基于OTPA的匀速噪声分解研究

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[摘要]匀速行驶时的车内噪声作为整车NVH性能开发过程中的重要目标值之一，越来越受到所有整车厂的重视。现阶段简单的用频谱范围来划分风噪和路噪的方法已经不适应目标值设定的工作。本文介绍一种基于运行工况传递路径分析技术和串扰消除技术的匀速车内噪声分解方法，阐述其原理和在开发过程中的应用，并举例说明该方法在车内匀速噪声目标分解和噪声源初步分析上的应用,为制定合理的车内降噪方案提供重要支持。

关键词：匀速噪声；目标值设定；运行工况分析；串扰消除

1 前言

在整车开发过程中，匀速行驶工况是整车NVH性能客观测试的典型工况之一，也是客户在车辆驾驶过程中的常用工况。因此，匀速行驶时的车内噪声作为整车NVH性能开发过程中的重要目标值之一，越来越受到所有整车厂的重视。

客户感知的车内匀速噪声是作为一个整体的，并不能明确的分辨零部件的噪声，因此对于匀速行驶时车内噪声来说，重点是在发动机噪声，路噪和风噪中找到一个合适的平衡点，从而得到良好的车内噪声声品质。在现阶段的车辆开发过程中，NVH工程师们更多的是应用频率来简单的分解出匀速噪声的路噪和风噪，例如一般认为400Hz以下的频率都代表路噪，而500Hz以上的频率代表风噪。这种匀速噪声的分解方式是“粗糙”的，不利于整车的目标值设定。

本文介绍一种基于运行工况传递路径分析技术和串扰消除技术的匀速车内噪声分解方法，阐述其原理和在开发过程中的应用，并举例说明该方法在车内匀速噪声目标分解和噪声源初步分析上的应用。

2 匀速噪声分解的方法原理

2.1 运行工况传递路径分析

匀速行驶工况的车内噪声是一个复杂的噪声场，它即包含有相关性的噪声，如动力总成噪声和路噪。也包含无相关性的噪声，如风噪和异响。依据运行工况传递路径分析的相关理论，可以将匀速运行工况的车辆看做一个多输入多输出的系统，如图1所示。这样以来，传递路径分析建模需要的传递函数直接用同时测试的输入信号和输出信号的数据来获得，不需要像传统TPA一样通过更多的传递函数测试试验来获得。

从图1可知，时域信号和可以分解成有一定重叠性的数据块，经过频域的傅里叶变换后，可以将时域信号转换为和，其中是代表测试数据的频率，代表分解的数据块。这样，每个频率的输入信号可以写作包含所有输入信息和数据块的矩阵：

（1）对于接收点的每个麦克风，其测试值可以用一个行向量来表示：（2）那么从输入到输出的传递函数也可以用行向量来表示：（3）接收点的测试数据中包含两个部分：与输入信号有相关性的和没有相关性的。因此，每个接收点的函数可以表示为：（4）与输入型号相关的部分可以用滤波后的输入信号的组合来拟合。输入信号被加载的滤波器可以等同于乘以一个频域的传递函数。那么上述公式（）可以表述为：（5）但数据块的个数m大于输入信号的个数时，传递函数矩阵求解的问题就会办成一个最小二乘优化的问题。那么传递函数可以由下列公式计算出来。（6）式中，是的广义逆矩阵。由于和是不相关，因此X和N之间也没有线性关系。那么当数据块的数量足够多后，通过平均可以减小的影响，此时滤波后的输入信号的组合拟合为：（7）式中，是与相当的脉冲响应。相应的，输出信号的测试值与OTPA的拟合值之间的差值，就是与输入信号不相关的部分。（8）

2.2串扰消除原理

由上述OTPA的原理可知，要想建立出精确的模型，其输入信号之间也需要是不相关的。但在匀速行驶工况发动机是有影响的。在这种情况下，公式8中的将包含风噪和发动机噪声。发动机不仅仅影响了接受信号，也会影响输入信号。发动机的运转会引起轮毂处的振动，它的空气传播的辐射噪声也会影响轮胎近场处麦克风的测试。这就导致输入的信号不仅仅是只有轮胎激励的纯粹信号。轮胎和发动机噪声之间存在串扰现象。因为输入信号中包含发动机噪声的成分，这将导致应用OTPA方法计算的传递函数是错误的，轮胎噪声合成的结果中将包含部分的发动机噪声，因此，必须使用串扰消除方法来消除发动机在输入信号和接受点信号的影响（如图2），然后在基于新的输入和输出信号来建立OTPA模型。

由于发动机的悬置具有良好的隔振效果且发动机本身质量较大，因此可以认为发动机上的振动基本上不会受到路面激励振动的影响。由此运行工况传递路径分析也可以用于计算轮胎输入信号中与发动机信号相关的成分。发动机振动是输入信号，轮胎信号是OTPA模型的输出信号，这样由公式8得到的信号是希望的结果，即路噪输入信号不受发动机影响。

从原理上说，这种方法同样可以应用在轮胎空气传播噪声信号上，即发动机空气辐射噪声也可以被用于去除在轮胎麦克风处记录的发动机噪声成分。但问题是发动机麦风本身也包含有轮胎噪声的成分。所以如果直接用记录的发动机信号作为串扰消除的输入信号的话，一部分的路噪将同样被消除。所以直接用发动机近场麦克风的测试信号来计算OTPA的传递函数是不正确的。

但是如果我们的目的仅仅是从测试信号中移除发动机的相关成分，那么这个传递函数是不需要非常精确的。因为发动机的结构噪声和空气噪声，尤其是主阶次，是有高相关性的。所以可以用发动机上的振动信号作为输入信号，移除轮胎近场中的与发动机结构噪声有关的辐射噪声部分。与发动机结构噪声不相关的发动机辐射噪声部分不能用这种方法移除。但这些不相关的部分与主要阶次不相关，且主要是信号中的高频成分，其对车内噪声的影响非常小，是可以忽略的。

3 匀速目标分解的应用

目标设置是任何产品设计方案的重要组成部分，在汽车行业尤其如此。在车内噪声声品质目标设定中，把整车目标值分解到各个零部件系统中是必不可少的。

目标设定通常是基于整车生产商自己的在售车辆和相同等级的竞争车型的对比来实现的。通过对各个竞争车型的匀速测试，应用传递路径分析和串扰消除的结合方法，可以将匀速行驶工况的车内噪声分解成动力总成噪声、路噪和风噪，从而彻底了解每辆车空气传播噪声和结构传播噪声的贡献量。通过对比每辆车之间的动力总成噪声、路噪和风噪，从而可以将匀速行驶的车内目标值分解成动力总成噪声、路噪和风噪的目标值，使得匀速工况的目标设定更清晰和准确。

匀速噪声的分解技术对整车噪声的问题诊断也很有帮助。由于可以准确的确定噪声的不同来源，因此影响车内噪声的主要频率可以有精确的来源分析。例如，通过对匀速噪声的分解，可以了解到路噪的轰鸣声是来源于前两个车轮的组合还是后两个车轮的组合。4 匀速噪声分解应用

4.1 试验方案描述

应用OTPA的方法对某车型和其对标车型的匀速工况进行车内噪声的目标分解测试。其中在每个车轮的轴心处布置三向加速度传感器作为轮胎结构声的输入信号，在每个轮胎前后各布置一个麦克风，作为轮胎空气声的输入信号。在发动机左右悬置的主动端布置三向加速度传感器，作为发动机结构声的输入信号，在发动机近场布置麦克风，作为发动机空气传播噪声的输入信号。在车内驾驶员右耳和后排右乘左耳处布置麦克风，作为系统的输出信号。这样就组成了一个有30个输入信号和2个输出信号的OTPA模型，如图3所示。

试验在实际光滑沥青路面上进行，测试匀速60km /h和120km /h两种工况。

4.2 结果分析

以平滑路面的匀速工况60km /h的驾驶员右耳为例，应用OTPA方法对整改车型和竞争车型进行匀速噪声分解。首先将整改车型和竞争车型的车内噪声分解为结构噪声和空气噪声，如图4所示。从图4上可以看出，整改车型要比竞争车型高5dB(A)左右，不论是结构声还是空气噪声，整改车型都要远高于竞争车型。但对于整改车型来说，其车内噪声中结构噪声的贡献量稍大，占54%。而竞争车型中贡献量较大的是空气噪声，占57%。

进一步分解车内噪声，结构噪声可以看做有发动机噪声和路面激励噪声噪声，而空气噪声则由轮胎空气声和风噪组成。整改车型和竞争车型的车内噪声的分解值如图5所示。从图5上可以看出，发动机噪声和轮胎空气声对两车的影响基本相同，且贡献量都比较小，而路面激励噪声和风噪是整改车型落后于竞争车型的主要原因。因此，要使整改车型的车内噪声能够达到竞争车型的水平，则可以应用图5的分析结果来设定各个噪声源的贡献值如表1所示。

将整改车型的路面结构噪声进一步分解，如图6所示。从图6可以看出，整改车型的驾驶员右耳的路面激励噪声主要来源于两个后轮的激励，而竞争车型的驾驶员右耳的路面激励噪声主要来源于两个前轮的激励。这说明后轮传递路径是整改车型的主要传递路径。从频谱分析上看，整改车型的路面激励噪声存在3个主要噪声频带，都主要是受到后轮激励的影响，但在209Hz 、304Hz 和496Hz 确是前轮激励。

5 结论

匀速行驶时的车内噪声目标值设定是整车开发中的重要目标之一。应用运行工况传递路径分析的方法，可以快速分解匀速工况的车内噪声。但由于发动机噪声会影响轮胎轴头的振动和轮胎近场噪声，因此需要用到串扰消除方法来先消除轮胎振动和噪声中的发动机的成分。以发动机振动作为输入信号，采用运行工况传递路径分析方法来先一步消除，轮胎振动和噪声中的发动机成分，这样就能得到单纯的路面激励引起的信号。应用“滤波”后的轮胎信号作为输入信号，才能精确的从车内噪声中分解出路噪、发动机噪声和风噪。

应用这种方法对某乘用车进行匀速噪声分解，通过对比竞争车型，获得路噪、风噪和发动机噪声的贡献量和目标值。分析结果表明，运用这种方法进行目标值设定和初步噪声源识别是可行的，该工作可为制定合理的车内降噪方案提供参考。

作者：王海洋，杨春清，孔传旭

作者单位：中国汽车技术研究中心

来源：2016汽车NVH控制技术国际研讨会论文集

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来源：汽车NVH云讲堂

振动汽车海洋理论 NVH 控制试验

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