康 強(qiáng)，顧鵬云，李 潔，左曙光

（1.浙江汽車工程學(xué)院，杭州 310000； 2.浙江吉利汽車研究院有限公司，寧波 315000；3.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201800）

前言

隨著電池技術(shù)和智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，目前電動(dòng)汽車已成為發(fā)展趨勢(shì)。與內(nèi)燃機(jī)相比，電驅(qū)動(dòng)總成的噪聲和振動(dòng)的幅值很小，但仍然存在一些問(wèn)題需要考慮。內(nèi)燃機(jī)噪聲主要是低頻發(fā)火階次的機(jī)械和燃燒噪聲。汽車制造商對(duì)其內(nèi)燃機(jī)聲品質(zhì)已做了幾十年的研究。而電驅(qū)動(dòng)總成噪聲則主要由電磁力和齒輪嚙合產(chǎn)生的高頻嘯叫階次噪聲，以及DC／AC脈寬調(diào)制產(chǎn)生的高頻傘狀噪聲［1］構(gòu)成。目前在電動(dòng)汽車整車開發(fā)中仍然是用通常用的指標(biāo)聲壓級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)其噪聲，而對(duì)其聲品質(zhì)的研究不多。然而聲壓級(jí)并不能完全反映人對(duì)單調(diào)噪聲的主觀感受。由于沒有內(nèi)燃機(jī)工作噪聲的掩蔽，這些高頻單調(diào)噪聲在許多工況下會(huì)很顯著。同時(shí)純電動(dòng)汽車行駛時(shí)仍然有路噪、胎噪和風(fēng)噪等，因此既要考慮單調(diào)噪聲的聲壓級(jí)，也應(yīng)關(guān)注其它噪聲的掩蔽效應(yīng)和反映乘員的主觀感受。Zwicker等研究指出，為掩蓋一個(gè)單調(diào)音，掩蔽音頻率每倍頻程須增大10 dB。也即頻率越高，所需的掩蔽音幅值越大［2］。文獻(xiàn)［3］中研究了聲品質(zhì)參數(shù)PR（prominence ratio）和驅(qū)動(dòng)電機(jī)單調(diào)音的閾值之間的關(guān)系，并得出不擾人的聲音為：800 Hz以上時(shí)PR小于3 dB，800 Hz以下時(shí)PR小于5 dB［3］。同時(shí)文獻(xiàn)［4］中建議對(duì)于單調(diào)噪聲可使用TNR（tone-to-noise ratio）和PR評(píng)價(jià)，但對(duì)于具有多個(gè)相近階次的噪聲，更加適合［4］。本文中對(duì)市場(chǎng)上一些不同品牌的純電動(dòng)車的車內(nèi)階次進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析，目的是分析主要階次噪聲的特征、最大聲壓級(jí)、頻率和TNR與主觀感受的關(guān)系，為電驅(qū)動(dòng)總成噪聲的目標(biāo)設(shè)定提供參考。

1 嘯叫聲的評(píng)價(jià)指標(biāo)TNR

TNR是用于分析單調(diào)噪聲的一個(gè)心理聲學(xué)指標(biāo)。它的定義為單調(diào)音的能量與單調(diào)音所處的臨界頻帶的其它噪聲能量的比值，其中后者是將臨界頻帶的能量減去單調(diào)噪聲的能量得到。在信息技術(shù)和通信設(shè)備行業(yè)的機(jī)電產(chǎn)品噪聲評(píng)價(jià)時(shí)，由于主要是單調(diào)噪聲，常采用TNR指標(biāo)，其定義為

根據(jù)ECMA—74標(biāo)準(zhǔn)［5］：如果兩個(gè)音調(diào)很接近，那么將其中較弱者的能量加到較強(qiáng)者之上；如果兩個(gè)音調(diào)有顯著的距離，則將它們視為獨(dú)立的音調(diào)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也提供了評(píng)價(jià)一個(gè)單調(diào)噪聲是否顯著的判斷標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)于頻率高于1 000 Hz，TNR限值為8 dB；對(duì)于頻率低于1 000 Hz，TNR限值為8 dB＋8.33·log10（1000／ftone）dB；超過(guò)上述限值的單調(diào)音為顯著的，如圖1所示。

圖1 TNR的評(píng)價(jià)限值標(biāo)準(zhǔn)

2 測(cè)試說(shuō)明

選取了7臺(tái)近年來(lái)較暢銷的純電動(dòng)車型，如表1所示。這7臺(tái)車分別來(lái)自中國(guó)、日本、美國(guó)和德國(guó)，可認(rèn)為這些電動(dòng)車具有典型的全球代表性。表中列出了其電驅(qū)動(dòng)總成的主要性能參數(shù)，包括電機(jī)和減速器的主要階次。從表中可以看出，除Tesla采用感應(yīng)電機(jī)外，其它車型都采用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)。其電機(jī)主要階次分別為48，60和72階，等于電機(jī)的定子槽數(shù)。減速器輸入齒輪階次處于19～31階之間，減速器輸出齒輪階次處于7～10階之間。

由于全負(fù)荷工況（WOT）時(shí)動(dòng)力總成噪聲最大，故均測(cè)試WOT工況下車內(nèi)駕駛員耳旁噪聲（由于Tesla加速太快，以部分負(fù)荷工況進(jìn)行測(cè)試，使0～100 km加速時(shí)間控制在8 s左右）。試驗(yàn)在光滑平直瀝青路面上進(jìn)行，從靜止全負(fù)荷加速到120 km／h，跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速并記錄噪聲數(shù)據(jù)。試驗(yàn)采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)后處理采用5 Hz頻率分辨率。在實(shí)車評(píng)價(jià)時(shí)，專業(yè)評(píng)價(jià)人員采用整車主觀評(píng)價(jià)的10分制進(jìn)行評(píng)價(jià)。另外，采用聲音回放與濾波，對(duì)主要階次噪聲進(jìn)行主觀評(píng)分。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 聲壓級(jí)與TNR云圖分析

圖2～圖4示出其中3臺(tái)車的車內(nèi)聲壓級(jí)和TNR云圖。

表1 測(cè)試的純電動(dòng)汽車參數(shù)描述

圖2 BMW I3 WOT工況下的車內(nèi)駕駛員耳旁聲壓級(jí)（左圖）和TNR（右圖）

圖3 Nissan LEAF WOT工況下的車內(nèi)駕駛員耳旁聲壓級(jí)（左圖）和TNR（右圖）

從聲壓級(jí)云圖可以看出，電動(dòng)車車內(nèi)主要表現(xiàn)為電驅(qū)動(dòng)總成的高頻階次噪聲。胎噪、路噪、風(fēng)噪等噪聲隨車速增大其幅值和頻率寬度也增大。車速達(dá)到100～120 km／h時(shí)，這些寬頻主要頻率最高約達(dá)4 000～5 000 Hz。

圖4 Chevrolet BOLT WOT工況下的車內(nèi)駕駛員耳旁聲壓級(jí)（左圖）和TNR（右圖）

從TNR云圖可以看出，由于每臺(tái)車電驅(qū)噪聲與背景噪聲的不同，導(dǎo)致TNR的表現(xiàn)不同。I3的電機(jī)階次72階TNR非常顯著，而LEAF和BOLT的電機(jī)階次不顯著。這與主觀感受一致。但I(xiàn)3的電機(jī)階次聲壓級(jí)卻是三者中最小的，如圖5所示。因此，不能單從聲壓級(jí)的大小來(lái)衡量人對(duì)高頻嘯叫聲的主觀感受，并用一個(gè)固定的聲壓級(jí)數(shù)值來(lái)設(shè)定指標(biāo)。比較圖2～圖4，I3噪聲的72階所處的背景噪聲最小，但TNR卻最大。

圖5 3款車的車內(nèi)電機(jī)階次對(duì)比

3.2 TNR與主觀評(píng)分對(duì)比

考慮整個(gè)加速工況中聲音最顯著的時(shí)刻，將所有車型各階次最大的TNR列出，如圖6所示。由于TNR越大，表示單調(diào)噪聲越顯著；而主觀評(píng)價(jià)分值越小，表示噪聲越顯著。因此，將10-主觀評(píng)價(jià)分與TNR進(jìn)行對(duì)比。從圖中可以看出，各個(gè)階次的TNR的趨勢(shì)與主觀評(píng)分的趨勢(shì)基本一致。因此，可使用TNR指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)電動(dòng)車高頻嘯叫噪聲。

3.3 最大的TNR和聲壓級(jí)及頻率分布

TNR的限值與頻率相關(guān)。為確定電動(dòng)車嘯叫噪聲TNR指標(biāo)的一般要求，將所有車型最大的TNR與對(duì)應(yīng)的頻率和最大的聲壓級(jí)與對(duì)應(yīng)的頻率列出，如圖7～圖9所示。

圖6 各車型主要階次TNR與主觀評(píng)分對(duì)比

從圖7左圖看出：電機(jī)階次TNR最大值頻率位于2-8 kHz之間，幅值大小為0～5 dB。其中BOLT和DENZA幅值最小，為0；其次是Geely，LEAF和Model X，分別為2和3 dB；最大的是QIN和I3，幅值為5 dB。從圖7右圖看出，聲壓級(jí)所反映的規(guī)律與TNR完全不同：LEAF和Model X的聲壓級(jí)是最大的，超過(guò)30 dB（A）。因此，目標(biāo)設(shè)定時(shí)不能簡(jiǎn)單地要求電機(jī)階次噪聲小于30 dB（A）。應(yīng)該首先設(shè)定TNR的目標(biāo)，再計(jì)算背景噪聲下對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)。

從圖8左圖看出：減速器輸入齒輪階次TNR最大值頻率位于0.700-1.8 kHz之間，幅值大小為0～7 dB；其中BOLT和LEAF最小，分別為0和1 dB；其次是Model X，Geely和DENZA，分別為2和3 dB；最大的是I3和QIN，分別為5和7 dB。

從圖9左圖看出：減速器輸出齒輪階次TNR最大值頻率位于500-700 Hz之間，幅值大小為0～9 dB；其中LEAF和Geely最小，分別為0和2 dB；其次是Model X，I3和DENZA，分別為4，6和7 dB；最大的是QIN和BOLT，分別為8和9 dB。

圖7 各車型電機(jī)階次最大的TNR（左圖）和聲壓級(jí)（右圖）對(duì)比

圖8 各車型減速器輸入齒輪階次最大的TNR（左圖）和聲壓級(jí)（右圖）對(duì)比

圖9 各車型減速器輸出齒輪階次最大的TNR（左圖）和聲壓級(jí)（右圖）對(duì)比

圖8和圖9右圖聲壓級(jí)規(guī)律與左圖的TNR完全不同?？梢钥闯觯簻p速器齒輪噪聲聲壓級(jí)幅值較分散：輸入齒輪階次在42～49 dB（A）之間均有分布；輸出齒輪階次則分布在50～60 dB（A）之間。在設(shè)定齒輪階次目標(biāo)時(shí)也不能簡(jiǎn)單要求齒輪階次噪聲小于某一數(shù)值。

4 電動(dòng)車電驅(qū)動(dòng)嘯叫聲目標(biāo)設(shè)定方法

根據(jù)上述分析，可歸納出電動(dòng)車車內(nèi)嘯叫聲的一般評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如圖10所示。電驅(qū)動(dòng)總成的主要階次可按照它們所處的頻率范圍設(shè)定相應(yīng)的TNR目標(biāo)。如要達(dá)到完全無(wú)嘯叫，則要求TNR≤1 dB（f＞1 kHz）和TNR≤2 dB（f＜1 kHz）。

圖10 電動(dòng)車嘯叫噪聲TNR一般評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

確定各嘯叫階次的TNR目標(biāo)后，再參考原型車或樣車估計(jì)車輛的路噪、胎噪和風(fēng)噪頻譜，即可確定各嘯叫階次的聲壓級(jí)目標(biāo)。最后可根據(jù)空氣聲傳播函數(shù)和結(jié)構(gòu)聲傳播函數(shù)確定電驅(qū)動(dòng)總成的單體NVH目標(biāo)。其設(shè)計(jì)思路如圖11所示。

圖11 電驅(qū)動(dòng)總成NVH目標(biāo)設(shè)定方法

根據(jù)以上的分析，建議減速器輸入和輸出軸主動(dòng)齒輪齒數(shù)盡可能選小一些，以便齒輪嘯叫聲頻率靠近路噪、胎噪和風(fēng)噪頻率，從而能被有效遮蔽。

5 結(jié)論

本文中選取了7款市場(chǎng)上流行的純電動(dòng)汽車，針對(duì)車內(nèi)電驅(qū)動(dòng)嘯叫進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)和分析。對(duì)全負(fù)荷工況下的車內(nèi)聲壓級(jí)、TNR和主觀評(píng)分進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明TNR與主觀感受是一致的，而聲壓級(jí)的大小并不能直接用來(lái)評(píng)價(jià)嘯叫的顯著度。根據(jù)電驅(qū)動(dòng)總成3個(gè)主要階次的TNR分布，得出對(duì)應(yīng)于電動(dòng)汽車嘯叫顯著度的TNR數(shù)值范圍。最后總結(jié)了電驅(qū)動(dòng)總成的NVH目標(biāo)設(shè)定方法和建議。