金巖

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶，401122）

（2.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶，400039）

引言

車內(nèi)噪聲水平是表征汽車性能品質(zhì)的重要指標(biāo)。隨著消費(fèi)者對汽車產(chǎn)品品質(zhì)要求的不斷提高，汽車聲音品質(zhì)問題受到越來越多消費(fèi)者和學(xué)者的關(guān)注。以往的學(xué)者對汽車聲音品質(zhì)的研究主要關(guān)注于怠速、急加速和勻速等工況［1-3］。對高速超車工況下聲音品質(zhì)的研究少有報(bào)道。該工況是車輛在高速上行駛時最常用的工況之一，如果車內(nèi)噪聲的聲品質(zhì)不佳將很容易被消費(fèi)者所感知，從而引起抱怨甚至投訴。

以往研究成果中主要用語言清晰度指數(shù)（articulation index，簡稱AI）和聲壓級兩個指標(biāo)對車輛高速行駛時的噪聲水平進(jìn)行描述，其中聲壓級代表了車內(nèi)噪聲的大小，而語音清晰度指數(shù)則反映了車內(nèi)語音交流的效果。語音清晰度的高低主要與車內(nèi)的高頻噪聲相關(guān)，大量實(shí)踐表明，高速行駛時風(fēng)噪對車內(nèi)高頻噪聲貢獻(xiàn)量最大。

對于車輛的聲音品質(zhì)而言，動力總成和驅(qū)動系統(tǒng)有著不可忽視的影響［4-6］。隨著車速的增加，動力總成和驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速同步提高，相應(yīng)的激勵也逐漸增加，高速行駛時動力總成和驅(qū)動系統(tǒng)仍然是影響車內(nèi)聲音品質(zhì)的重要因素。

筆者對某車型在高速超車工況下車內(nèi)噪聲的抖動感現(xiàn)象開展了研究。結(jié)果表明：動力總成激勵產(chǎn)生的噪聲與輪胎激勵產(chǎn)生的噪聲之間的調(diào)制作用是產(chǎn)生抖動感的主要原因。采用了均勻性更好的輪胎后，車內(nèi)噪聲的抖動感消失，車內(nèi)的聲音品質(zhì)得到了很大改善。

1 車內(nèi)噪聲的抖動感測試分析

1.1 現(xiàn)象描述與測試

某轎車高速行駛超車工況下（手動5檔，90～120 km/h加速）車內(nèi)噪聲存在明顯不穩(wěn)定感和起伏感。主觀駕評人員的描述為不穩(wěn)定“嗡～嗡～”聲。為分析車內(nèi)噪聲的信號特征，對車內(nèi)噪聲進(jìn)行了測試。測試是在專業(yè)的汽車試驗(yàn)場內(nèi)進(jìn)行。測試路面為標(biāo)準(zhǔn)的瀝青路面，路面干燥、平直，測試跑道20 m范圍內(nèi)無建筑物。測試時風(fēng)速小于1 m/s，測試環(huán)境的背景噪聲小于50 dB（A）。將自由聲場麥克風(fēng)固定在駕駛員右耳旁，其位置如圖1所示。測試系統(tǒng)為LMS公司Test.lab測試分析軟件和數(shù)據(jù)采集前端。

圖1 車內(nèi)噪聲測點(diǎn)的位置Fig.1 Test point of interior noise

為了便于分析車內(nèi)噪聲的信號特征，對加速過程車內(nèi)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了階次分析。圖2為90～120 km/h采用5檔加速，模擬高速超車工況下加速車內(nèi)噪聲的譜陣圖。

圖2 原狀態(tài)車內(nèi)噪聲的譜陣圖Fig.2 The colormap of original interior noise

由圖2可見，這個過程中車內(nèi)噪聲的主要能量集中在100～120 Hz左右頻帶范圍內(nèi)。這個頻帶內(nèi)噪聲的最主要成分為發(fā)動機(jī)的2.00階，同時車內(nèi)噪聲還存在一個2.24階的成分。

圖3為3 275 r/min左右時車內(nèi)噪聲頻譜圖。由圖可見，在109 Hz和123 Hz存在兩個噪聲的峰值，幅值分別為64.5 dB（A）和63.7 dB（A），是車內(nèi)噪聲聲壓級最高的兩個頻率成分。這兩個噪聲成分在頻率的間隔上約為14 Hz，且幅值接近，因此易于產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象，從而導(dǎo)致主觀感受的惡化。

圖3 3 275 r/min車內(nèi)噪聲的頻譜Fig.3 The spectrum of interior noise at 3 275 r/min

1.2 噪聲的調(diào)制與抖動感

心理聲學(xué)研究成果表明，當(dāng)純音受到調(diào)制時會讓人感覺到聲音的不穩(wěn)定感。調(diào)制的頻率較高時，聲音給人的主觀感覺為粗糙感，心理聲學(xué)中用粗糙度R描述。當(dāng)調(diào)制的頻率低于20 Hz時，人主觀上能夠感覺到聲音的起伏變化。聲音的這種波動感在心理聲學(xué)領(lǐng)域用抖動度F描述，抖動度［7］定義為

其中：fmod為調(diào)制頻率，單位為kHz；z為臨界頻帶，單位為Bark；ΔL為掩蔽深度，單位為dB，是臨界頻帶z的函數(shù)；抖動度F的單位為Vacil。

抖動度是反映聲音起伏變化強(qiáng)度的參數(shù)，因此這里對車內(nèi)噪聲的抖動度進(jìn)行了分析。圖4為初始狀態(tài)下車內(nèi)噪聲的抖動度隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線。由圖可見，3 000～3 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)車內(nèi)噪聲的抖動度超過1.05 Vacil，抖動度的最大值發(fā)生在3 275 r/min左右，約為1.16 Vacil。

圖4 噪聲的抖動度隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系Fig.4 The fluctuation strength of noise and rotational speed

為了確認(rèn)2.00階和2.24階噪聲的調(diào)制造成了車內(nèi)噪聲波動感，這里采用了高保真的聲音回放設(shè)備對車內(nèi)噪聲進(jìn)行了回放并同時進(jìn)行主觀評價(jià)，如圖5所示。該設(shè)備具有濾波功能，可以濾除指定頻帶或者指定階次的聲音。主觀評價(jià)的打分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 主觀評價(jià)的打分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Criterion of subjective evaluation

圖5 高保真的聲音回放系統(tǒng)Fig.5 High fidelity sound playback system

由汽車振動噪聲開發(fā)工程師和用戶在內(nèi)的5名主觀評價(jià)人員對原狀車內(nèi)噪聲進(jìn)行主觀評價(jià)，其評價(jià)結(jié)果均低于5分。在濾除2.24階段的噪聲后，車內(nèi)噪聲的波動感明顯降低，聲品質(zhì)得到很大的改善，主觀評價(jià)的結(jié)果均在7分以上，為基本滿意或非常滿意。此結(jié)果證明了2.00階與2.24階噪聲的調(diào)制是引起車內(nèi)噪聲抖動感的根本原因。

2 噪聲源分析

為了研究車內(nèi)100～120 Hz頻率范圍內(nèi)車內(nèi)噪聲的來源，這里從激勵源頭和響應(yīng)特性兩個方面開展了研究工作。

2.1 車身響應(yīng)特性測試

首先對車身的噪聲傳遞函數(shù)（noise transfer function，簡稱NTF）進(jìn)行了測試。NTF是單位激勵力作用下車內(nèi)的噪聲響應(yīng)，單位為dB/N，其大小表征了車身在外界激勵作用下對噪聲響應(yīng)的敏感程度。

試驗(yàn)是在墻面經(jīng)過吸聲處理的房間內(nèi)進(jìn)行的，拆除汽車底盤和動力系統(tǒng)，用彈性裝置將車身支撐起來。用力錘激勵車身的主要載荷輸入點(diǎn)（動力總成懸置以及懸架系統(tǒng)的接附安裝點(diǎn)），在駕駛員耳旁采集車內(nèi)的噪聲響應(yīng)。車身NTF測試現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 車身NTF的測試現(xiàn)場Fig.6 The test of car body NTF

圖7為發(fā)動機(jī)懸置位置z向（垂直方向）到駕駛員耳旁的NTF測試結(jié)果。由圖可見，NTF曲線上65～70 Hz以及100～120 Hz范圍內(nèi)存在峰值，其中后者的頻率范圍與主觀評價(jià)抱怨的頻率段相吻合（圖2），幅值約為58 dB/N。此結(jié)果說明車身在該頻率范圍內(nèi)對激勵力較為敏感，在動力總成或其他外界激勵下容易產(chǎn)生車內(nèi)的噪聲響應(yīng)。

圖7 發(fā)動機(jī)懸置到車內(nèi)NTF測試結(jié)果Fig.7 The test result of NTF from engine mount to interior

2.2 激勵源的分析

該車型搭載的發(fā)動機(jī)為四缸四沖程汽油機(jī)。其主要激勵力為往復(fù)慣性力和扭矩波動，均為2.00階。因此，車內(nèi)噪聲的2.00階噪聲成分是來自于發(fā)動機(jī)的激勵。

2.24階的噪聲也存在隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化而成比例變化的特征，因此認(rèn)為該階次的噪聲主要來自于車輛的驅(qū)動系統(tǒng)。

驅(qū)動系統(tǒng)在某一檔位下的旋轉(zhuǎn)階次n為

其中：zi為變速器第i檔的速比；zm為變速器主減速器的速比。

這里：z5=0.763；zm=4.657。因此，在車輛5檔行駛時驅(qū)動系統(tǒng)（車輪/輪胎）激勵的基礎(chǔ)階次為0.28階。

圖8為車身靠近前減震器安裝點(diǎn)位置的振動加速度測試結(jié)果。由圖8可見：該測點(diǎn)位置振動加速度的主要成分為發(fā)動機(jī)的2.00振動，但也同時存在著0.28階及其高階諧波，其中0.28階與車輪的轉(zhuǎn)頻高度吻合，為驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)階次；而2.24階的振動成分為其8次諧波。由此可以判斷車內(nèi)噪聲的2.24階成分來自于車輪旋轉(zhuǎn)的高階振動。

圖8 車身振動加速測試結(jié)果Fig.8 The test result of car body vibration acceleration

3 改進(jìn)和驗(yàn)證

3.1 輪胎的不均勻性與車內(nèi)噪聲

研究結(jié)果表明，輪胎的不均勻性與車內(nèi)噪聲和振動現(xiàn)象密切相關(guān)［8］。通常評價(jià)輪胎均勻性的指標(biāo)包括：輪胎的徑向尺寸偏差、輪胎的不平衡量、輪胎的錐度效應(yīng)、輪胎的側(cè)向力波動（lateral force variation，簡稱LFV）及輪胎的徑向力波動（radial force variation，簡稱RFV）。輪胎的徑向力波動是指輪胎在一定負(fù)荷下以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，輪胎與接觸面之間的徑向力的變化。

圖9為輪胎的徑向彈簧模型。如果輪胎周向剛度不均勻，當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)時，輪輞將受到輪胎的激勵而產(chǎn)生周期性的振動，振動通過懸架系統(tǒng)傳遞到車內(nèi)產(chǎn)生噪聲［9］。同時，輪胎的不均性產(chǎn)生的激勵通常具有隨著轉(zhuǎn)速增加而增大的特點(diǎn)。

圖9 輪胎徑向彈簧模型Fig.9 The tire model of radial springs

輪胎徑向剛度不均勻通常與輪胎的制造工藝有關(guān)。由于輪胎橡膠硫化過程通常采用多塊拼裝的模具，因此模具的尺寸差異、硫化過程的壓力、輪胎胚胎的尺寸差異及合模行程不到位等因素都會導(dǎo)致輪胎徑向剛度的不均勻，從而導(dǎo)致高階輪胎徑向力波動。文獻(xiàn)［10］報(bào)道了8階輪胎徑向力波動（RFVH8）過大導(dǎo)致的車內(nèi)噪聲問題。

本研究中輪胎的硫化過程也采用了8塊拼裝模具，因此輪胎8階次徑向波動是重要的激勵力來源。由此推斷2.24階的振動噪聲是由于輪胎徑向剛度均勻性差導(dǎo)致的。

3.2 效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上的結(jié)論，這里對問題樣車的輪胎和無問題的競品車輪胎進(jìn)行了均勻性的對比測試。測試參照《GB/T18506—2013汽車輪胎均勻性試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

測試結(jié)果表明：無問題的競品車4個輪胎RFVH8最大值為2.5 N；存在問題的車輛輪胎徑向力均勻性較差，其中左前輪的RFVH8達(dá)到16.2 N，超過競品車的5倍。

為此，通過測試選擇了均勻性更好的輪胎（RFVH8＜2.5 N）進(jìn)行了裝車驗(yàn)證。圖10為更換性能更好的輪胎后5檔加速車內(nèi)噪聲的譜陣圖。

圖10 改進(jìn)后車內(nèi)噪聲的譜陣圖Fig.10 The colormap of improved interior noise

顯然，更換新的輪胎后，加速車內(nèi)噪聲中2.24階的噪聲成分消失，主觀評價(jià)車內(nèi)噪聲的起伏感消失，聲品質(zhì)改善明顯。

圖11為更換輪胎后車內(nèi)噪聲的抖動度隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線。

圖11 改進(jìn)后車內(nèi)噪聲的抖動度Fig.11 The fluctuation strength of improved noise and rotational speed

更換輪胎后車內(nèi)噪聲的主觀評分為7分以上，達(dá)到用戶基本滿意的水平。同時噪聲的抖動度明顯降低，3 000～3 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)車內(nèi)噪聲抖動度的最大值約為1.05 Vacil，與原狀態(tài)相比（圖4）整體下降了0.05～0.20 Vacil左右。車內(nèi)噪聲抖動度的下降與主觀評價(jià)結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

1）驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速成嚴(yán)格的比例關(guān)系，輪胎的高階徑向力波動和發(fā)動機(jī)2階激勵往往在頻率上較為接近，從而導(dǎo)致車內(nèi)噪聲出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，因此輪胎均勻性對高速車內(nèi)聲品質(zhì)的影響不容忽視。

2）調(diào)制現(xiàn)象將影響到車內(nèi)聲音品質(zhì)從而導(dǎo)致乘員抱怨。抖動度這一心理聲學(xué)參數(shù)能夠從客觀數(shù)據(jù)上反映噪聲調(diào)制現(xiàn)象的主觀感受及其改善。