NVH性能测试台架声场特性试验分析

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导读Reading guide

随着新能源汽车产业的发展,其驱动系统的噪声､振动､声振粗糙度测试(NVH测试)的市场需求也随之增长｡目前,半消声室中的隔声罩对测试的影响主要侧重于仿真分析｡本文在介绍NVH性能测试台架的结构及设计建造的基础上,分析了半消声室的声学测量要点,从隔音罩的降噪效果及非空场对测试的影响两方面进行试验,并分析试验结果｡试验证明,非空场半消声室具有良好的声学特性,满足NVH测试要求｡

关键词：半消声室；标准声源；NVH测试；声场特性

作者：张众杰赵天舒曾浩刘婷李威霖陈锋浙江方圆检测集团股份有限公司

近年来,在国家大力支持下,新能源汽车产业稳步发展,与此同时,人们对于出行舒适性的需求逐步增长,因此,各大汽车制造商､零部件厂商更加重视对新能源汽车驱动系统NVH(Noise､Vibration､Harshness)性能检测的投入｡试验验证应在一个良好的振动噪声测试环境中进行,以准确反映产品的特性｡由于新能源汽车驱动系统的检测必须配备测功机提供或吸收动力,而测功机自身也会产生噪声,因此,必须对测功机及其台架进行声学处理(一般采用隔声罩,可称为台架介入面)｡但台架介入面的增加,会影响自由场空间,从而引入测试误差｡

查雪琴等人[1]研究了影响自由场声学特性的因素,通过模拟计算及实验,探讨了吸声系数､房间尺寸及声源位置的影响;许庆方[2]针对机电产品的半消声室噪声测试的本底噪声､地面反射及弹性安放3个技术要素,进行了定量分析｡近年来,随着NVH测试的广泛应用,李沛然等人[3]研究了电驱动系统在半消声室中的测点位置对声功率测试结果的影响,验证了斜45°比传统的90°布置方法更接近准确值｡

目前,业内关于台架介入面对测试的影响､半消声室声场特性的试验研究主要侧重于仿真分析｡因此,本文针对NVH性能测试台架的声场特性,从隔声罩对本底噪声的影响､非空场对测试的影响进行试验与分析｡

01 NVH性能测试台架

本文研究的半消声室可提供一个符合GB/T6882-2016《声学声压法测定噪声源声功率级和声能量级消声室和半消声室精密法》的声学环境,从而完成NVH测试及评价､模拟､分析､诊断和改进等研究工作｡

消声室在建造过程中,最重要的是要注意隔声及隔振的问题｡[4]在隔声方面,主要通过外墙基建隔音及内部吸音｡吸音的形式主要有尖劈型和平板型｡为了降低半消声室的截止频率,提高试验室的空间利用率,选用BCA/CPA复合共振板(平板型)｡在房间隔振方面,半消声室采用的减震器共振频率为10Hz,隔振效率大于95%,能有效避免机械设备对测试的影响｡其主要技术指标包括自由声场的频率范围､空间范围及本底噪声｡[5]经计量,该半消声室的截止频率为50Hz､自由场半径2.5m,本底噪声16.7dB(A)｡NVH性能试验台主要由半消音室､驱动电机､加载电机､控制系统和温控系统等组成,整体结构如图1所示｡

将本文设计的NVH性能测试台架的驱动电机放置在半消音室内,用于被试件的驱动,并对电机噪声进行单独隔声和吸声处理｡两台负载电机位于消声室外,用于模拟负载,通过长距离传动轴连接,充分减少了负载电机对噪声测试的影响｡

由于高速､高扭､长轴系的技术限制,无法将驱动电机置于半消声室外,因此,应进一步隔离驱动电机产生的噪声｡在隔音罩的基础上,对驱动电机端轴系的隔声进行了优化,如图2所示,其表面采用金属穿孔板结构,里面填充多层聚酯纤维棉隔音棉｡对薄弱环节进行隔音封堵后,可进一步提升隔声性能｡

02 半消声室中的噪声测量要点

在声波传播的过程中,若声学边界条件发生改变,则会产生声反射､声折射及声透射｡半消声室由1个刚性地面和5个吸声墙面组成,当声波到达刚性地面时,声波辐射会遵循镜像原理,[6]如图3所示｡

声源A会在声学边界处发生反射,空间任意点P处的声压是由声源A的直达声和反射声组成｡而反射声可假设为由虚声源B发出的声波｡声波在声学界面的传播特性仅取决于媒介的特性阻抗,且硬边界上的反射远大于软边界｡在带台架的半消声室中,台架介入面的存在也会引入新的反射面(除刚性地面外),因此,应减少引入硬边界｡

声源在自由空间的辐射,存在近场和远场｡在近场时,声压和质点速度不同相,存在声波的循环与传播,声压与距声源的距离无特定关联｡远场是指大于2个波长或大于2倍声源尺寸的位置｡[7]从波长的角度出发,可见远场是个相对的概念,若测距选择过小,则会影响可使用的频率范围,因此,需合理选择测距｡通常进行噪声测试时,测量表面应选取样品向四周扩展1m的包络面｡在半消声室中周围无反射,当透声面积为2πr2时,在远场,声源声功率级与声压级之间的关系为:

式中:

Lp———声源测量表面平均声压级;

r———声源的远场半径;

Lw———声源声功率级｡

因此,标准声源的理论声压级可根据式(1)计算｡

03 试验分析

本文选用声功率级94dB(A)的标准声源进行验证试验｡标准声源可输出(20~20000)Hz的稳定宽带,半径为141mm,高度为396mm,将其看作点声源,用于半消声室的声场特性试验研究｡测量噪声采用SiemensLMSSCM2E05数据采集系统和GRAS46AE传声器,测试软件Testlab2019.1｡试验环境条件:温度(23±2)℃,1个标准大气压｡

隔音罩降噪试验

多个噪声源的声音的叠加是以能量形式相加,若背景噪声过大,则会引入测试偏差｡与噪声测试相关的国际规范､国家标准及行业标准,均对样品噪声与背景噪声的差值提出了大于10dB(A)的要求｡[8-9]

在NVH性能测试台架上安装新能源汽车用减速器,当减速器输入转速为3000r/min时,对比试验台架不同状态下的噪声测试及本底噪声｡试验结果如表1所示｡

由表1可知,当背景噪声与待测样品噪声的差值大于15dB(A)时,可忽略背景噪声对测试的影响｡因此,安装隔音罩可有效提高测试结果的准确性｡而高速驱动端的隔音罩,优化后较未优化前本底噪声降低了2.3dB(A),扩大了样品的有效测试区间｡

非空场影响试验

在NVH测试中,台架的存在必不可少,但造成了半消声室由一个空场变成了非空场,而空场与非空场的噪声测试的差异需要定量分析｡依据JJG277-2017《标准声源检定规程》,对空场与非空场半消声室进行声场特性对比试验｡开始搭建台架和电机前,先将标准声源置于空场半消声室的房间中央进行声压级测量｡NVH性能测试台架建设完成后,再将其置于同一位置,进行声压级的采集,如图4所示｡

按照 JJG 277-2017 定义的测点,将自由场型传声器固定在半径为 2m 的半球形测量表面上,[10]测点如图5所示｡

在空场,采用半球形框架作为传声器的支架,测试标准要求的1~20号测点｡在非空场,由于台架介入面的影响,选取部分可测量的点与空场测试数据进行对比,测点的固定采用麦克风支架｡

位置1~20的测试高度为(25~975)mm｡空场测试中,20个测点的声压级与测试高度的关系为:随测点离地高度的增加,声压级值呈先增大后减小的趋势,如图6所示｡

当离地高度仅为25mm时,测量值比理论值大了近2dB(A)｡由于半消声室的地面为强反射面,测点离地越近,测试影响越大,因此,离地近的测点偏差较大｡根据式(1),计算标准声源的理论声压级为80dB(A),在空场中,接近理论值的测点的测试高度所测得的数据更加准确｡由此可知,在实际声压级测量过程中,测量半径相同时,测点的离地高度(225~675)mm较合适｡空场与非空场试验数据如表2所示｡

其中测点4､5､14､15由于远离标准声源,声波被阻断,所测值偏小2dB(A),因此,在常规NVH测试时很少使用,可忽略｡测点7､9､12､16､17､19､20与空场所测声压级的差值不大于0.3dB(A),且正处于样品正上方､安装位置接近斜45°的开阔区域｡由此可知,有台架界入面的非空场中,安装样品的常规测试区域所测得的值对测试影响较小｡由表2可知:(1)大多数测试点的非空场的声压级大于空场声压级｡(2)在样品安装面的正前方测点中,空场和非空场的平均声压级误差为0.3dB(A)｡

04 结论

综上所述,在半消声室中测试噪声,应尽量减少硬边界的引入,从而减小对测试的影响｡本文通过验证隔音罩对噪声测试的必要性,并对驱动电机输出端噪声进行优化处理,使本底噪声降低近2dB(A);通过半消声室空场噪声测试,可知离地高度为(225~675)mm的测点较为合适;通过非空场对噪声测试的影响,对样品安装面正前方的测点进行验证,可知所测数据的平均声压级误差为0.3dB(A),对测试影响较小｡

【参考文献】

[1]查雪琴,周小儒,H. V. Fuchs. 自由声场特性的模拟计算和测量[J]. 电声技术,2009,33(11):6 ~ 13.

[2]许庆方 . 消声室噪声测试中的技术要素[J]. 电机电器技术,2000,12(05):33 ~ 36.

[3]李沛然,陈景昌 . 电驱动噪声测试中噪声测点位置验证分析[J]. 车时代,2021,(08):7 ~ 8.

[4]孙洪鹏 . 消声室在声学计量方面的应用[J]. 计量与测试技术,2015,42(08):47 ~ 48.

[5]江泓 . 消声室的校准与数据处理[J]. 计量与测试技术,2009,36(06):41 ~ 42.

[6]杜功焕,朱哲民,龚秀芬 . 声学基础(第 2 版) [M]. 南京大学出版社,2001.

[7]谭祥军 . 从这里学 NVH:噪声､振动､模态分析的入门与进阶[M]. 北京:机械工业出版社,2018.

[8]GB / T 3768 - 2017《声学声压法测定噪声源声功率级和声能量级采用反射面上方包络测量面的简易法》[S].

[9]Jeffrey A. Morgan, Maruthi R. Dhulipudi, Refaat Y. Yakoub,etal. Gear Mesh Excitation Models for Assessing Gear Rattle and GearWhine of Torque Transmission Systems with Planetary Gear Sets[C].SAETransactions,2007,116:1780 ~ 1789.

[10]JJG 277 - 2017《标准声源检定规程》[S].