某车型匀速车内拍频噪声控制研究
[摘要]本文首先通过时频、阶次、模态、传函等分析手段，识别出车内异常噪声的主要噪声源和放大路径；然后通过增加前围阻尼板厚度减小了发动机引起的点火阶次噪声；再通过降低轮胎模态频率，减小了轮胎激励引起的阶次噪声；通过对传动系统参数进行优化匹配，在常用转速范围内使得发动机激励与轮胎激励避频达到10Hz 以上，有效消除了拍频现象。最终，在三种方案的综合治理下，车内拍频噪声消除，声品质显著提升。日常驾乘的部分工况中，声压级大并没有引起抱怨，但是声音的粗糙和抖动却容易使客户反感。所以，汽车声学设计的目标，并不局限于降低声压级，营造“安静”声学环境的同时，又需要保持良好的声品质。纯电动、混合动力等新能源汽车的兴起，传统动力系统的变化如三缸发动机的趋势化，各种附件系统的增多及汽车工作模式的增多，使得汽车噪声源的数量和激励的复杂程度大大增加，一旦匹配不良，极可能导致噪声源发生调制现象，进而导致车内声品质不佳，影响乘坐舒适性。参考文献[1,2]分别出现了发动机与压缩机匹配不良导致的NVH 问题；参考文献[3]出现了混合动力汽车发动机与驱动电机匹配不当导致的恶劣声品质问题；参考文献[4]中，由于悬架和传动系统匹配不佳而导致常用工况下轮胎2 倍旋转激励和簧下固有频率相近，进而导致振动噪声问题。因此，尤其是在噪声源数量多的情况下，有必要综合采取措施减少车内和抖动度、粗糙度相关的调制现象的发生。本文以解决车内噪声拍频问题为线索，提出在传统的传递路径上采取模态避频的同时，要注重整车研发过程中的噪声源匹配。某品牌MPV 新车型在试制车试乘试驾中，被反馈高档位、发动机转速在3200-3300rpm 附近时，车内存在明显的“砰砰”异常噪声，长时间乘坐导致乘客疲劳和烦躁。试验车辆在3、4、5 档3250rpm 附近匀速工况下，主驾内耳2 阶噪声明显；5 档3250rpm 工况下，如图1 时频图中存在两个频率峰值成分，频率较低的108Hz 成分由发动机二阶激励引起，频率较高的115Hz 成分为其他噪声源引起。通过LMS Test.lab 软件滤波回放功能，将主驾内耳噪声时频彩图中两条亮线频率成分全部、分别滤除，均可以消除周期性的“砰砰”声。因此周期性“砰砰”声是在这两种频率成分共同作用下产生的。如图2 所示，两种频率成分的噪声信号叠加后的时域信号呈现“拍”的形态，主观感受其变化规律和时域的包络线相似。频谱是对声音最常见的表征方法，时频图记录了频谱随时间的变化过程。如图1，该时频图上的每个频率成份不随时间变化，总声压级似乎也不会随时间变化。但实际上，乘客感受到的声音是忽大忽小的“砰砰”声。导致以上现象的原因，是人耳对于声音的感知并不是线性地进行持续的短时傅立叶变换，人耳的频率分辨率呈对数特性分布。调制现象导致的声学感受无法完全用A 计权声压级和频谱来描述，通常使用抖动度和粗糙度，来评价这些调制现象引发的心理声学效。当两个频率或者幅值不同的纯音波叠加在一起，便产生了调制效应[5]。若两个纯音信号分别为：调制频率为 mod 2 1 f f f ，当调制频率低时，0-20Hz 主要表现为抖晃，此时的调制度叫做抖动度，信号叠加产生缓慢的声压起伏；人耳对这类现象的感知体验为声音晃动或抖动的感觉，引起人高度的听觉警戒和一定的听觉烦恼度。当调制频率高时，20-300Hz 人感受到的声音表现为粗糙。定义抖动的心理声学效应单位为vacil，抖动度F 计算公式为：L掩蔽深度，由信号响应谱计算得到。抖动度的大小取决于声压级、调制深度和调制频率，与声压级、调制深度成正比，当调制频率为4Hz 时，抖晃度最大，小于4Hz 时，抖晃度降低。本文乘员所感受到的低频起伏感噪声，正是两种激励叠加而成的拍频现象。主观感受发现车辆在不同挡位缓油门加、减速工况时，主观感受转速在3200-3400rpm 附近车内存在轰鸣声；在5 档3200-3400rpm 附近车内存在周期性的“砰砰”声。5 档缓油门加、减速工况下的主驾内耳噪声彩图如图3 所示，除了发动机2 阶次，还存在2.1 阶次，3、4 挡加减速工况车内噪声无此阶次。由于该2.1 阶次噪声与档位、车速有关，且在加速、滑行工况中均存在，可判断：该2.1 阶次是由传动系统旋转件激励产生的。为进一步确认2.1 阶次噪声源，进行怠速空挡鼓拖车匀速测试，以排除发动机及其附件的贡献，匀速工况主驾内耳噪声频谱分析结果如图4，轮胎旋转基频为15.38Hz，鼓拖车工况下车内噪声峰值频率为123Hz，正好是轮胎旋转基频的8 倍。如图5，该车型所配备的轮胎成型鼓模具由8 瓣组成，因此初步判断该异常噪声是轮胎成型模具误差导致。5 档工况下变速箱和主减速器的总传动比为3.7953，发动机转速n r/min 对应轮胎激励频率为：0.03513n 正好为发动机基频的2.1 倍。因此确认2.1 阶次噪声的源头是轮胎。所以，车内异常噪声的源头分别为：发动机引起2 阶轰鸣声和轮胎引起的2.1 阶噪声。为了进一步诊断汽车轮胎引起的2.1 阶噪声的传递路径贡献，分别进行鼓拖车匀加速测试、NTF 测试以及轮胎模态测试。为了排除动力总成对车内噪声的影响，以加速度0.1g、车速从0 到120km/h 的工况，进行鼓拖车测试，该工况下的时频跟踪分析瀑布图如图6 所示：主驾内耳噪声时频彩图115Hz附近存在共振带。因此，怀疑车轮到主驾内耳的传递路径上存在115Hz 附近的模态，将轮胎胎皮引起的8 倍旋转频率的激励放大。整车状态下，对轮胎胎面进行锤击激励，主驾内耳声音为响应信号，得到NTF，如图7：轮胎到主驾内耳的NTF 在116Hz 附近存在峰值，且幅值高达64dB，认为轮胎到主驾内耳的传递路径上存在将轮胎激励放大的环节。转向节、车身安装点到主驾内耳等路径的NTF 在115Hz 附近均无明显峰值，排除悬架和车身路径将轮胎激励放大的可能性，认为轮胎自身可能存在115Hz 左右模态频率。轮胎模态试验表明轮胎在116Hz 处存在一阶椭圆模态，其模态识别稳态图如图8。因此，3 档、4 档3250rpm 匀速工况下，车内仅存在2 阶轰鸣声；在5 档3250rpm 匀速工况下，车内周期性“砰砰”声实质是由发动机点火阶次引起的2阶噪声和轮胎引起的2.1 阶噪声调制而成，让人主观感受到忽大忽小的周期性噪声波动。将前围薄弱区域的阻尼板厚度由2mm增加至4mm，对该工程化措施进行验证，图9 所示，3 档WOT 工况下，3200-4000rpm范围内主驾内耳二阶噪声显著降低；各档位下3250rpm 匀速工况下，主观感受车内轰鸣明显减弱。汽车轮胎是个非线性系统，其动态特性受多个外部和内部因素影响，外部因素包括胎压、轮胎载荷、旋转速度，内部因素包括轮胎结构（胎体轮廓、胎体形状、带束层结构）、质量分布[6]， 本文研究的异常噪声问题是轮胎在5 档3250rpm 匀速工况引起的，此状态下，外界使用因素（轮胎载荷、胎压、滚动速度等）近似不变，所以可以将轮胎看作线性系统，认为其模态与整车静止状态下相近。更换其他厂家供应商轮胎后，以降低轮胎一阶模态频率。将新轮胎安装到整车上，进行模态测试，获取轮胎模态特性，椭圆振型对应的模态频率降低至94Hz，测试结果如图10、表1：整车状态下，采用锤击法，测试胎皮表面到主驾内耳的NTF，得到测试结果如图11所示，优化后轮胎NTF 的峰值所对应频率前移至92Hz 左右，达到预期要求。再进行5 档3250rpm 匀速工况车内噪声转鼓测试，主驾内耳车内噪声时频彩图如图12 所示，2.1 阶次噪声有所降低，主观感受拍频现象和车内声品质有所改善。5 档时轮胎激励频率与发动机频率分布不当，导致发动机点火2 阶次激励和轮胎激励产生的2.1 阶噪声发生调制。为了避免人体感知到的车内噪声振动出现明显的拍频现象，在常用工况下，车辆主要的激励频率应该避频10Hz 以上。目前，汽车传动系统设计主要依据发动机的功率特性曲线、最大传动比、最小传动比，来设计变速箱各档位的速比和主减速比，然后计算不同参数匹配下车辆的动力性和燃油经济性，综合考虑各因素，最终确定各系统的参数。一般认为，传动比的选择对动力性和经济性影响较大。前期关于动力传动系统匹配的研究多注重于动力性能和经济性能，较少从 NVH 性能的角度来考虑动力传动系统（含车轮）的匹配问题。本节在考虑燃油经济性和动力性的同时，也考虑了传动系统与其他系统之间的NVH 性能匹配，调整各档传动系统参数，如表2：原速比发动机点火2 阶次激励与轮胎激励阶次形成的调制频率为：当发动机转速在3200-3300rpm 范围内时，调制频率约为6Hz，靠近敏感调制频率4Hz，导致人耳感受到令人烦恼的拍频声。调整速比后发动机点火2 阶次激励与轮胎激励阶次形成的调制频率为：当发动机转速在2341rpm 时，调制频率为10Hz；当发动机转速为3300rpm 时，调制频率为13.7Hz。结果在2300rpm-3300rpm常用较高转速范围内，使轮胎激励频率与发动机激励频率避开10Hz 以上；当轮胎激励频率为115Hz 时，计算得到发动机转速为3058 r/min，而此时发动机引起的2 阶噪声并不明显，同时轮胎滚动速度小于大速比变速箱轮胎的旋转速度，因此激励较小。另外，在低转速下，由于轮胎阶次和发动机2 阶激励小，即使调制频率在敏感频率附近，主观上也感受不到拍频噪声。如图13 所示，在更换小速比变速箱后，5 档缓油门加速工况，车内2.1 阶次噪声消失，从而消除了令人厌烦的拍频噪声。本文通过一系列的声源定位与轮胎模态测试、NTF 测试等路径排查试验，完成了对发动机2 阶激励和轮胎8 倍旋转频率的2.1 阶激励导致的拍频噪声的诊断：确定了车内噪声2 阶成分大的主要原因是前围刚度薄弱、衰减振动噪声能力不足；轮胎115Hz左右的模态将轮胎自身8 倍旋转频率的激励放大，导致车内噪声115Hz 峰值较高。并对该车型采取优化措施：（1）增加前围阻尼板厚度，减小了发动机引起的3250rpm 附近的轰鸣声；（2）更换轮胎，将轮胎自身模态频率降低至94Hz，抑制轮胎激励放大进而削弱了拍频噪声；（3）对噪声源激励阶次进行匹配修改：通过对传动系统参数进行优化匹配，在常用转速范围内，发动机激励与轮胎激励避频超过10Hz，相应的试验结果表明，优化传动系统参数，使得发动机和轮胎旋转频率避频，是消除拍频现象、提升车内声品质的有效措施。在三种措施的控制下，拍频噪声消除且声品质明显提升。作者：凌子红1，2，李灿1，2，郝耀东1，2，许增满1，2，王亚超1，2作者单位：1 中国汽车技术研究中心有限公司 2 中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司来源：2020 年第十七届汽车NVH 控制技术国际研讨会论文集免责申明：本公 众 号所载文章为本公 众 号原创或根据网络搜索编辑整理，文章版权归原作者所有。因转载众多，无法找到真正来源，如标错来源，或对于文中所使用的图片，资料，下载链接中所包含的软件，资料等，如有侵权，请跟我们联系协商或删除，谢谢！ 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-04-15
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