魯 媛，金 鵬，王玉雷，廖 毅

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007； 2.上海思百吉儀器系統(tǒng)有限公司，上海 200233）

前言

車內(nèi)噪聲容易導(dǎo)致用戶心情煩躁，注意力不集中和反應(yīng)遲鈍等問(wèn)題，容易引起抱怨，所以得到了國(guó)內(nèi)外汽車制造商的廣泛關(guān)注。而車內(nèi)聲品質(zhì)的最終目的是滿足用戶的主觀感受，實(shí)踐表明客觀參數(shù)A計(jì)權(quán)的聲壓級(jí)不足以體現(xiàn)聲品質(zhì)的差異性，所以結(jié)合主觀評(píng)審與客觀測(cè)試是對(duì)用戶的主觀感受進(jìn)行量化并設(shè)定整車聲品質(zhì)目標(biāo)的必要思路。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外工程師及學(xué)者對(duì)聲品質(zhì)的分析和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量研究［1］，并結(jié)合主觀評(píng)審和客觀參數(shù)來(lái)提高車內(nèi)聲品質(zhì)的前期開(kāi)發(fā)［2］。

確定了車內(nèi)聲品質(zhì)問(wèn)題后，需要繼續(xù)分析聲品質(zhì)的產(chǎn)生原因。常用的一種分析方法是傳遞路徑法，將車內(nèi)振動(dòng)噪聲分解為不同激勵(lì)源的貢獻(xiàn)量，找到多工況激勵(lì)下的噪聲和振動(dòng)的傳遞路徑，并以其貢獻(xiàn)量指導(dǎo)零部件性能的開(kāi)發(fā)。傳遞路徑分析方法可分為頻域法和時(shí)域法。頻域傳遞路徑分析方法是比較常用的方法，其基本思想是，在頻域內(nèi)，將車內(nèi)噪聲振動(dòng)分解為不同激勵(lì)源的貢獻(xiàn)量，再根據(jù)傳遞路徑的貢獻(xiàn)量進(jìn)行優(yōu)化，此方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于聲學(xué)設(shè)計(jì)與故障診斷等領(lǐng)域［3］。但是，在聲品質(zhì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于頻域計(jì)算只能得到貢獻(xiàn)量的頻譜結(jié)果，以至無(wú)法完成主觀評(píng)審和設(shè)計(jì)，也無(wú)法繼續(xù)計(jì)算貢獻(xiàn)量的聲品質(zhì)參數(shù)。因此，頻域分析法被限制了在聲品質(zhì)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。而時(shí)域法分析則能彌補(bǔ)聲品質(zhì)應(yīng)用上的限制。時(shí)域分析法在完成時(shí)域數(shù)據(jù)對(duì)各激勵(lì)源的能量估算后，利用FIR濾波器模擬傳遞函數(shù)對(duì)激勵(lì)源進(jìn)行濾波，進(jìn)而得到時(shí)域下各個(gè)激勵(lì)源在車內(nèi)的貢獻(xiàn)量。目前時(shí)域傳遞路徑分析法在乘用車、農(nóng)用機(jī)械等不同領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［4-7］。

鑒于時(shí)域傳遞路徑分析的上述優(yōu)點(diǎn)，在進(jìn)行整車聲品質(zhì)開(kāi)發(fā)時(shí)，采用時(shí)域傳遞路徑分析方法，能夠很方便地將整車聲品質(zhì)目標(biāo)和零部件貢獻(xiàn)量聯(lián)系起來(lái)。本文中基于聲品質(zhì)分析和時(shí)域傳遞路徑分析方法，提出一種整車聲品質(zhì)開(kāi)發(fā)思路，并針對(duì)某型車輛開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，利用此方法進(jìn)行了聲品質(zhì)設(shè)計(jì)，既為該車型聲品質(zhì)開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)，又結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證了此方法的有效性。

1 車內(nèi)噪聲品質(zhì)目標(biāo)設(shè)定

1.1 主觀評(píng)審與問(wèn)題確認(rèn)

聲品質(zhì)設(shè)計(jì)所需的原始記錄信號(hào)主要包括車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、人工頭雙耳傳聲器等。由于實(shí)車主觀評(píng)審受到各種條件限制，包括場(chǎng)地條件、對(duì)比時(shí)間間隔、車輛狀態(tài)等，評(píng)審過(guò)程難以控制，因此采用實(shí)車記錄原始數(shù)據(jù)和軟件播放噪聲的方式進(jìn)行主觀評(píng)審。噪聲播放和主觀評(píng)審采用Brüel＆Kj?r公司的NVH模擬器，如圖1所示。

圖1 NVH模擬器

將車輛原始數(shù)據(jù)、競(jìng)爭(zhēng)車數(shù)據(jù)和新生成的多個(gè)噪聲振動(dòng)樣本導(dǎo)入NVH模擬器中，進(jìn)行噪聲主觀評(píng)審。根據(jù)主觀評(píng)審分?jǐn)?shù)結(jié)果，確定1 000～2 000 r／min為主要研究范圍，制定目標(biāo)和優(yōu)化方向。下面以某MPV車輛3擋全油門(mén)加速工況噪聲為例，選擇3個(gè)主觀評(píng)審指標(biāo)：“吵鬧／安靜”“有轟鳴／無(wú)轟鳴”“粗糙／平順”。主觀打分范圍為-5～＋5。

1.2 回歸分析

建立主觀評(píng)價(jià)和客觀參數(shù)之間的聯(lián)系，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法得到兩者之間的關(guān)系，再借助多元線性回歸分析模型，完成主觀評(píng)價(jià)與客觀參數(shù)間的線性或非線性關(guān)系，即為聲品質(zhì)模型。

式中：x1，x2，x3，…為試驗(yàn)分析得到不同的客觀聲品質(zhì)特征參數(shù)；k1，k2，k3，…為回歸分析得到的各分析參數(shù)的系數(shù)；y為主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。x1，x2，x3，…可能為不同量綱的參數(shù)，此處僅引用參數(shù)數(shù)值，因此y為無(wú)量綱結(jié)果。

表1～表3分別為3個(gè)主觀評(píng)審指標(biāo)“吵鬧／安靜”“有轟鳴／無(wú)轟鳴”“粗糙／平順”的主觀評(píng)審結(jié)果和回歸分析結(jié)果，對(duì)比主觀評(píng)審結(jié)果和回歸預(yù)測(cè)結(jié)果，吻合良好。其中測(cè)試值和預(yù)測(cè)值均為無(wú)量綱結(jié)果。

表1 “吵鬧／安靜”主觀評(píng)審及預(yù)測(cè)結(jié)果

1.3 聲品質(zhì)問(wèn)題的目標(biāo)制定

回歸分析結(jié)果顯示，3擋全油門(mén)加速工況，3個(gè)主觀評(píng)審結(jié)果中，“吵鬧／安靜”與C計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)dB（C）相關(guān)，“有轟鳴／無(wú)轟鳴”與發(fā)動(dòng)機(jī)2階聲壓級(jí)幅值波動(dòng)差dB（A）有關(guān)，“粗糙／平順”與C計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)dB（C）相關(guān)。圖2、圖3分別為平臺(tái)車型初始狀態(tài)的C計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)和聲壓級(jí)2階切片，1 000～2 000 r／min處均有明顯峰值。

表2 “有轟鳴／無(wú)轟鳴”主觀評(píng)審及預(yù)測(cè)結(jié)果

表3 “粗糙／平順”主觀評(píng)審及預(yù)測(cè)結(jié)果

圖2 3擋WOT副駕駛員耳部C計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)

在設(shè)定聲品質(zhì)目標(biāo)時(shí)，根據(jù)待開(kāi)發(fā)車型的市場(chǎng)定位以及競(jìng)爭(zhēng)車型的主觀評(píng)審結(jié)果，確定待開(kāi)發(fā)車型的聲品質(zhì)主觀評(píng)審目標(biāo)值（-5～＋5）。按照1.2節(jié)所得到的聲品質(zhì)模型，計(jì)算出主觀評(píng)審目標(biāo)值所對(duì)應(yīng)的聲品質(zhì)模型變量參數(shù)x1，x2，x3，…的數(shù)值，比如發(fā)動(dòng)機(jī)2階聲壓級(jí)幅值波動(dòng)差dB（A）、C計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)等。

圖3 副駕駛員耳部聲壓級(jí)總值與2階曲線

另外，為確定聲音信號(hào)中各頻譜成分對(duì)客觀參數(shù)x1，x2，x3，…的影響，利用數(shù)字濾波技術(shù)，對(duì)初始狀態(tài)的時(shí)域記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，研究各頻譜成分的變化對(duì)客觀參數(shù)乃至主觀評(píng)審預(yù)測(cè)值的影響。本文中針對(duì)該車型1 200 r／min附近的聲品質(zhì)問(wèn)題，對(duì)1 200 r／min附近的噪聲頻譜進(jìn)行數(shù)字濾波處理。圖4為該車型初始狀態(tài)“時(shí)頻”分析結(jié)果，在40 Hz附近存在2階的峰值。

圖4 副駕駛員耳部聲壓級(jí)

通過(guò)濾波，修改了發(fā)動(dòng)機(jī)2階聲壓級(jí)幅值波動(dòng)差和C計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)等數(shù)值，進(jìn)而使主觀評(píng)審預(yù)測(cè)值達(dá)到目標(biāo)值水平。這些數(shù)字濾波所得到頻域成分修改幅度，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)定了指導(dǎo)方向。

2 時(shí)域傳遞路徑分析

對(duì)整車而言，將動(dòng)力總成、輪胎激勵(lì)等作為車身系統(tǒng)的輸入載荷，將車內(nèi)響應(yīng)位置的噪聲振動(dòng)信號(hào)作為車身系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。假設(shè)車身系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，應(yīng)用傳遞路徑分析方法，對(duì)各輸入載荷的貢獻(xiàn)量進(jìn)行分解和排序。

對(duì)于線性系統(tǒng)，在時(shí)域和頻域內(nèi)均滿足疊加定理，車內(nèi)響應(yīng)信號(hào)是各個(gè)激勵(lì)源在車內(nèi)貢獻(xiàn)的線性疊加：

式中：pi（t）為第i個(gè)激勵(lì)源在車內(nèi)接受者響應(yīng)點(diǎn)的時(shí)域貢獻(xiàn)；pr為各個(gè)激勵(lì)源的貢獻(xiàn)量在車內(nèi)接受者響應(yīng)點(diǎn)的總和。

在求解pi（t）時(shí)，需要先得到工況載荷，即工況力或工況聲源能量；再得到激勵(lì)源至車內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)；最后得到每個(gè)激勵(lì)源在車內(nèi)響應(yīng)信號(hào)中的貢獻(xiàn)。根據(jù)各個(gè)貢獻(xiàn)的幅值進(jìn)行排序，確定最主要的貢獻(xiàn)源，并進(jìn)一步研究最大貢獻(xiàn)源或路徑問(wèn)題，從源或路徑兩個(gè)方面判斷下一步的優(yōu)化方向。

求解工況載荷的方法主要包括懸置剛度法和阻抗矩陣法。懸置剛度法利用彈性元件的動(dòng)剛度和工況下的相對(duì)變形量，得到工況力。這種方法適合于工況力的求解，但不適合于空氣聲源工況激勵(lì)能量的求解。阻抗矩陣法利用矩陣求逆技術(shù)，由激勵(lì)源附近的傳感器測(cè)試傳遞函數(shù)，以及工況數(shù)據(jù)，計(jì)算得到工況力。為區(qū)別車內(nèi)響應(yīng)傳感器，此類激勵(lì)源附近的傳感器，被稱為指示點(diǎn)傳感器，其作用是計(jì)算激勵(lì)源的工況激勵(lì)能量。

由于阻抗矩陣法不需要懸置動(dòng)剛度參數(shù)，而且不受懸置橡膠元件非線性因素的影響，故本文中采用阻抗矩陣求解工況載荷。以激勵(lì)聲源到車內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)噪聲為例，如圖5所示，具體說(shuō)明如何獲得工況下的激勵(lì)聲源能量，圖中，pa／q為空氣聲傳遞函數(shù)，q為體積速度，m3／s。

圖5 聲激勵(lì)到聲響應(yīng)示意圖

在激勵(lì)源附近布置若干傳感器，即指示點(diǎn)傳感器。測(cè)試激勵(lì)源至指示點(diǎn)傳感器的傳遞函數(shù)，組成傳遞函數(shù)矩陣：

利用傳遞函數(shù)矩陣的逆矩陣和指示點(diǎn)傳感器的工況數(shù)據(jù)，即可得到該工況下激勵(lì)源的激勵(lì)能量為

矩陣求逆后為頻域結(jié)果，為進(jìn)行時(shí)域計(jì)算，采用FIR濾波器模擬求逆結(jié)果中的各元素。按照式（3），結(jié)合指示點(diǎn)傳感器的時(shí)域響應(yīng)信號(hào)，即可得到激勵(lì)源的時(shí)域激勵(lì)信號(hào)。

車內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量可由激勵(lì)源工況下的激勵(lì)能量和激勵(lì)源至車內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)計(jì)算而得。

其中傳遞函數(shù)H（ω）也可采用FIR濾波器替換，從而得到車內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)的時(shí)域響應(yīng)信號(hào)。將式（5）代入式（2），即可得到所有貢獻(xiàn)的時(shí)域總合。

綜上所述，時(shí)域傳遞路徑分析的流程見(jiàn)圖6。

3 噪聲品質(zhì)優(yōu)化應(yīng)用

3.1 建立動(dòng)力總成傳遞路徑分析模型

通常，建立傳遞路徑模型需要3個(gè)部分：激勵(lì)源、傳遞函數(shù)和響應(yīng)點(diǎn)。本文中選擇動(dòng)力總成的典型激勵(lì)源作為車身系統(tǒng)的輸入載荷，選擇車內(nèi)主要駕乘人員位置耳部噪聲作為車身系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，從激勵(lì)源至輸出響應(yīng)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)代表車身系統(tǒng)特性。另外，在激勵(lì)源附近布置多個(gè)指示點(diǎn)傳感器，用于計(jì)算各個(gè)激勵(lì)源在運(yùn)行工況下的載荷。

本文中采用Brüel＆Kj?r公司的SPC軟件進(jìn)行時(shí)域傳遞路徑分析。SPC數(shù)據(jù)模型建立與分析示意圖如圖7所示。測(cè)試數(shù)據(jù)包括：空氣聲傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)聲傳遞函數(shù)、運(yùn)行工況的指示點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)的時(shí)域數(shù)據(jù)。

圖7 模型建立與分析示意圖

為優(yōu)化提高某MPV車型的噪聲振動(dòng)品質(zhì)，以動(dòng)力總成系統(tǒng)為例，針對(duì)其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)NVH問(wèn)題，運(yùn)用傳遞路徑分析進(jìn)行噪聲振動(dòng)源識(shí)別、貢獻(xiàn)量分析和目標(biāo)分解，使其聲品質(zhì)水平達(dá)到既定目標(biāo)。圖8為動(dòng)力總成聲學(xué)測(cè)點(diǎn)示意圖，框圖為動(dòng)力總成外包絡(luò)面，簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體。6個(gè)平面的中心假設(shè)為激勵(lì)源點(diǎn)源位置（五角星），共5個(gè)激勵(lì)源。指示點(diǎn)傳感器布置在6個(gè)平面的中心和8個(gè)長(zhǎng)方體角部位置，共14個(gè)指示點(diǎn)傳感器。通常建議，指示點(diǎn)數(shù)量為激勵(lì)源數(shù)量的2～3倍，保證式（4）中的傳遞函數(shù)矩陣是可逆的。

3.2 傳遞路徑分析模型驗(yàn)證

創(chuàng)建6組模型：動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)聲、動(dòng)力總成空氣聲、排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)聲、排氣系統(tǒng)空氣聲、路面噪聲（結(jié)構(gòu)聲）和輪胎噪聲（空氣聲），分解各個(gè)貢獻(xiàn)，驗(yàn)證SPC模型。以3擋全油門(mén)加速工況副駕駛員耳部噪聲數(shù)據(jù)為例，驗(yàn)證“時(shí)頻”分析和階次切片分析對(duì)比結(jié)果，其他數(shù)據(jù)同理。

圖8 動(dòng)力總成聲學(xué)目標(biāo)測(cè)點(diǎn)示意圖

SPC模型的總貢獻(xiàn)量頻譜成分與測(cè)試數(shù)據(jù)頻譜成分比較吻合，說(shuō)明SPC模型是比較準(zhǔn)確的。數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖9和圖10。

圖9 測(cè)試數(shù)據(jù)

圖10 SPC模型數(shù)據(jù)驗(yàn)證

（2）階次切片分析

以動(dòng)力總成噪聲作為主要研究對(duì)象，根據(jù)4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，主要分析2階噪聲成分，如圖11所示。由圖可見(jiàn)：SPC模型總量（Total）與測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)一致；在1 000～2 000 r／min低速范圍內(nèi)，SPC模型的2階切片與測(cè)試結(jié)果非常吻合（均在3 dB（A）范圍之內(nèi)，且趨勢(shì)一致。結(jié)果表明此SPC模型滿足動(dòng)力總成聲品質(zhì)研究的要求。

3.3 貢獻(xiàn)量分析

圖11 測(cè)試數(shù)據(jù)與SPC模型數(shù)據(jù)的階次（2階和Total）數(shù)據(jù)驗(yàn)證

對(duì)于3擋全油門(mén)加速工況副駕駛員耳部噪聲在1 000～2 000 r／min處的峰值進(jìn)行貢獻(xiàn)量分析。由圖12可知，在各系統(tǒng)貢獻(xiàn)的2階切片中，主要貢獻(xiàn)為結(jié)構(gòu)聲，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)聲貢獻(xiàn)、排氣管的結(jié)構(gòu)聲貢獻(xiàn)和路面的結(jié)構(gòu)聲貢獻(xiàn)。

圖12 結(jié)構(gòu)聲與空氣聲2階切片對(duì)比

將各個(gè)激勵(lì)源的車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)按照不同的方式進(jìn)行組合和對(duì)比。如圖13所示，在結(jié)構(gòu)聲貢獻(xiàn)中，動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)聲和排氣管結(jié)構(gòu)聲比較大。如圖14所示，在動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)聲貢獻(xiàn)中，后懸置X向的貢獻(xiàn)最大。

所有貢獻(xiàn)量都是時(shí)域信號(hào)，對(duì)主要貢獻(xiàn)量進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波，則可評(píng)估各種優(yōu)化方案對(duì)車內(nèi)噪聲的改進(jìn)效果，從而設(shè)定各個(gè)零部件的改進(jìn)目標(biāo)。

按照上述方法，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)確定優(yōu)化方向。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，利用計(jì)算機(jī)仿真軟件，對(duì)車輛結(jié)構(gòu)和零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之滿足車身和零部件的改進(jìn)目標(biāo)，確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

3.4 實(shí)車結(jié)果驗(yàn)證

圖13 在1 000～2 000 r／min區(qū)間主要貢獻(xiàn)量曲線

圖14 在1 000～2 000 r／min區(qū)間的路徑貢獻(xiàn)量曲線

在實(shí)車中安裝優(yōu)化方案樣件，測(cè)試3擋全油門(mén)加速工況下副駕駛員耳部的聲壓級(jí)，與初始狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。如圖15中的2階噪聲成分測(cè)試結(jié)果，優(yōu)化后在1 220 r／min處的2階聲壓級(jí)從59.1下降至54.2 dB（A），下降了5 dB（A）。

圖15 優(yōu)化樣車車內(nèi)2階效果對(duì)比

對(duì)于主觀感受，以“吵鬧／安靜”的感覺(jué)為例，根據(jù)聲品質(zhì)模型，計(jì)算C計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，如圖16所示。車內(nèi)噪聲振動(dòng)品質(zhì)的主觀預(yù)測(cè)結(jié)果由初始狀態(tài)的-2分，改進(jìn)后為-0.5分，說(shuō)明此優(yōu)化方案效果非常明顯。

圖16 初始狀態(tài)與優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)2階聲壓級(jí)曲線對(duì)比

4 結(jié)論

本文中提出了基于時(shí)域傳遞路徑分析方法的車內(nèi)噪聲振動(dòng)品質(zhì)的分析方法。通過(guò)本文的研究，可得出以下結(jié)論。

（1）在進(jìn)行聲品質(zhì)研究時(shí)，需要結(jié)合主觀評(píng)價(jià)和客觀參數(shù)兩種方法，并對(duì)主、客觀結(jié)果進(jìn)行回歸分析。為保證回歸分析的準(zhǔn)確性，需要適當(dāng)增加噪聲樣本數(shù)量。利用NVH模擬器，對(duì)初始狀態(tài)車輛聲音進(jìn)行虛擬濾波，生成5個(gè)虛擬噪聲樣本，進(jìn)行主觀評(píng)審和客觀參數(shù)分析，并利用回歸分析建立了聲品質(zhì)評(píng)審模型。

（2）根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)車型性能和開(kāi)發(fā)車型的市場(chǎng)定位設(shè)定整車聲品質(zhì)目標(biāo)，利用聲品質(zhì)模型，可確定整車聲品質(zhì)目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的聲品質(zhì)模型變量參數(shù)的目標(biāo)數(shù)值。

（3）對(duì)該車型進(jìn)行時(shí)域傳遞路徑分析，得到各個(gè)貢獻(xiàn)的時(shí)域信號(hào)，對(duì)主要貢獻(xiàn)的工況載荷或傳遞函數(shù)進(jìn)行數(shù)字濾波和聲品質(zhì)模型變量參數(shù)計(jì)算，可確定滿足目標(biāo)的頻譜修改方案。

（4）利用仿真技術(shù)，提出車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。制造樣件后，對(duì)實(shí)車改進(jìn)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)和驗(yàn)證，并根據(jù)聲品質(zhì)模型預(yù)測(cè)主觀結(jié)果。本文以某型MPV為例，2階聲壓級(jí)下降了5 dB（A），取得了良好的效果，驗(yàn)證了此方法的可行性和有效性。