎn)在于沒(méi)有辦法分析出車內(nèi)噪聲源的傳遞特性。文獻(xiàn)[6-8]通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、統(tǒng)計(jì)能量分析方法、邊界元法對(duì)車內(nèi)噪聲源識(shí)別定位，這些方法屬于數(shù)值計(jì)算類，其優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)數(shù)值計(jì)算仿真，可更好地預(yù)測(cè)和分析研究對(duì)象的振動(dòng)噪聲特點(diǎn)，對(duì)于存在問(wèn)題的結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)方案，其缺點(diǎn)在于設(shè)定的邊界條件和模型有限，無(wú)法準(zhǔn)確分析研究對(duì)象結(jié)構(gòu)的實(shí)際特征。綜上所述，測(cè)試試驗(yàn)類和數(shù)值計(jì)算類的識(shí)別方法都存在不足。Verheij J W[9]提出一種傳遞路徑方法(Transfer Path Analysis，TPA)，此方法綜合了測(cè)試試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的車內(nèi)噪聲研究方法，能很好地分析研究對(duì)象結(jié)構(gòu)的實(shí)際特征和車內(nèi)噪聲的傳遞特性。經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，從TPA中衍生出擴(kuò)展工況傳遞路徑分析(Operational-XtransferPath Analysis，OPAX)和工況傳遞路徑分析(Operational Transfer Path Analysis，OTPA)等方法。陳克等[10]運(yùn)用OPAX方法，對(duì)某SUV車內(nèi)噪聲問(wèn)題進(jìn)行研究，獲得動(dòng)力總成振動(dòng)對(duì)車內(nèi)噪聲的傳遞路徑貢獻(xiàn)量。OTPA方法與傳統(tǒng)傳遞路徑方法相比無(wú)需拆卸被測(cè)物，無(wú)需通過(guò)測(cè)量的方法計(jì)算傳遞函數(shù)，大大提高了方法的精度，所以本文選擇OTPA方法研究電動(dòng)汽車車內(nèi)噪聲。

以某電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，結(jié)合OTPA方法和車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，建立以電機(jī)和減速器為輸入響應(yīng)，駕駛員右耳側(cè)為目標(biāo)點(diǎn)的OTPA模型。在汽車0～80km/h急加速狀態(tài)下采集工況數(shù)據(jù)；為減少路徑間的串?dāng)_影響，利用奇異值分解方法對(duì)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出各路徑的傳遞函數(shù)。通過(guò)對(duì)比模型計(jì)算的合成響應(yīng)和試驗(yàn)得到的實(shí)測(cè)響應(yīng)，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性；通過(guò)純電動(dòng)汽車車內(nèi)噪聲源貢獻(xiàn)量分析，識(shí)別出影響峰值頻率點(diǎn)的車內(nèi)噪聲較大的因素。

1 OTPA基本原理

傳統(tǒng)傳遞路徑方法中，傳遞函數(shù)需要將被測(cè)物拆卸后單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，OTPA 方法只需測(cè)試工況下激勵(lì)點(diǎn)處被動(dòng)側(cè)響應(yīng)和目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)，傳遞率矩陣通過(guò)正常工況下一次試驗(yàn)得到，且所有輸入是同時(shí)的，不需要進(jìn)行單獨(dú)的傳遞函數(shù)測(cè)試。OTPA 理論可表示為

B=A×Q

(1)

式中：B為目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)；A為激勵(lì)點(diǎn)被動(dòng)側(cè)輸入；Q為傳遞率矩陣。即

(2)

式中：ω為頻域；m為響應(yīng)點(diǎn)數(shù)量；n為激勵(lì)點(diǎn)數(shù)量；Qnm表示第n個(gè)輸入到第m個(gè)輸出的傳遞率函數(shù)，通過(guò)工況測(cè)試數(shù)據(jù)估算得到，其公式為

Q=(ATA)-1ATB=Gaa-1Gab

(3)

式中：Gaa為輸入響應(yīng)的自功率譜矩陣；Gab為輸入和輸出的互功率譜矩陣。

OTPA方法為減少路徑間的串?dāng)_等影響，采用奇異值分解方法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化，輸入矩陣可表示為

A=C∑VT

(4)

式中：C、V為酉矩陣；∑為對(duì)角矩陣。

在對(duì)輸入信號(hào)矩陣A的奇異值分解時(shí)，較小的奇異值可視為串?dāng)_信號(hào)并將其舍棄，對(duì)應(yīng)奇異值置零，從而提高傳遞率矩陣的準(zhǔn)確度。

由式(3)和式(4)可知，Q矩陣的奇異分解可表達(dá)路徑傳遞函數(shù)矩陣為

(5)

通過(guò)式(5)和式(1)可知，OTPA合成輸出響應(yīng)為

(6)

各路徑貢獻(xiàn)量為

(7)

2 構(gòu)建OTPA模型及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 構(gòu)建OTPA模型

動(dòng)力總成是純電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源，由電機(jī)和減速器組成。動(dòng)力總成的振動(dòng)和噪聲是影響車內(nèi)噪聲的重要因素。電機(jī)振動(dòng)與噪聲主要由電磁源產(chǎn)生，電磁源的振動(dòng)與噪聲的產(chǎn)生主要是因?yàn)辂溈怂鬼f爾力使定子產(chǎn)生振動(dòng)，然后激勵(lì)電機(jī)結(jié)構(gòu)周圍的空氣產(chǎn)生噪聲，輻射到環(huán)境中。齒輪箱體彈性系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)激勵(lì)載荷作用下會(huì)使減速器產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)。電機(jī)與減速器的振動(dòng)和噪聲一般通過(guò)兩個(gè)途徑傳入車內(nèi)：一是通過(guò)結(jié)構(gòu)路徑，經(jīng)懸置傳入車內(nèi)；二是通過(guò)空氣路徑，輻射到駕駛室。

本文選擇在汽車急加速狀態(tài)下采集數(shù)據(jù)。根據(jù)車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，決定采集左懸置、右懸置及后懸置被動(dòng)側(cè)的振動(dòng)加速度信號(hào)和電機(jī)與減速器的聲壓信號(hào)作為激勵(lì)點(diǎn)處的輸入響應(yīng)，駕駛員右耳側(cè)為目標(biāo)點(diǎn)，共9條結(jié)構(gòu)路徑和2條空氣路徑，構(gòu)建的車內(nèi)噪聲OTPA模型如圖1所示。

圖1 OTPA模型

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)所構(gòu)建的OTPA模型，工況數(shù)據(jù)采集時(shí)激勵(lì)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的傳感器具體安裝位置如圖2所示。測(cè)點(diǎn)1～3位置安裝的是美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的三向加速度傳感器；測(cè)點(diǎn)4～6位置安裝的是丹麥GRAS公司生產(chǎn)的傳聲器。

圖2 傳感器布置示意圖

試驗(yàn)設(shè)置為急加速工況下，首先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，帶寬為12800Hz，分辨率1.5625Hz，譜線數(shù)為8192。采集數(shù)據(jù)前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行量程設(shè)置，以確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)采集的被測(cè)車輛工況數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選，選取兩組原始工況數(shù)據(jù)，第一組用于計(jì)算路徑傳遞率，第二組用于計(jì)算路徑貢獻(xiàn)量和驗(yàn)證本文構(gòu)造的OTPA模型質(zhì)量。

2.3 OTPA模型驗(yàn)證

由于工況測(cè)量時(shí)輸入信號(hào)間存在串?dāng)_和耦合等不良因素，因此對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異值分解處理。根據(jù)OTPA模型，計(jì)算得到擬合的車內(nèi)噪聲聲壓輸出信號(hào)，并將其與實(shí)測(cè)信號(hào)做對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，車內(nèi)噪聲實(shí)測(cè)響應(yīng)與合成響應(yīng)趨勢(shì)基本一致，吻合性較好；曲線擬合效果較好，驗(yàn)證了OTPA模型的準(zhǔn)確性。

圖3 車內(nèi)噪聲的實(shí)測(cè)響應(yīng)與合成響應(yīng)對(duì)比

3 OTPA結(jié)果分析

3.1 各激勵(lì)位置總聲壓級(jí)貢獻(xiàn)分析

根據(jù)上述OTPA模型，計(jì)算得到急加速工況下0～12800Hz全頻段車內(nèi)噪聲的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)貢獻(xiàn)，如圖4所示。

圖4 各輸入路徑對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量

由圖4可知，11條路徑中，電機(jī)貢獻(xiàn)量最大，右懸置X方向、減速器和后懸置Z方向的貢獻(xiàn)量普遍較高，是需要改進(jìn)和優(yōu)化的方向。

3.2 峰值頻率點(diǎn)分析

從圖3可以看出，在0～12800Hz全頻段聲壓級(jí)峰值是遞減的趨勢(shì)；圖5為車內(nèi)噪聲合成信號(hào)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，其中在249Hz時(shí)聲壓級(jí)出現(xiàn)最大峰值。

圖5 車內(nèi)噪聲合成信號(hào)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)

圖6為最大峰值頻率點(diǎn)249Hz處空氣路徑和結(jié)構(gòu)路徑貢獻(xiàn)量對(duì)比圖。

圖6 249Hz處空氣路徑和結(jié)構(gòu)路徑貢獻(xiàn)量圖

由圖6可知，在最大峰值頻率點(diǎn)249Hz處，結(jié)構(gòu)路徑的貢獻(xiàn)量為36.63dB，空氣路徑的貢獻(xiàn)量為34.48dB。圖7為結(jié)構(gòu)和空氣路徑中各路徑的貢獻(xiàn)量圖。

圖7 結(jié)構(gòu)和空氣路徑中各路徑的貢獻(xiàn)量圖

由圖7a可知，貢獻(xiàn)量較大的結(jié)構(gòu)路徑依次是后懸置Z方向26.1dB(A)，左懸置Z方向25.5dB(A)，左懸置X方向?yàn)?3.68dB(A)。由圖7b可知，空氣路徑的貢獻(xiàn)量為電機(jī)29.1dB(A)，減速器26.82dB(A)。由于只從貢獻(xiàn)量的大小無(wú)法判斷249Hz處聲壓值較高的原因，故需進(jìn)一步分析各路徑的輸入激勵(lì)和傳遞函數(shù)。

3.3 主要路徑的輸入激勵(lì)與傳遞函數(shù)分析

圖8為結(jié)構(gòu)路徑和空氣路徑中主要路徑的輸入激勵(lì)頻譜圖。

圖8 主要路徑的輸入激勵(lì)頻譜圖

由圖8a可知，在249Hz處結(jié)構(gòu)路徑中，輸入激勵(lì)排序?yàn)椋旱谝皇亲髴抑肵方向?yàn)?.32×10-3g，第二是左懸置Z方向4.07×10-3g，第三是后懸置Z方向?yàn)?.88×10-3g。由圖8b可知，空氣路徑中輸入激勵(lì)為減速器42.17dB(A)，電機(jī)40.98dB(A)。圖9為結(jié)構(gòu)路徑和空氣路徑主要路徑傳遞函數(shù)曲線圖。

圖9 主要路徑傳遞函數(shù)曲線圖

由圖9a可知，在249Hz處結(jié)構(gòu)路徑傳遞函數(shù)從大到小分別是：后懸置Z為1.37Pa/g，左懸置Z方向0.89Pa/g，左懸置X方向?yàn)?.71Pa/g。由圖9b空氣路徑中傳遞函數(shù)電機(jī)為0.27m3/s2，減速器為0.17m3/s2。

綜合圖8和圖9分析，結(jié)構(gòu)路徑中左懸置X方向貢獻(xiàn)量較大的原因是動(dòng)力總成輸入激勵(lì)較大導(dǎo)致的，左懸置Z方向貢獻(xiàn)量較大是由于動(dòng)力總成輸入激勵(lì)較大導(dǎo)致的，后懸置Z方向貢獻(xiàn)量較大是傳遞函數(shù)較大導(dǎo)致的?？諝饴窂街须姍C(jī)的貢獻(xiàn)量大于減速器的貢獻(xiàn)量，是因?yàn)殡姍C(jī)的傳遞函數(shù)大于減速器。

4 結(jié)論

運(yùn)用奇異值分解技術(shù)的OTPA方法對(duì)某型純電動(dòng)汽車的車內(nèi)噪聲進(jìn)行研究，建立了以駕駛員右耳為目標(biāo)點(diǎn)，9條結(jié)構(gòu)路徑和2條空氣路徑的OTPA模型，得到如下結(jié)論。

(1)通過(guò)對(duì)比車內(nèi)噪聲目標(biāo)點(diǎn)聲壓信號(hào)的實(shí)測(cè)響應(yīng)和合成響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)吻合性較好，OTPA模型合理性得到驗(yàn)證。

(2)通過(guò)采用奇異值分解對(duì)輸入激勵(lì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，降低了測(cè)量噪聲對(duì)輸入信號(hào)的串?dāng)_影響，得出了各路徑傳遞率和路徑貢獻(xiàn)量。

(3)通過(guò)車內(nèi)噪聲頻譜圖，找到車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)最大峰值頻率為249Hz，在此頻率下利用貢獻(xiàn)量、輸入激勵(lì)和傳遞函數(shù)對(duì)比，識(shí)別出結(jié)構(gòu)路徑中，動(dòng)力總成的振動(dòng)激勵(lì)主要通過(guò)左懸置X方向和左懸置Z方向傳到車內(nèi)，后懸置Z方向由于傳遞函數(shù)較大，導(dǎo)致此路徑貢獻(xiàn)量大。空氣路徑中電機(jī)和減速器噪聲通過(guò)空氣傳入車內(nèi)，電機(jī)的貢獻(xiàn)量大。