王茜影，謝小平,2，李 陽(yáng)，楊 悅，王晨輝

（1.湖南大學(xué) 汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；2.常州湖南大學(xué) 機(jī)械裝備研究院，江蘇 常州 213000；3.西安西沃客車(chē)有限公司，西安 710089）

偏相干分析在客車(chē)降噪中的應(yīng)用

王茜影1，謝小平1,2，李 陽(yáng)1，楊 悅3，王晨輝1

（1.湖南大學(xué) 汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；2.常州湖南大學(xué) 機(jī)械裝備研究院，江蘇 常州 213000；3.西安西沃客車(chē)有限公司，西安 710089）

車(chē)內(nèi)低頻噪聲一直是汽車(chē)NVH研究關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，常需要找到對(duì)噪聲影響較大的振動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，但是振動(dòng)對(duì)場(chǎng)點(diǎn)的貢獻(xiàn)并不能代表對(duì)整個(gè)聲場(chǎng)噪聲的貢獻(xiàn)量。針對(duì)多峰值多場(chǎng)點(diǎn)的車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)問(wèn)題，引入“總相干系數(shù)”和“相干系數(shù)和”的概念對(duì)現(xiàn)有的偏相干分析方法進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)某型客車(chē)的車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行小波包分解，得到車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)的聲學(xué)特性,確定研究的頻率范圍。通過(guò)對(duì)各板件振動(dòng)與車(chē)內(nèi)測(cè)點(diǎn)噪聲信號(hào)進(jìn)行偏相干分析，確定對(duì)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)影響較大的結(jié)構(gòu)，并在實(shí)車(chē)上實(shí)施了改進(jìn)措施。結(jié)果表明，車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)降低0.5 dB～2 dB，為有效降低客車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲提供了指導(dǎo)方向。

聲學(xué)；總相干系數(shù)；偏相干分析；低頻噪聲；小波包分解

車(chē)內(nèi)噪聲是影響汽車(chē)乘坐舒適性的主要因素之一，客車(chē)作為人們出行重要的公共交通工具，其噪聲問(wèn)題也得到越來(lái)越多的關(guān)注。車(chē)內(nèi)低頻噪聲大多與車(chē)身結(jié)構(gòu)振動(dòng)相關(guān)，由于白車(chē)身多由鈑金件組成，在激勵(lì)源作用下這些板件產(chǎn)生振動(dòng)就會(huì)向車(chē)內(nèi)輻射噪聲[1]。為減小這部分結(jié)構(gòu)噪聲，需要找到對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量較大的板件，對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行控制。

對(duì)于低頻結(jié)構(gòu)噪聲，常采用板件聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析的方法確定貢獻(xiàn)量較大板件，通過(guò)控制局部振動(dòng)降低噪聲[2–5]。低頻噪聲與結(jié)構(gòu)振動(dòng)相關(guān)，也可通過(guò)振動(dòng)和噪聲信號(hào)的相干分析確定貢獻(xiàn)量較大的結(jié)構(gòu)，由于板件振動(dòng)并不完全獨(dú)立，需采用偏相干分析的方法。目前偏相干分析的方法可以計(jì)算出兩個(gè)信號(hào)在單一頻率處的相干系數(shù)[6–9]，對(duì)于多峰值多場(chǎng)點(diǎn)聲場(chǎng)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的偏相干分析并不能衡量各振動(dòng)對(duì)車(chē)內(nèi)整體聲學(xué)特性的貢獻(xiàn)量，因此提出“總相干系數(shù)”與“相干系數(shù)和”的概念來(lái)評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)多峰值場(chǎng)點(diǎn)及整個(gè)聲場(chǎng)的影響程度。

針對(duì)某型客車(chē)車(chē)內(nèi)的噪聲問(wèn)題首先進(jìn)行了小波包分解，得到車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)的聲學(xué)特性。由小波包系數(shù)節(jié)點(diǎn)能量得到聲壓信號(hào)特征向量[10–11]，通過(guò)計(jì)算各場(chǎng)點(diǎn)與聲源信號(hào)之間特征向量的相關(guān)系數(shù)，確定車(chē)內(nèi)噪聲與結(jié)構(gòu)振動(dòng)相關(guān)。在此基礎(chǔ)上，選取多個(gè)場(chǎng)點(diǎn)代表車(chē)內(nèi)整體聲場(chǎng)特征，通過(guò)計(jì)算各場(chǎng)點(diǎn)聲壓信號(hào)與各車(chē)身板件振動(dòng)信號(hào)的偏相干系數(shù)確定了貢獻(xiàn)量較大的板件。之后在這些板件上粘貼阻尼材料，通過(guò)實(shí)車(chē)噪聲測(cè)試驗(yàn)證改進(jìn)措施的降噪效果。

1 數(shù)據(jù)分析理論

1.1 小波包分解

對(duì)于噪聲問(wèn)題，一般會(huì)對(duì)聲壓信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，提取噪聲的聲學(xué)特性，但是頻譜分析只能體現(xiàn)噪聲的頻域特性，小波分解卻可以同時(shí)反映信號(hào)的頻域和時(shí)域特性，而小波包分解可同時(shí)分解低頻和高頻部分，通過(guò)分解得到噪聲信號(hào)特征向量，比頻譜分析得到更細(xì)致的信號(hào)特征。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行n層小波包分解，Sxy表示第x層第y個(gè)節(jié)點(diǎn)的特征信號(hào)，x=0，1，2…n，y=0，1，2…2n-1，其對(duì)應(yīng)頻帶的特征能量為Ex,y

1.2 偏相干分析理論

相干分析常用來(lái)分析振動(dòng)或噪聲信號(hào)的頻率特征以及峰值特征與一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)源或噪聲源信號(hào)的相關(guān)程度，從而找到振動(dòng)或噪聲問(wèn)題的根源。常用的相干分析有常相干、重相干和偏相干分析，常相干函數(shù)常用于分析單輸入單輸出系統(tǒng)的相干性，重相干分析用于多輸入單輸出系統(tǒng)的相干性且各輸入之間不相關(guān)，而偏相干分析能夠提取出各輸入之間相關(guān)的部分，因而常用于分析多輸入多輸出系統(tǒng)的輸入與輸出信號(hào)的相干性。

1.2.1 基本相干理論

以兩輸入兩輸出系統(tǒng)為例，如圖1，X1、X2為輸入，Y1、Y2為輸出，X1?2、X2?1分別為剔除X2、X1影響后的輸入，X2?1、X1?2分別為其他輸入對(duì)X1、X2的作用，Y1?2、Y2?1分別為X1、X2剔除其他輸入的影響對(duì)應(yīng)的輸出，N為輸出Y的測(cè)量干擾。

如果在圖1中只考慮所求輸入本身而忽略其他輸入對(duì)其影響，則系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單輸入單輸出等效系統(tǒng)如圖2。

圖1 兩輸入兩輸出系統(tǒng)

圖2 僅保留與X2不相干信號(hào)后的等效系統(tǒng)

根據(jù)常相干函數(shù)定義，由以上公式可得X1?2、Y1?2的相干函數(shù)為

1.2.2 總相干系數(shù)

現(xiàn)有的偏相干分析方法只是計(jì)算出在主要峰值頻率處輸入與輸出的相干系數(shù)，但是對(duì)于車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)試信號(hào)來(lái)說(shuō)，一般會(huì)存在有多個(gè)較大的峰值頻率，同時(shí)聲場(chǎng)內(nèi)也會(huì)有多個(gè)場(chǎng)點(diǎn)，同一輸入在不用峰值頻率處跟輸出的相干系數(shù)不同，而且在同一峰值頻率處，輸入信號(hào)與不同的輸出信號(hào)的相干系數(shù)也不相同，這就給噪聲分析帶來(lái)了困難。所以對(duì)于多場(chǎng)點(diǎn)多峰值系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，引入總相干系數(shù)與相干系數(shù)和的概念。

相干系數(shù)和Pj定義為某輸入Xi對(duì)輸出Yj在n個(gè)主要峰值頻率處相干系數(shù)的加權(quán)系數(shù)和，衡量輸入在寬頻帶范圍內(nèi)對(duì)場(chǎng)點(diǎn)的影響。

式中Pjk為輸入Xi在輸出Yj第k個(gè)峰值頻率下對(duì)輸出Yj的相干系數(shù)，λk為第k個(gè)峰值的加權(quán)系數(shù)，n為主要峰值頻率個(gè)數(shù)。

客車(chē)車(chē)內(nèi)空間較大，不同位置的聲學(xué)特性有較大的不同，評(píng)價(jià)車(chē)內(nèi)聲學(xué)特征時(shí)，需要多個(gè)場(chǎng)點(diǎn)共同參與。為衡量某輸入對(duì)整個(gè)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)的影響程度，引入新概念“總相干系數(shù)”，總相干系數(shù)Ptotal定義為某輸入對(duì)l個(gè)輸出即場(chǎng)點(diǎn)聲壓信號(hào)的相干系數(shù)和的線型疊加，以各場(chǎng)點(diǎn)的重要性作為加權(quán)系數(shù)，則總相干系數(shù)定義為

圖3 各測(cè)點(diǎn)能量分布

式中l(wèi)為輸出的個(gè)數(shù)，ωj為輸出Yj對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)，Pj為輸入在全頻段內(nèi)對(duì)輸出Yj的相干系數(shù)和，由此Ptotal就可以用來(lái)表征輸入對(duì)整個(gè)聲場(chǎng)的影響。

2 客車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲分析

2.1 客車(chē)噪聲試驗(yàn)及分析

針對(duì)某型客車(chē)行駛過(guò)程中的噪聲問(wèn)題進(jìn)行道路噪聲測(cè)試。根據(jù)國(guó)標(biāo)《聲學(xué)—汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)量方法》，在駕駛員右耳、乘客區(qū)1，3，7排乘客右耳共布置4個(gè)傳感器，在勻速4擋50 km/h行駛工況下采集信號(hào)，采樣頻率為50 kHz，對(duì)信號(hào)的初步頻譜分析結(jié)果顯示信號(hào)較集中的頻率范圍在2 000 Hz以下，為更明確地找到問(wèn)題產(chǎn)生的原因，對(duì)原噪聲信號(hào)進(jìn)行降采樣處理，信號(hào)降采樣的采樣率為4 k，用db4小波基函數(shù)進(jìn)行四層小波包分解，0～2 000 Hz被分為16個(gè)頻段，得到各個(gè)頻段所占總能量的百分比。為消除偶然因素對(duì)分析結(jié)果的影響，每1秒數(shù)據(jù)為一組，共6秒數(shù)據(jù)，求得6組數(shù)據(jù)并取平均數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

從圖中可得，信號(hào)能量主要集中在前四個(gè)頻段0～500 Hz，更多集中在前兩個(gè)頻段250 Hz以下范圍。低頻噪聲信號(hào)大多數(shù)情況下是由結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起，主要是車(chē)內(nèi)鈑金件振動(dòng)引起的。

為確定車(chē)內(nèi)噪聲的產(chǎn)生原因，對(duì)車(chē)內(nèi)測(cè)點(diǎn)噪聲信號(hào)和車(chē)外噪聲源信號(hào)進(jìn)行了相關(guān)分析。根據(jù)小波分解后的小波系數(shù)得到各節(jié)點(diǎn)能量，由歸一化的能量值組成信號(hào)的特征向量，計(jì)算車(chē)內(nèi)測(cè)點(diǎn)與車(chē)外聲源特征向量的相關(guān)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表中可以知道，各測(cè)點(diǎn)與聲源特征向量的相關(guān)系數(shù)大多數(shù)都小于0.5，說(shuō)明車(chē)內(nèi)噪聲很大程度上是與結(jié)構(gòu)振動(dòng)相關(guān)的。對(duì)于車(chē)內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲而言，一般是車(chē)身鈑金件在激勵(lì)源的作用下振動(dòng)，進(jìn)而向車(chē)內(nèi)輻射的噪聲。為降低車(chē)室內(nèi)的噪聲水平，就要找到對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲影響最大的板件，通過(guò)減小振動(dòng)來(lái)降低噪聲。

表1 各聲源與場(chǎng)點(diǎn)聲壓信號(hào)相干系數(shù)

2.2 振動(dòng)與噪聲偏相干分析

通過(guò)測(cè)點(diǎn)噪聲與板件振動(dòng)信號(hào)的相干分析可以找到與車(chē)內(nèi)噪聲相關(guān)性較大的板件。由于板件之間的振動(dòng)并不是完全相互獨(dú)立的，因此采用偏相干分析方法對(duì)板件振動(dòng)與車(chē)內(nèi)測(cè)點(diǎn)噪聲進(jìn)行分析。

振動(dòng)與噪聲同時(shí)采集數(shù)據(jù)，由于客車(chē)車(chē)身較長(zhǎng)，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)分布在左側(cè)圍前后，右側(cè)圍前中后和頂棚前中后，車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)為駕駛員，乘客1、3、7排乘客右耳位置，圖4、5分別為車(chē)外振動(dòng)和車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)布置示意圖。采樣頻率為5 kHz，采集數(shù)據(jù)后，對(duì)各個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)信號(hào)和噪聲測(cè)點(diǎn)信號(hào)做偏相干分析。

圖4 車(chē)外振動(dòng)測(cè)點(diǎn)

圖5 車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)

以駕駛員位置為例，噪聲信號(hào)頻譜圖如圖6所示，因?yàn)樾盘?hào)集中在低頻段，所以確定分析頻率為500 Hz以下。首先對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，找到幅值較大的峰值頻率，之后根據(jù)公式(8)計(jì)算在這些峰值頻率下各振動(dòng)信號(hào)與噪聲信號(hào)的偏相干系數(shù)，由公式(9)計(jì)算各板件振動(dòng)對(duì)駕駛員聲壓的相干系數(shù)和。

圖6 駕駛員測(cè)點(diǎn)聲壓頻譜圖

從表3可知，對(duì)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)影響較大的振動(dòng)板件有右側(cè)圍前，右側(cè)圍后、頂棚中和頂棚后，如果能采

從頻譜圖中可以看出較大的聲壓峰值主要集中在500 Hz以下，取幅值超過(guò)50 dB的峰值頻率作為主要研究頻段，駕駛員位置主要有58 Hz、85 Hz、103 Hz、118 Hz、260 Hz、290 Hz、350 Hz、465 Hz等8個(gè)頻率點(diǎn)，取各峰值頻率加權(quán)系數(shù)為1，根據(jù)公式9計(jì)算出各個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)對(duì)駕駛員位置的相干系數(shù)和。同樣的方法，可得到各振動(dòng)與其他噪聲測(cè)點(diǎn)的相干系數(shù)和，如下表2所示。

表2 各輸入對(duì)輸出的相干系數(shù)和

根據(jù)表2得到各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)對(duì)各聲壓測(cè)點(diǎn)的相干系數(shù)和之后，由公式10可算出各振動(dòng)對(duì)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)的總相干系數(shù)。

表3 各輸入對(duì)輸出的總相干系數(shù)

取措施降低這些板件的振動(dòng)，車(chē)內(nèi)測(cè)點(diǎn)的聲壓會(huì)得到有效的抑制。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)以上的分析，確定了對(duì)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)影響較大的板件。由于車(chē)身多為鈑金件，目前用得較多的方法有改進(jìn)局部結(jié)構(gòu)和粘貼阻尼材料，但是結(jié)構(gòu)改進(jìn)在白車(chē)身模型已經(jīng)確定的情況下較難操作，而阻尼材料的使用在改善局部的振動(dòng)情況下又不會(huì)影響車(chē)身整體的動(dòng)靜態(tài)特性，使得改進(jìn)方便可行。因此在實(shí)車(chē)上實(shí)施降噪措施，在右側(cè)圍前、后，頂棚中和頂棚后等部位粘貼阻尼材料，圖7顯示了頂棚、側(cè)圍阻尼材料的布置情況。

圖7 頂棚和側(cè)圍阻尼材料布置

為驗(yàn)證改進(jìn)效果進(jìn)行了道路噪聲測(cè)試，結(jié)果顯示改進(jìn)后駕駛員測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)由72.1 dB降到70.6 dB，乘客1排測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)由71.2 dB降到70.2 dB，乘客3排測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)由67.2 dB降到66.7 dB，乘客7排測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)由70.1 dB降到68.1 dB，車(chē)內(nèi)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)均下降0.5 dB～2 dB，降噪效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)各聲壓信號(hào)小波包分解得到各頻段的能量特征，確定了噪聲研究的范圍，以各頻帶能量為元素構(gòu)造聲壓信號(hào)特征向量，通過(guò)計(jì)算向量間相關(guān)系數(shù)確定了車(chē)內(nèi)噪聲的特性即結(jié)構(gòu)噪聲占主導(dǎo)，為之后的分析提供了依據(jù)。

（2）針對(duì)多輸入多輸出系統(tǒng)，提出“總相干系數(shù)”與“相干系數(shù)和”的概念來(lái)衡量板件振動(dòng)對(duì)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)特性的影響，確定了對(duì)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)影響較大的結(jié)構(gòu)，并在實(shí)車(chē)上進(jìn)行了驗(yàn)證，改進(jìn)后車(chē)內(nèi)噪聲得到明顯改善。

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Application of Partial CoherenceAnalysis in Interior Noise Reduction of Passenger Cars

WANG Xi-ying1,XIE Xiao-ping1,2,LI Yang1,YANG Yue3,WANG Chen-hui1
(1.The State Key Laboratory ofAdvanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University,Changsha 410082,China; 2.CZ-HNU Institute of Machinery Equipment,Changzhou 213000,Jiangsu China; 3.Xian Silver Bus Co.Ltd.,Xi’an 710089,China)

Interior low-frequency noise has been the focus of automotive NVH research.It is necessary to detect and improve the vibrating structures that have great impact on the interior noise.However,contribution of vibration to the noise of field points is unlikely to completely represent the contribution to the whole interior acoustic field.For the interior acoustic field with multiple frequency peaks and multiple field points,the“total coherence coefficient”and“coherence coefficient sum”are introduced as two new parameters to improve the existing partial coherence analysis method.Then,the interior noise of a passenger car is analyzed by wavelet packet decomposition.The acoustic characteristics of the interior acoustic field and the concerned frequency range are obtained.Through the partial coherence analysis of the vibration of panels and interior noise signals at the measurement points,the structures which have greater impact on the interior noise are identified.And the improvement measures are carried out for the car.The results of the test show that the sound pressure level of the interior noise of the field points is reduced by 0.5 dB-2 dB.This work provides the guidance for reducing the interior noise of passenger cars.

acoustics;total coherence coefficient;partial coherence analysis;low-frequency noise;wavelet packet decomposition

TB535

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.022

1006-1355(2017)03-0112-05

2017-01-09

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助（11232004）；中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)品檢測(cè)工況研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目-長(zhǎng)沙資助項(xiàng)目

王茜影（1991－），女，河南省新鄉(xiāng)市人，碩士生，主要研究方向?yàn)槠?chē)噪聲與振動(dòng)控制。E-mail:980193761@qq.com

謝小平，男，博士，工程師。E-mail:xxp7828@163.com