李登山 湯樂超 趙偉 胡杰宏 陳曦

摘? 要：真空泵噪聲問題是電動汽車突出問題之一，如何基于臺架噪聲預(yù)測真空泵車內(nèi)噪聲成為一項重要的研究課題。基于臺架噪聲聲源轉(zhuǎn)換，結(jié)合聲傳函（Acoustic Transfer Function，ATF）測試結(jié)果，推導(dǎo)了真空泵車內(nèi)噪聲的計算公式，并進行試驗驗證。試驗結(jié)果表明，該計算方法準確有效，與試驗誤差在1.5dB（A）左右。該計算方法對車輛噪聲子系統(tǒng)目標分解選型具有重要參考價值。

關(guān)鍵詞：真空泵;臺架噪聲;聲源轉(zhuǎn)換;聲傳函;車內(nèi)噪聲預(yù)測

中圖分類號：U461.4? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2020）03-0016-06

Abstract： Vacuum pumps noise is one of the major problems in electric vehicles. How to precisely predict interior noise induced by vacuum pump has become a research point. Bench noise source conversion combined with Acoustic Transfer Function test results， the formula for calculating the interior noise can be derived. After the test verification， the results show that the calculation method is accurate and effective， which predictive error is about 1.5dB （A） .It provides important reference for target decomposition and selection of vehicle noise subsystem.

Key Words： Vacuum Pump; Bench Noise; Source Conversion; Acoustic Transfer Function; Interior Noise Prediction

引? ?言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和國家政策的引導(dǎo)，電動化已成為汽車行業(yè)發(fā)展的重要特征之一，因沒有傳統(tǒng)發(fā)動機的掩蔽效應(yīng)，真空泵等輔助系統(tǒng)噪聲問題更加明顯[1]。隨著開發(fā)周期縮短和試驗物理樣車減少，如何在早期預(yù)測真空泵車內(nèi)噪聲變得更為迫切。

當前國內(nèi)外的研究人員一般是通過仿真的方法計算車內(nèi)噪聲，但在工程應(yīng)用中有很多局限。汽車噪聲通常為寬頻噪聲，需要結(jié)合有限元、邊界元、統(tǒng)計能量法等多種建模方法進行混合建模[2-5]，需要輸入大量的內(nèi)外飾材料參數(shù)與多項試驗調(diào)試，需要大量的數(shù)據(jù)積累且對試驗資源占有較高。此外，一些車內(nèi)噪聲仿真的關(guān)鍵細節(jié)仍難以模擬，如車身孔隙分布、隔音墊貼合情況和過孔的細節(jié)等。基于實際或相近車型的聲傳函，計算附件系統(tǒng)的車內(nèi)噪聲更具現(xiàn)實意義。

本文通過試驗的方法計算車內(nèi)噪聲，需進行聲源載荷識別和傳遞路徑識別。聲源載荷識別可分為實車近場測量和臺架噪聲測量[6-8]。實車近場測量時有兩個問題難以解決：一是輸入信號之間相互影響，容易造成計算結(jié)果偏大，需要進行修正[9];二是聲源附近的聲壓受到周圍環(huán)境空腔模態(tài)和吸聲性能的影響，此部分影響在傳遞路徑識別中已經(jīng)涵蓋而被重復(fù)計算。本文采用消聲室環(huán)境下的臺架噪聲測量，無上述問題。

傳遞路徑識別可分為空氣傳播噪聲和結(jié)構(gòu)傳播噪聲。中高頻噪聲如風噪聲、電磁噪聲等，主要是空氣傳播噪聲;中低頻噪聲如鈑金振動噪聲、路面噪聲等，主要是結(jié)構(gòu)傳播噪聲[10]。本文中真空泵與電機總成之間通過橡膠襯套隔振，電機總成和車身之間通過懸置隔振，所以真空泵兩級隔振后輻射的結(jié)構(gòu)傳播噪聲很小，可認為真空泵車內(nèi)噪聲主要為空氣傳播噪聲，傳遞路徑中僅測量聲傳函。本文中為避免聲源布置空間的限制采用逆向法進行測試[11-13]，即乘員艙布置聲源，機艙布置傳聲器。

汽車真空泵臺架噪聲和聲傳函通常局限于與對標車單獨比較，沒有用來預(yù)測其車內(nèi)噪聲。本文通過聲源轉(zhuǎn)換將兩者有效結(jié)合起來，并通過試驗驗證了計算方法準確有效。該方法增加了項目開發(fā)的可控性，對車內(nèi)噪聲子系統(tǒng)目標分解與選型具有重要意義。

1? ? 真空泵車內(nèi)噪聲頻譜特征及傳遞路徑

真空泵是一個常見的電動車輔助系統(tǒng)聲源，當真空助力器真空度不足時，真空泵會接入蓄電池電源向外泵氣，泵氣過程一般持續(xù)約15秒，期間會產(chǎn)生空氣動力性噪聲、內(nèi)部機構(gòu)運轉(zhuǎn)振動的機械性噪聲和電機的電磁性噪聲。當電動車踩下制動踏板剛要啟動時，車內(nèi)真空泵噪聲很明顯。

真空泵發(fā)聲時，車內(nèi)前排后排等不同位置的響應(yīng)有所差異，本文選擇用車內(nèi)的駕駛員內(nèi)耳位置作為代表進行研究。將測試車輛置于半消聲室內(nèi)，關(guān)閉汽車空調(diào)等設(shè)備，測出駕駛員內(nèi)耳背景噪聲，再讓真空泵工作，實測駕駛員內(nèi)耳噪聲及其背景噪聲見圖1：

一般噪聲超出背景噪聲6dB（A）后，人可以明確感知。從圖1中可以看出，真空泵車內(nèi)噪聲2500Hz以上的頻段聲壓級與背景噪聲差距不足6dB（A），本文不進行研究，而主要研究三分之一倍頻程315～2500Hz。

真空泵空氣傳播噪聲向車內(nèi)傳遞可以將聲音能量分為3部分，如圖2所示：第一部分為直接傳入聲，聲音直接通過車身壁板或縫隙傳遞到車內(nèi)，此部分能量主要取決于與乘員艙隔聲性能;第二部分為間接傳入聲，聲音在傳播過程中被地面縱梁等物體反射，最終間接傳入到車內(nèi)，此部分能量主要取決于機艙吸聲性能;第三部分聲音在傳遞過程中不斷衰減，被聲學材料吸收或散失到大氣中。

2? ? 真空泵臺架噪聲測試與聲源轉(zhuǎn)換

2.1? ?臺架噪聲測試

消聲室中將真空泵懸吊起來，通過導(dǎo)線接入穩(wěn)壓電源，保證臺架真空泵工作電壓與在整車上工作電壓一致。參考GB/T 1859，在真空泵“上、下、前、后、左、右”6個方向各布置一個傳聲器。為了構(gòu)建標準的球形輻射面，本文中以真空泵中心而不是真空泵表面為參考布置傳聲器，傳聲器距離真空泵中心0.5m，如圖3所示：

測試結(jié)果見圖4：

2.2? ? 聲源轉(zhuǎn)換

真空泵近似于一個圓柱體，底面直徑約94mm，高度約137mm，在電機艙中的安裝位置見圖5：

通常真空泵表面輻射不均勻，為簡化計算，本文中將其平分為6個輻射面，假設(shè)每個輻射面內(nèi)噪聲輻射均勻。這樣可以將臺架中真空泵等效為6個六分之一球面聲源。假設(shè)真空泵右側(cè)因緊靠電機壁面而導(dǎo)致右側(cè)聲音全部反射到其他方向，反射能量按照“上、下、前、后”輻射的聲功率比例分配，根據(jù)能量守恒定律可將6個面聲源轉(zhuǎn)換為5個面聲源。假設(shè)這5個面聲源均通過真空泵附近對應(yīng)方向的點輻射噪聲，可將5個面聲源轉(zhuǎn)換為5個等效點聲源。最終，聲源轉(zhuǎn)換過程如圖6所示：

本文中假定聲源輻射方向的變化產(chǎn)生的影響可忽略，主要有兩個原因：一方面，真空泵附近存在前縱梁、前圍板、電驅(qū)總成和機艙護板等多個壁面，聲音會在這些壁面間來回反射而近似形成一個混響場，削弱了聲音指向性的影響;另一方面，真空泵尺寸相對于傳遞路徑來說不到十分之一。

3? ? 等效點聲源至車內(nèi)聲傳函測試

本文把激勵源為中高頻體積聲源，可直接測出聲音體積加速度，激勵信號為猝發(fā)隨機白噪聲，激勵點為駕駛員內(nèi)耳。我們以駕駛員視角為參考，定義方向“上、下、前、后、左、右”，因為真空泵右側(cè)緊靠電機無法布置傳聲器，所以只在機艙真空泵附近的“上、下、前、后、左”5個點布置傳聲器作為測點，傳聲器距離真空泵表面10cm，見圖7：

本文公式中“上、下、前、后、左、右”分別用“1、2、3、4、5、6”表示。本文中聲傳函用測點聲壓與激勵點的體積加速度的比值轉(zhuǎn)換為分貝表示，見公式（1）。

m=1，2，3，4，5? （1）

式中：Hm為（400～1250）Hz真空泵附近各測點到駕駛員內(nèi)耳聲傳函，pm為各測點聲壓，Q 激勵點體積加速度。

聲傳函測試結(jié)果見圖8：

4? ? 車內(nèi)噪聲計算和驗證

①聲壓級A計權(quán)轉(zhuǎn)換見公式（2）、（3）：

式中：LpAk為真空泵臺架測試各測點A計權(quán)聲壓級;Lpk為各測點聲壓級;A為A計權(quán)的參數(shù);LpAi為預(yù)測的駕駛員內(nèi)耳處A計權(quán)聲壓級，Lpi為預(yù)測的駕駛員內(nèi)耳處聲壓級。

②聲壓級與聲壓關(guān)系見公式（4）、（5）：

式中：pk 為臺架各測點聲壓，pi 為預(yù)測駕駛員內(nèi)耳聲壓。

③臺架測試的消聲室可看作自由聲場，則測點的聲強在聲音傳播方向上的大小可采用公式（6）計算：

式中：Ik 為臺架各測點的聲強在聲音傳播方向上的大小;ρ 為空氣密度;c 為聲速。

④將距離真空泵中心R的球形輻射面平分為6部分，假設(shè)各部分內(nèi)聲音輻射均勻，即將真空泵聲源轉(zhuǎn)化為6個面聲源，則可按公式（7）計算出各輻射面的聲功率：

式中：Wk 為臺架測試中各輻射面聲功率。

⑤通過聲源轉(zhuǎn)換分析，聲傳函各測點聲功率見公式（8）：

式中：Wm為轉(zhuǎn)換后的聲傳函各測點聲功率。

⑥自由場中，點聲源聲功率與體積加速度關(guān)系見公式（9）：

式中：Qm為真空泵附近各點體積加速度。

⑦汽車行業(yè)中聲傳函測試一般采用逆向法，假設(shè)汽車中的聲音的傳遞路徑是線性系統(tǒng)，A點聲激勵下的B點響應(yīng)等于B點聲激勵下A點響應(yīng)，即聲源和和接受者是可逆的[11-13]。因此，真空泵附近某點到駕駛員內(nèi)耳處的聲傳函等于駕駛員內(nèi)耳處到真空泵附近某點的聲傳函，即為公式（10）：

式中：pm 為真空泵附近各等效聲源發(fā)聲時駕駛員內(nèi)耳對應(yīng)的響應(yīng)。

⑧本文中假設(shè)各等效聲源在車內(nèi)的響應(yīng)是獨立的，將其各個響應(yīng)能量求和，即是預(yù)測的駕駛員內(nèi)耳總響應(yīng)，見公式（11）：

⑨將公式（1）、（2）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9）、（10）、（11）代入公式（3），可得公式（12）：

公式（12）消除了計權(quán)參數(shù)A和空氣傳播噪聲音傳播速度c等參數(shù)，R為0.5m，空氣密度ρ 為1.17kg/m3（0.1MPa，25℃），將圖4和圖8數(shù)據(jù)代入公式（12），可求出相應(yīng)頻率下的預(yù)測值 LpAi ，預(yù)測計算的結(jié)果和圖1中實測的結(jié)果對比見圖9：

預(yù)測頻譜曲線和實測頻譜曲線吻合良好，研究頻段的各三分之一倍頻程相差1.5dB（A）左右，說明預(yù)測方法準確有效。

5? ? 結(jié)論

本文介紹了車內(nèi)噪聲預(yù)測的現(xiàn)狀及目前仿真方法的局限性。本文分析了某電動車機艙內(nèi)真空泵噪聲傳遞路徑，基于能量守恒定律把自由場環(huán)境下真空泵臺架噪聲近似轉(zhuǎn)換為5個獨立的點聲源，結(jié)合聲傳函的互逆特征，推導(dǎo)了真空泵車內(nèi)噪聲的計算公式，并進行了試驗驗證，結(jié)論如下：

（1）車內(nèi)噪聲計算公式計算結(jié)果與試驗差異約1.5dB（A），計算方法準確有效;

（2）以空氣傳播噪聲為主的聲源，可根據(jù)周圍環(huán)境基于輻射能量進行聲源轉(zhuǎn)換;

（3）該計算方法對車內(nèi)噪聲子系統(tǒng)目標分解與選型具有重要意義，可結(jié)合臺架噪聲目標達成情況及時調(diào)整聲傳函目標，評估真空泵安裝在不同位置的車內(nèi)噪聲等。

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