李 皓，陳長(zhǎng)征，王 潔

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

汽車對(duì)于人們來(lái)說(shuō)不僅是一種交通工具，也可以是花費(fèi)大量時(shí)間的辦公室或休閑場(chǎng)所，因此汽車研發(fā)的種類也越來(lái)越多，以適應(yīng)于不同的需求，例如近幾年興起的房車，可以滿足人們外出旅游日常生活的需求；又如貨車可以滿足人們實(shí)現(xiàn)運(yùn)送貨物的需求。隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)乘坐汽車時(shí)舒適程

度的要求不斷增高，車輛內(nèi)部噪聲過(guò)大會(huì)影響駕乘人員的使用體驗(yàn)，過(guò)高的車輛噪聲使駕駛員容易疲勞，也會(huì)對(duì)乘坐者的身心健康產(chǎn)生不良影響。因此，降低車內(nèi)噪聲一直是車企在制造汽車時(shí)關(guān)注的焦點(diǎn)。不斷提升汽車的NVH(Noise，Vibration and Harshness)性能已經(jīng)成為汽車廠商一種獨(dú)特的營(yíng)銷手段，更是一個(gè)汽車品牌核心競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車故障投訴中約有一半是由于車輛振動(dòng)噪聲引起的。因此，更準(zhǔn)確、快速地識(shí)別并控制噪聲是勢(shì)在必行的。

噪聲源識(shí)別技術(shù)是車內(nèi)噪聲控制的基礎(chǔ)。目前對(duì)車輛噪聲源識(shí)別方法可分為三大類：傳統(tǒng)噪聲源識(shí)別方法、基于信號(hào)處理技術(shù)的噪聲源識(shí)別方法和基于可視化技術(shù)的噪聲源識(shí)別方法[1]。每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的工況進(jìn)行選擇。陳書明等[2]使用小波分解的方法對(duì)車輛在勻速水平路面上的噪聲源進(jìn)行了識(shí)別，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行6 級(jí)小波分解并進(jìn)行相關(guān)分析，分析出發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)度最大，此方法對(duì)各個(gè)噪聲源相互獨(dú)立識(shí)別時(shí)效果較好。但由于汽車噪聲聲場(chǎng)比較復(fù)雜，各個(gè)輸入信號(hào)并不相互獨(dú)立所以很難準(zhǔn)確識(shí)別并得出正確結(jié)論。杜亮等[3]使用波束形成方法和聲全息方法對(duì)靜止聲源進(jìn)行識(shí)別，此方法通過(guò)取長(zhǎng)補(bǔ)短，將聲全息方法在識(shí)別低頻噪聲方面的優(yōu)點(diǎn)與波束形成方法在識(shí)別高頻噪聲方面的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。但汽車噪聲在行駛過(guò)程中才會(huì)產(chǎn)生且屬于運(yùn)動(dòng)噪聲源，因此，使用這種方法很難達(dá)到預(yù)期。熊建強(qiáng)等[4]使用偏相干分析方法對(duì)怠速工況下的車內(nèi)噪聲源進(jìn)行了識(shí)別，效果比單純使用相干分析更佳，但該方法只計(jì)算了幅值信息，并沒(méi)有進(jìn)行相位分析，其中建立的6 輸入單輸出模型并沒(méi)有考慮到一些隱藏的聲源，同時(shí)也不能消除這方面噪聲對(duì)其影響。因此，研發(fā)一種完善的噪聲源識(shí)別方法是很有必要的，而且對(duì)汽車廠商提升車內(nèi)品質(zhì)，和對(duì)故障車輛快速準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)都有著重要意義。

本文針對(duì)車內(nèi)異響問(wèn)題提出一套噪聲源識(shí)別方案。首先進(jìn)行初步噪聲評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果確定噪聲源測(cè)點(diǎn)的布置方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其次對(duì)采集的信號(hào)先進(jìn)行高通濾波處理，再對(duì)其進(jìn)行小波偏相干分析，從而得到噪聲源測(cè)點(diǎn)和駕駛室右耳處的小波時(shí)頻偏相干函數(shù)譜和相位譜。最后，根據(jù)分析圖譜確定異響位置，對(duì)其提出整改措施并進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明該方案可在多相關(guān)復(fù)雜聲場(chǎng)下對(duì)汽車噪聲源進(jìn)行快速準(zhǔn)確的識(shí)別，且識(shí)別效果較好。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 小波變換

小波變換是以傅里葉變換和短時(shí)傅里葉變換為基礎(chǔ)引進(jìn)的，能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)不同頻率的信號(hào)采用不同分辨率。小波變換可以分為連續(xù)小波變換(Continuous Wavelet Transform，CWT)與離散小波變換(Discrete Wavelet Transform，DWT)[5]。假設(shè)待分析信號(hào)為x(t)，則x(t)基于連續(xù)小波變換定義為：

式中：τ為尺度參數(shù)；a為平移參數(shù)；C為小波系數(shù)；ψa,τ(t)為小波母函數(shù)ψ(t)經(jīng)縮放平移得到。

對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行小波變換時(shí)，通常為了獲得平滑連續(xù)的小波振幅而采用非正交小波函數(shù)。此外，采用復(fù)小波能夠提取信號(hào)的幅值和相位兩方面信息，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行更全面的表達(dá)，本文應(yīng)用具有非正交性的Morlet小波進(jìn)行CWT，其表達(dá)式如下：

式中：ω0為小波帶通濾波器中心頻率；當(dāng)ω0=6時(shí)，小波尺度s與傅里葉周期基本相等，所以尺度項(xiàng)與周期項(xiàng)可以相互替代。由此可知，Morlet 小波在時(shí)間與頻率局部化之間保持著很好的平衡[6–7]。

1.2 尺度參數(shù)自適應(yīng)模型

在CWT算法中，尺度參數(shù)的選擇至關(guān)重要。前人選擇尺度參數(shù)方法都是針對(duì)不同信號(hào)靠人工方式設(shè)定。但信號(hào)的種類一旦改變，尺度參數(shù)的設(shè)置就特別困難。因此，本文針對(duì)此問(wèn)題采用尺度參數(shù)自適應(yīng)模型，使用多尺度微分算子自動(dòng)調(diào)整尺度范圍。

式(1)能被重寫為多尺度微分算子（MDO）形式：

式中：θ(t)是高斯函數(shù)。

首先，根據(jù)式(3)，取θ(t)=π14exp(-t2/2)，于是有：

令K=2，式（3）變形為：

通過(guò)Nguyen[8]等提出的方法構(gòu)造過(guò)零線求得峰位ui和標(biāo)準(zhǔn)差σi，由τi=2.237×σi計(jì)算得到每個(gè)波峰處的最佳尺度。然后，繪制關(guān)于尺度的概率分布圖，取5 %和95 %分位數(shù)時(shí)的尺度分別作為τmin、τmax。

最后，在最值范圍內(nèi)等差取20個(gè)值組成新的尺度參數(shù)向量，表示為：

1.3 小波偏相干分析

偏相干分析理論是在常相干分析的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的。常相干分析并未考慮輸入信號(hào)之間的影響，若輸入信號(hào)之間的常相干系數(shù)接近0時(shí)，輸入信號(hào)之間不存在必然的因果關(guān)系，則通過(guò)常相干分析方法識(shí)別噪聲源就能得到比較準(zhǔn)確的結(jié)論。但若輸入信號(hào)之間的常相干系數(shù)偏高，使用常相干分析方法識(shí)別噪聲源就會(huì)存在較大的誤差[9]。而通過(guò)偏相干分析噪聲源識(shí)別方法就考慮到了這個(gè)問(wèn)題，即在消除各輸入信號(hào)之間的影響后再做相干分析，這樣在噪聲源識(shí)別中，輸入信號(hào)之間影響較大的時(shí)候，偏相干函數(shù)識(shí)別噪聲源的方法就能得到更為精確的結(jié)果[10]。

對(duì)于任意的輸入信號(hào)i,j，在去除條件信號(hào)k(i,j≠k)情況下的條件自譜與條件互譜可分別由下式表達(dá)：

式中：Sii與Sij分別為信號(hào)i,j的自功率譜函數(shù)與互功率譜函數(shù)，把經(jīng)過(guò)連續(xù)小波變換的時(shí)頻小波系數(shù)Wn(s)進(jìn)行功率譜計(jì)算即可求得自譜與互譜，其它項(xiàng)同理。基于此可定義輸入信號(hào)i與輸出信號(hào)y在條件信號(hào)k下的偏相干函數(shù)γik.k2，如式(9)所示：

其時(shí)頻相位信息可由式(10)進(jìn)行計(jì)算：

式中：Phasem為平均相位；arg 為復(fù)數(shù)的幅角；n為進(jìn)行平均的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)[11]。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 車內(nèi)噪聲初步評(píng)估

本文以華晨寶馬3 系車輛為研究對(duì)象，在進(jìn)行噪聲源識(shí)別實(shí)驗(yàn)之前先由經(jīng)驗(yàn)豐富的汽車工程師進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)主觀評(píng)估。根據(jù)初步主觀評(píng)估得知：當(dāng)汽車以80 km/h的速度在瀝青路面上勻速行駛時(shí)，車輛底盤方向存在連續(xù)吱嘎吱嘎的異響和間斷金屬撞擊聲音，但在車輛熄火滑行時(shí)連續(xù)異響聲音消失。因此判斷車內(nèi)工程師聽到的連續(xù)異響不是由于胎噪引起的。當(dāng)車輛在水平筆直的瀝青路上從0 加速到80 km/h 時(shí)，汽車底部的噪聲有所增大，且車輛在通過(guò)砂石路時(shí)底盤噪聲明顯加?。坏?dāng)汽車在轉(zhuǎn)彎和剎車時(shí)車內(nèi)噪聲并無(wú)明顯增大，因此判斷工程師聽到的異常噪聲可能來(lái)源于動(dòng)力總成部位、前后輪部位、變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)。為了準(zhǔn)確判斷異常噪聲的來(lái)源需做進(jìn)一步分析，據(jù)此建立車輛異響層級(jí)分解體系，如圖1所示。

圖1 車輛異響層級(jí)分解體系

汽車的動(dòng)力總成通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的作用連接架和支撐架固定在車架上。其中，車架上安裝的減振膠塊會(huì)隨著使用時(shí)間的增加不斷老化直至失去減震的作用；隨著汽車使用里程數(shù)增加，發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶表面摩擦系數(shù)將隨之不斷減小。而且，若動(dòng)力總成產(chǎn)生異響，車輛將伴隨著明顯的抖動(dòng)，但本試驗(yàn)用車并無(wú)明顯抖動(dòng)，因此排除車輛的異響噪聲來(lái)源由動(dòng)力總成。由于剎車和轉(zhuǎn)彎時(shí)車內(nèi)異響噪聲無(wú)明顯增大，所以排除剎車系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。因此初步判斷車內(nèi)異響可能來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和懸架系統(tǒng)。

2.2 詳細(xì)測(cè)量

為了進(jìn)一步確定車輛噪聲來(lái)源，對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和懸架系統(tǒng)再一次進(jìn)行道路試驗(yàn)。本試驗(yàn)在水平筆直的瀝青路面上且周圍背景噪聲較低情況下進(jìn)行，試驗(yàn)工況分為勻速行駛和勻加速行駛。由于該異常噪聲可能為結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲或?yàn)榭諝鈧鞑ピ肼?，因此具體的試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置情況如表1所示。

表1 整車道路實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)均采用東華測(cè)試DH5902，加速度傳感器采用東昊測(cè)試DH186，傳聲器均為東昊測(cè)試麥克風(fēng)。為考慮駕駛員的安全性，選擇駕駛員右耳處聲壓作為車內(nèi)噪聲的參考點(diǎn)，麥克風(fēng)的位置根據(jù)GB/T18697 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布置，在座椅表面與靠背表面交線（0.7±0.05）m 處，且保持水平。本次試驗(yàn)的車內(nèi)噪聲參考點(diǎn)聲壓傳感器具體布置如圖2所示。

圖2 車內(nèi)噪聲聲壓測(cè)點(diǎn)布

為了記錄來(lái)自空氣噪聲源的噪聲，將其中一個(gè)麥克風(fēng)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)中心后側(cè)，另一個(gè)麥克風(fēng)安裝在變速器中心后側(cè)。為測(cè)量輪胎/道路噪聲，將麥克風(fēng)安裝在距離輪胎0.1 m且距離地面0.1 m處。由于面板輻射的噪聲與其振動(dòng)幅值相關(guān)，因此，用面板振動(dòng)幅值間接近似近場(chǎng)結(jié)構(gòu)噪聲。將加速度傳感器分別安裝在擺臂和副車架的連接處（靠近橡膠襯套連接處）、前副車架與車身連接處（靠近螺栓連接處）和駕駛員地板與儀表板中心處。加速度傳感器放置在連接位置的主受力方向和面板振動(dòng)的法向位置上。由于面板副車架和面板懸架是對(duì)稱的，因此只測(cè)量了車輛左側(cè)的振動(dòng)面板副車架的振動(dòng)。此外，為了測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)支架的隔振特性，在發(fā)動(dòng)機(jī)頂部和每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)支架的兩側(cè)安裝了加速度傳感器（其中三個(gè)支架連接到車身，一個(gè)后支架連接到前副車架）[12]。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)測(cè)量的噪聲與振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行信噪比檢測(cè)，檢測(cè)得出采集信號(hào)的信噪比均大于20 dB，說(shuō)明對(duì)整車道路試驗(yàn)的測(cè)試條件控制較好。然后對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行20 Hz 高通濾波，再通過(guò)小波偏相干分析對(duì)車內(nèi)異常噪聲源進(jìn)行識(shí)別。

圖3所示為80 km/h 加速工況下駕駛員右耳噪聲時(shí)域信號(hào)和經(jīng)過(guò)20 Hz 高通濾波后的時(shí)域信號(hào)。由于測(cè)點(diǎn)較多本文只圖示了部分典型測(cè)點(diǎn)，如圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)支架上振動(dòng)（#11）、圖5為變速器上噪聲（#8）、圖6為擺臂和副車架的連接處振動(dòng)（#9）、圖7為副車架和車身的連接處振動(dòng)（#10）。圖5所示為小波偏相干分析后的偏向干系數(shù)，由圖可得出，在消除其它噪聲振動(dòng)的影響后，變速器上側(cè)噪聲與車內(nèi)噪聲沒(méi)有明顯的偏向干關(guān)系。由圖4可發(fā)現(xiàn)車內(nèi)噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)在頻率1 000 Hz～2 000 Hz 處有明顯的偏向干關(guān)系，同時(shí)相位延遲了45°，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速信號(hào)得知，該車輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。因此，判斷車內(nèi)噪聲是由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)帶動(dòng)其他子系統(tǒng)引起的。由圖6可知，車內(nèi)噪聲與擺臂和副車架的連接處在中心頻率為1 500 Hz～2 000 Hz 處有明顯的偏向干關(guān)系，同時(shí)相位延遲了135°。

圖3 勻速工況下80 km/h車內(nèi)駕駛員右耳噪聲信號(hào)

圖4 車內(nèi)噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)小波時(shí)頻偏相干系數(shù)

圖5 車內(nèi)噪聲與變速器噪聲小波時(shí)頻偏相干系數(shù)

如圖7所示，車內(nèi)噪聲與副車架和車身的連接處在1 000 Hz 處有明顯的偏向干關(guān)系，因此車輛的連續(xù)異響是由于發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)帶動(dòng)搖臂和副車架晃動(dòng)、副車架和車身撞擊產(chǎn)生車身振動(dòng)傳遞到車廂內(nèi)形成的共振噪聲。

圖7 車內(nèi)噪聲與副車架和車身的連接處振動(dòng)小波時(shí)頻偏相干系數(shù)

3 車內(nèi)異響原因及改進(jìn)方案

3.1 車內(nèi)異響原因

由上述分析可知車內(nèi)異常噪聲來(lái)源于三個(gè)方面：一是由于擺臂和副車架是用襯套套管加螺栓連接，當(dāng)汽車行駛里程過(guò)長(zhǎng)或駛過(guò)減速帶和顛簸路面時(shí)，其連接處因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)導(dǎo)致的擺臂襯套和副車架錯(cuò)位振動(dòng)從而產(chǎn)生異響。二是由于副車架和車身使用長(zhǎng)螺栓連接，且兩者之間的接觸面都為金屬，在行使過(guò)程中一旦發(fā)生螺栓松動(dòng)或螺紋摩擦系數(shù)降低就會(huì)導(dǎo)致副車架和車身之間發(fā)生滑移而產(chǎn)生異響，特別在顛簸路面行駛時(shí)異響會(huì)加劇。三是來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)支架，支架是用來(lái)連接發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身以及減弱發(fā)動(dòng)機(jī)自身的振動(dòng)，該車輛發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)支架橡膠的破損導(dǎo)致內(nèi)部的液壓油泄露，使其喪失了減弱發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的功能，同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)使上下兩個(gè)支架之間的距離縮短導(dǎo)致異響，異響通過(guò)車身傳遞到車內(nèi)形成共振噪聲。

3.2 車內(nèi)異響改進(jìn)方案

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)導(dǎo)致的擺臂襯套和副車架錯(cuò)位振動(dòng)問(wèn)題，可以對(duì)此處螺栓和襯套進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)提升擺臂和副車架之間夾持力。針對(duì)副車架和車身發(fā)生滑移產(chǎn)生異響問(wèn)題，可以通過(guò)在副車架和車身的安裝點(diǎn)處增加防滑墊片的方式來(lái)增加接觸面的摩擦系數(shù)，在相同的預(yù)緊力作用下可以提供更大的剪切力，使連接更穩(wěn)固。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)處產(chǎn)生的共振噪聲，在拆下支架后發(fā)現(xiàn)上下支架之間有明顯的碰撞痕跡，因此，可以通過(guò)更換左側(cè)漏油支架，并在碰撞點(diǎn)處增加橡膠墊片的方式進(jìn)行改進(jìn)。

對(duì)改進(jìn)后的車輛再次進(jìn)行相同工況下的路面測(cè)試。測(cè)試時(shí)車內(nèi)并無(wú)異常噪聲。圖8所示為80 km/h勻速工況下，車輛改進(jìn)前后駕駛員右耳處的時(shí)域信號(hào)對(duì)比圖，改進(jìn)后車內(nèi)噪聲相比改進(jìn)前車內(nèi)噪聲有所降低，特別是在出現(xiàn)異常噪聲時(shí)，相比改進(jìn)前聲壓級(jí)降低了15 dB。

圖8 改進(jìn)前、后測(cè)點(diǎn)1的聲壓級(jí)對(duì)比

圖9為車輛改進(jìn)后車內(nèi)噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)小波時(shí)頻偏相干圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)在頻率1 000 Hz～1 500 Hz時(shí)兩者無(wú)明顯偏相干關(guān)系，在頻率1 500 Hz～2 000 Hz時(shí)偏相干關(guān)系大幅度降低。

圖9 改進(jìn)后車內(nèi)噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)小波時(shí)頻偏向干系數(shù)

圖10為改進(jìn)后該工況下，車內(nèi)噪聲與擺臂和副車架連接處的小波時(shí)頻偏相干圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者無(wú)明顯偏相干關(guān)系。

圖10 改進(jìn)后車內(nèi)噪聲與擺臂和副車架的連接處的小波時(shí)頻偏相干系數(shù)

圖11 為車內(nèi)噪聲與副車架和車身連接處的小波時(shí)頻偏相干圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者無(wú)明顯偏相干關(guān)系。

圖11 改進(jìn)后車內(nèi)噪聲與副車架和車身的連接處振動(dòng)小波時(shí)頻偏相干系數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文將小波偏相干分析引入到華晨寶馬3系汽車的異響聲源識(shí)別方法中，并采用尺度參數(shù)自適應(yīng)模型，通過(guò)多尺度微分算子自動(dòng)調(diào)整連續(xù)小波變換的尺度范圍，解決了人工設(shè)置尺度參數(shù)的困難，并提高對(duì)信號(hào)特征的識(shí)別能力。將測(cè)量到的噪聲測(cè)點(diǎn)與聲源位置進(jìn)行小波偏相干分析，同時(shí)獲取到偏相干函數(shù)和相位關(guān)系。結(jié)果表明，對(duì)車內(nèi)噪聲異響的車輛使用該方法可快速、準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)位置。而且，基于本方法識(shí)別的結(jié)果而提出的改進(jìn)方案對(duì)車內(nèi)噪聲有明顯改善，證明了該方案的可行性。