【摘要】為分析低速大扭矩電驅(qū)動(dòng)總成不同頻段噪聲對(duì)煩惱度的貢獻(xiàn)，以某低速大扭矩電驅(qū)動(dòng)總成為研究對(duì)象，結(jié)合心理聲學(xué)理論建立了電驅(qū)動(dòng)總成音調(diào)理論分析模型，考慮到不同頻率下音調(diào)對(duì)主觀煩惱度影響程度的差異性，建立修正音調(diào)（煩惱度）理論分析模型，并結(jié)合噪聲源分布特征對(duì)比分析了由電驅(qū)動(dòng)總成引起的低頻噪聲（0～400 Hz）、中頻噪聲（gt;400～2 500 Hz）和高頻噪聲（gt;2 500 Hz）的聲品質(zhì)煩惱度，結(jié)果表明，影響煩惱度的最重要因素是電磁力波和開(kāi)關(guān)頻率引起的噪聲，其次為變速器齒輪噪聲。

主題詞：電驅(qū)動(dòng)總成 心理聲學(xué) 音調(diào)度 煩惱度

中圖分類(lèi)號(hào)：TK402 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20221074

Noise Analysis of Electric Drive Assembly Based on Tonality Model

Liu Hai， Zhang Shuhan， Lao Mengze， Li Weixiao

（Tianjin Key Laboratory of Power Transmission and Safety Technology for New Energy Vehicles， Hebei University of Technology， Tianjin 300130）

【Abstract】In order to analyze the contribution of different frequency bands of noise to the annoyance degree of a low-speed and high-torque electric drive assembly， a low-speed and high-torque electric drive assembly was used as the research object， combined with psychoacoustic theory to establish a tone theory analysis model of the electric drive assembly. The difference in the degree of the influence of the tone on the subjective annoyance at different frequencies of the electric drive assembly was considered， and the theoretical analysis model of the modified tone （annoyance） was established. Combined with the noise source distribution characteristics of the electric drive assembly， the low frequency noise （0～400 Hz）， intermediate frequency noise （gt;400～2 500 Hz） and high frequency noise （gt;2 500 Hz） caused by the electric drive assembly were compared and analyzed. The results show that the most important factors affecting the annoyance level are electromagnetic force wave and switching frequency induced noise， followed by transmission gear noise.

Key words： Electric drive assembly， Psychoacoustics， Tonality， Annoyance

【引用格式】 劉海， 張書(shū)焓， 勞夢(mèng)澤， 等. 基于音調(diào)度模型的電驅(qū)動(dòng)總成噪聲分析[J]. 汽車(chē)技術(shù)， 2024（7）： 44-48.

LIU H， ZHANG S H， LAO M Z， et al. Noise Analysis of Electric Drive Assembly Based on Tonality Model[J]. Automobile Technology， 2024（7）： 44-48.

1 前言

電驅(qū)動(dòng)總成是電動(dòng)汽車(chē)的重要噪聲源，相較于傳統(tǒng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲，電驅(qū)動(dòng)總成噪聲的聲壓級(jí)更小，但成分更為復(fù)雜，含有較多的高頻成分[1]，同時(shí)，失去發(fā)動(dòng)機(jī)的掩蔽效應(yīng)后，變速器嘯叫噪聲更為突出。因此，針對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成的聲品質(zhì)研究對(duì)電動(dòng)汽車(chē)NVH性能優(yōu)化十分重要。

如僅以聲壓級(jí)作為電驅(qū)動(dòng)總成的NVH優(yōu)化目標(biāo)[2-3]，則在一定程度上忽略了人對(duì)噪聲的主觀感受，甚至?xí)瓜到y(tǒng)整體的主觀聲品質(zhì)惡化?；诼暺焚|(zhì)主客觀評(píng)價(jià)[4-5]的噪聲研究考慮了人耳聽(tīng)覺(jué)特性，以此為依據(jù)可以使電驅(qū)動(dòng)總成的優(yōu)化更有針對(duì)性。音調(diào)度是電驅(qū)動(dòng)總成噪聲信號(hào)的主要客觀特征之一[6]，對(duì)聲品質(zhì)模型的影響主要體現(xiàn)在聲信號(hào)的幅度和頻率的變化[7-8]。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行中受電機(jī)、變速器等高頻噪聲影響，其噪聲中包含相當(dāng)數(shù)量的單頻成分[9]，故對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成音調(diào)成分的量化評(píng)估十分重要。傳統(tǒng)音調(diào)度、突出率和音噪比計(jì)算以聲壓級(jí)作為輸入，由于沒(méi)有考慮人的實(shí)際聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)聲音的感受，其結(jié)果與人的實(shí)際感受存在一定差異[10]。而心理聲學(xué)音調(diào)度[11]基于心理聲學(xué)聽(tīng)覺(jué)模型，考慮了上述音調(diào)算法中未涉及的幾種心理聲學(xué)效應(yīng)，可以更好地對(duì)音調(diào)成分進(jìn)行評(píng)估。在心理聲學(xué)音調(diào)計(jì)算理論的基礎(chǔ)上，Sottek等[12]發(fā)現(xiàn)評(píng)審團(tuán)煩惱度評(píng)價(jià)結(jié)果與頻率補(bǔ)償后的音調(diào)計(jì)算結(jié)果十分契合，可以對(duì)煩惱度進(jìn)行估計(jì)。Pietila等[13]利用音調(diào)-煩惱度加權(quán)曲線對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的聲音成分進(jìn)行研究，證明了音調(diào)-煩惱度加權(quán)曲線的有效性。然而，基于心理聲學(xué)的音調(diào)理論分析模型在低速大扭矩電驅(qū)動(dòng)總成上的應(yīng)用鮮有研究。

本文基于心理聲學(xué)建立電驅(qū)動(dòng)總成音調(diào)理論分析模型，通過(guò)模擬人耳濾波，將噪聲聲壓信號(hào)處理為感知響度，進(jìn)而建立音調(diào)度模型?？紤]音調(diào)度模型與聲品質(zhì)主觀感受的差異[14]，引入加權(quán)函數(shù)獲得主觀煩惱度分析模型。以某低速大扭矩電驅(qū)動(dòng)總成噪聲測(cè)試結(jié)果為研究對(duì)象，對(duì)比不同頻率下的系統(tǒng)煩惱度變化規(guī)律，結(jié)合其噪聲源特性，為低速大扭矩電驅(qū)動(dòng)總成聲品質(zhì)優(yōu)化和改善提供參考。

2 電驅(qū)動(dòng)總成噪聲測(cè)試

本文的研究對(duì)象為某低速大扭矩電驅(qū)動(dòng)總成，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

在半消聲室內(nèi)對(duì)該電驅(qū)動(dòng)總成進(jìn)行噪聲測(cè)試，噪聲采集設(shè)備為L(zhǎng)MS.Test.Lab聲振測(cè)試與分析系統(tǒng)，選擇電機(jī)與變速器中部測(cè)試點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)垂直距離為1 m，如圖1所示。

其中噪聲信號(hào)采樣頻率為16 384 Hz，頻率分辨率為0.5 Hz。根據(jù)低速重載電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在整車(chē)上運(yùn)行的實(shí)際工況分析，電驅(qū)動(dòng)總成的工作轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行扭矩區(qū)間為500～1 000 N·m。故采集電機(jī)在2擋下轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、扭矩范圍為500～1 000 N·m（每間隔100 N·m取一個(gè)工況點(diǎn)），共6個(gè)工況點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)。依據(jù)采集數(shù)據(jù)分析電驅(qū)動(dòng)總成音調(diào)隨扭矩的變化規(guī)律，并進(jìn)行主觀煩惱度估計(jì)。

3 心理聲學(xué)音調(diào)理論模型的建立

為開(kāi)展低速大扭矩電驅(qū)動(dòng)總成心理聲學(xué)音調(diào)分析，依據(jù)歐洲計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)（European Computer Manufacturers Association，ECMA）提出的ECMA-74《信息技術(shù)設(shè)備和通信設(shè)備空氣噪聲的測(cè)量》[11]中對(duì)音調(diào)特性的描述建立心理聲學(xué)聽(tīng)覺(jué)模型與音調(diào)理論分析模型。

3.1 心理聲學(xué)聽(tīng)覺(jué)模型

聽(tīng)覺(jué)模型計(jì)算流程如圖2所示，聲壓數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)聽(tīng)覺(jué)模型處理轉(zhuǎn)換為感知響度，作為音調(diào)計(jì)算的基礎(chǔ)。

設(shè)初始聲壓數(shù)據(jù)為p（n），經(jīng)仿人耳濾波和聽(tīng)覺(jué)濾波器后劃分為53個(gè)帶通信號(hào)pom，z（n）[11]，隨后進(jìn)行半波整流得到pz（n）并對(duì)每個(gè)帶進(jìn)行塊劃分，得到第l個(gè)數(shù)據(jù)塊pl，z（n′）以計(jì)算后續(xù)音調(diào)模型中的自相關(guān)函數(shù)。pl，z（n′）的均方根值為：

[pl（z）=2sb（z）n=0sb（z）-1p2l，z（n）] " " " " " " " " " " "（1）

式中：z為臨界帶率尺度，取值范圍為[0.5，26.5]；sb（z）為不同臨界帶率尺度對(duì)應(yīng)的帶寬長(zhǎng)度，帶通頻率越大，帶寬越??；n′為時(shí)間索引，其取值范圍為[0，sb（z）-1]。

聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的壓縮非線性對(duì)響度感知非常重要，因此在聽(tīng)覺(jué)模型中考慮特定響度與聲壓之間的非線性關(guān)系，引入非線性函數(shù)：

[A（p）=CNpp0i=1M1+pptiαvi-vi-1α] " " " " " （2）

式中：[p]為聲壓的均方根；[p0]=20 μPa為聲壓基準(zhǔn)值；[pti]為第i個(gè)聲壓閾值，取值參考文獻(xiàn)[11]；α=1.5為指數(shù)系數(shù)；CN=0.021 740 6為歸一化常數(shù)，用于保證頻率為1 kHz和聲壓級(jí)為40 dB的正弦信號(hào)的總響度等于1 sone；vi為指數(shù)，取值參考文獻(xiàn)[11]；M=8為指數(shù)vi的數(shù)量。

將非線性函數(shù)用于每個(gè)頻帶，得到具體響度：

[N′l（z）=A（pl（z））] " " " " " " " " " " " " "（3）

考慮靜音閾值，對(duì)[N′l（z）]進(jìn)行進(jìn)一步處理得到閾值響度為：

[N′l（z）=N′l（z）-LTQ（z）， N′l（z）≥LTQ（z）0， N′l（z）lt;LTQ（z）] " " " " " （4）

式中：LTQ（z）為不同臨界帶率尺度對(duì)應(yīng)的響度閾值。

進(jìn)一步計(jì)算信號(hào)的總響度為：

[N=i=1CBFN′li2Δz] " " " " " " " " " " " （5）

式中：Δz=0.5為不同頻帶間隔，CBF=53為臨界頻帶濾波器數(shù)量。

當(dāng)信號(hào)的總響度超過(guò)0.01 sone時(shí)被認(rèn)為是可聽(tīng)的，總響度可用于噪聲的初步分析，同時(shí)也是音調(diào)計(jì)算的基礎(chǔ)。

3.2 音調(diào)理論分析模型

音調(diào)計(jì)算以心理聲學(xué)聽(tīng)覺(jué)模型計(jì)算的53個(gè)經(jīng)校正的帶通信號(hào)為基礎(chǔ)。使用具體的響度Nl′（z），通過(guò)帶通信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)從噪聲中分離音調(diào)內(nèi)容，基本流程如圖3所示。

對(duì)每個(gè)長(zhǎng)度為sb（z）的塊進(jìn)行自相關(guān)函數(shù)φl(shuí)，z（m）計(jì)算，之后將自相關(guān)函數(shù)歸一化并乘以信號(hào)的具體響度得到[φ′l，z（m）]用于進(jìn)一步音調(diào)分析：

[φ′l，z（m）=N′l（z）φl(shuí)，z（0）φl(shuí)，z（m）] " " " " " " " " " " （6）

為降低噪聲干擾，將相鄰邊界帶和塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得到[φ′l，z（m）]后選取自相關(guān)函數(shù)窗口，減去其平均值τ得到[φ′z，τ（m）]，進(jìn)行離散傅里葉變換，在每個(gè)頻帶中選取最大值作為該頻帶音調(diào)響度的初步估計(jì)值[N′tonal（l，z）]。

根據(jù)音調(diào)成分與信號(hào)中其他成分的比值初步估計(jì)音噪比：

[SNR（l，z）=N′ton al（l，z）φ′l，z（0）-N′ton al（l，z）] " " " " " " " " " （7）

利用濾波函數(shù)hLP（l）對(duì)[N′ton al（l，z）]、[SNR（l，z）]進(jìn)行低通濾波，以減少在窄帶中對(duì)音調(diào)過(guò)估計(jì)的問(wèn)題。

根據(jù)[SNR（l，z）]確定[N′ton al（l，z）]的加權(quán)函數(shù)：

[NR（l，z）=1-e-20SNR（l，z）g（z）-0.07， e-20SNR（l，z）g（z）-0.07lt;10， e-20SNR（l，z）g（z）-0.07≥1] " "（8）

式中：g（z）為頻率相關(guān)因子。

具體的音調(diào)響度[N′tonal（l，z）]為NR（l，z）與[N′tonal（l，z）]的乘積，為計(jì)算最終音調(diào)，對(duì)各頻帶進(jìn)行整體音噪比評(píng)估：

[SNR（l）=maxzN′tonal（l，z）zN′tonal（l，z）] " " " " " " " " " " " " "（9）

式中：[N′tonal（l，z）]為頻帶中音調(diào)之外的噪聲成分。

與時(shí)間、頻帶相關(guān)的音調(diào)T′（l，z）為：

[T（l，z）=cTq（l）N′tonal（l，z）] " " " " " " " " " " " （10）

式中：cT=2.827 144為校正因子，q（l）為T(mén)′（l，z）的加權(quán)函數(shù)。

其中，q（l）的定義為：

[q（l）=1-e-35SNR（l）-0.003， e-35SNR（l）-0.003lt;10， e-35SNR（l）-0.003≥1] " " " "（11）

通過(guò)取T′（l，z）在頻帶上的最大值得到時(shí)域上單一的T′（z），在時(shí)域上取平均得到頻帶上的T′（l），總音調(diào)T通過(guò)對(duì)T′（l）進(jìn)行時(shí)域平均得到。基于心理聲學(xué)的音調(diào)度單位定義為tuHMS[10]。

4 心理學(xué)音調(diào)特征分析

在心理聲學(xué)聽(tīng)覺(jué)模型與音調(diào)理論分析模型基礎(chǔ)上，結(jié)合電驅(qū)動(dòng)總成噪聲信號(hào)，針對(duì)低速大扭矩電驅(qū)動(dòng)總成開(kāi)展心理聲學(xué)音調(diào)隨扭矩變化特征的研究，為降低電驅(qū)動(dòng)總成煩惱度提供理論支撐。

4.1 電驅(qū)動(dòng)總成聲品質(zhì)分析

基于已建立的音調(diào)度模型，對(duì)電驅(qū)總成心理聲學(xué)響度、音調(diào)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

對(duì)比音調(diào)度與響度，在500～600 N·m扭矩范圍內(nèi)響度增加但音調(diào)下降，在800～1 000 N·m扭矩范圍內(nèi)音調(diào)度在900 N·m處存在峰值，而900 N·m為響度的谷點(diǎn)。可以看出，雖然音調(diào)以響度為依據(jù)計(jì)算，但考慮噪聲在時(shí)域、頻域的相關(guān)性后，音調(diào)和響度出現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。

4.2 心理聲學(xué)音調(diào)分析

進(jìn)一步，為確定變速器噪聲和電機(jī)噪聲與音調(diào)的關(guān)系，對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成中間測(cè)點(diǎn)噪聲信號(hào)進(jìn)行頻域音調(diào)分析，如圖5所示。

從圖5中可以看出：在1 000 r/min工況出現(xiàn)的峰值音調(diào)度頻率依次為508 Hz、704 Hz、1 016 Hz、1 408 Hz、1 524 Hz、2 112 Hz、2 620 Hz、3 351 Hz，結(jié)合對(duì)本文測(cè)試電驅(qū)動(dòng)總成的既有研究結(jié)果[14]，其中508 Hz、1 016 Hz、1 524 Hz為變速器2擋換擋齒輪嚙合頻率及其2倍頻、3倍頻，704 Hz、1 408 Hz、2 112 Hz為變速器常嚙合齒輪嚙合頻率及其2倍頻、3倍頻，2 620 Hz為電機(jī)齒槽諧波頻率，3 351 Hz為電機(jī)開(kāi)關(guān)頻率。

為直觀地研究音調(diào)度的變換規(guī)律，將超過(guò)2 500 Hz定義為高頻段，主要由電機(jī)噪聲構(gòu)成，包括電磁力波引起的噪聲和開(kāi)關(guān)頻率引起的噪聲，將gt;400～2 500 Hz定義為中頻段，主要包括變速器嚙合齒輪和換擋齒輪嚙合頻率及其倍頻，將0～400 Hz定義為低頻段，劃分結(jié)果見(jiàn)圖5。

進(jìn)一步對(duì)低、中、高頻段的音調(diào)進(jìn)行量化，確定音調(diào)在不同頻段下隨扭矩的變化規(guī)律，獲取不同噪聲源對(duì)心理聲學(xué)音調(diào)特征的貢獻(xiàn)度，分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：500～1 000 N·m扭矩范圍內(nèi)，隨扭矩升高，低頻段音調(diào)度由1.07 tuHMS下降至0.89 tuHMS，整體下降了17%；中頻音調(diào)度總體呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)，由1.89 tuHMS升高至2.26 tuHMS，整體升高了16%，中頻段最大值為2.43 tuHMS，出現(xiàn)在700 N·m扭矩工況；高頻音調(diào)度總體呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)，由1.29 tuHMS上升至1.57 tuHMS，整體上升了18%，高頻段最大值為1.97 tuHMS，出現(xiàn)在600 N·m扭矩工況。電驅(qū)動(dòng)總成低頻音調(diào)度隨扭矩增大總體呈下降趨勢(shì)，中頻音調(diào)度隨扭矩增大波動(dòng)上升，而高頻音調(diào)度隨扭矩增大波動(dòng)較大。

4.3 煩惱度分析

定義煩惱度為電驅(qū)動(dòng)總成運(yùn)行過(guò)程中輻射噪聲給人帶來(lái)的不悅程度。文獻(xiàn)表明[12]，基于心理聲學(xué)的音調(diào)模型可以反映聲音的主觀突出程度，在樣本頻率lt;1 000 Hz時(shí)，音調(diào)可以較好地反映煩惱度，但頻率≥1 000 Hz時(shí)，人耳對(duì)聲音的煩惱度與頻率存在較大關(guān)聯(lián)性，但僅使用音調(diào)度不能正確反映人對(duì)聲音的煩惱度，故引入加權(quán)函數(shù)對(duì)各頻率音調(diào)度進(jìn)行修正。具體加權(quán)函數(shù)w（f）為：

[w（f）=1， flt;1 kHz2.3log（f）-5.9， f≥1 kHz] " " " " " "（2）

式中：f為音調(diào)所對(duì)應(yīng)的頻率。

將各頻率權(quán)重與各頻率音調(diào)結(jié)果相乘，獲得修正后的音調(diào)度，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，修正后的音調(diào)度整體上在高頻段最大、中頻段次之、低頻段最小，故電驅(qū)動(dòng)總成的煩惱度高頻段最大、中頻段次之、低頻段最小。低頻煩惱度隨著扭矩的增大而降低，中頻煩惱度隨著扭矩的增大先下降再上升，高頻煩惱度隨著扭矩的增大呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，最大值為4.31 tuHMS，出現(xiàn)在扭矩600 N·m工況。

因此，由電機(jī)齒槽諧波、開(kāi)關(guān)頻率等產(chǎn)生的高頻噪聲對(duì)整體煩惱度貢獻(xiàn)較大，尤其在520～950 N·m扭矩范圍內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位；隨扭矩增大，變速器產(chǎn)生的中頻噪聲對(duì)整體煩惱度的貢獻(xiàn)先減小，至600 N·m后曲折增加。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某低速大扭矩電驅(qū)動(dòng)總成為例，建立了考慮心理聲學(xué)的音調(diào)度模型，引入加權(quán)系數(shù)建立煩惱度模型，并根據(jù)電驅(qū)動(dòng)總成噪聲源特征，將其分為低、中、高頻噪聲，對(duì)定轉(zhuǎn)速變扭矩工況下電驅(qū)動(dòng)總成的音調(diào)及煩惱度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于低速大扭矩電驅(qū)動(dòng)總成，高頻噪聲煩惱度最大，中頻噪聲煩惱度次之，低頻噪聲煩惱度最小。

低速大扭矩電驅(qū)動(dòng)總成煩惱度的最重要影響因素是電磁徑向力和開(kāi)關(guān)頻率引起的噪聲，其次為變速器2擋換擋齒輪嚙合頻率及其2倍頻、3倍頻和常嚙合齒輪嚙合頻率及其2倍頻、3倍頻噪聲。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2024年2月17日。