王海洋 舒歌群 劉海

（1.天津大學(xué)，內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300；3.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130）

1 前言

勻速行駛工況是整車NVH性能客觀測(cè)試的典型工況之一，也是車輛行駛過(guò)程中的常用工況。因此，勻速行駛時(shí)的車內(nèi)噪聲成為整車NVH性能開發(fā)過(guò)程中的重要目標(biāo)值之一。

駕乘人員感知的勻速車內(nèi)噪聲可視作各類型噪聲疊加的綜合體，各子系統(tǒng)噪聲的組成與貢獻(xiàn)度無(wú)法精準(zhǔn)地感知。因此，對(duì)于勻速行駛時(shí)車內(nèi)噪聲組成，通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、路面激勵(lì)噪聲和風(fēng)噪中尋找合適的平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各主要噪聲源的優(yōu)化組合，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)的最終目標(biāo)?，F(xiàn)階段，主要應(yīng)用頻率來(lái)簡(jiǎn)單地分解出勻速噪聲的路面激勵(lì)噪聲和風(fēng)噪，將400 Hz以下的頻率劃分為路面激勵(lì)噪聲，而500 Hz以上的頻率劃分為風(fēng)噪，不利于整車的目標(biāo)值設(shè)定。

運(yùn)行工況傳遞路徑分析（Operational Transfer Path Analysis，OTPA）[1]是對(duì)傳統(tǒng)傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，TPA）[2]的改進(jìn)，二者的本質(zhì)區(qū)別是傳遞函數(shù)不同。OTPA用激勵(lì)參考信號(hào)表征原有的載荷激勵(lì)信號(hào)，只需在激勵(lì)部分的參考點(diǎn)和聲壓響應(yīng)點(diǎn)布置傳感器，傳遞函數(shù)的計(jì)算只需考慮激勵(lì)參考點(diǎn)與聲壓響應(yīng)點(diǎn)之間的傳遞特性，彌補(bǔ)了TPA方法的不足[3-4]。在國(guó)外，OTPA已被應(yīng)用于解決NVH領(lǐng)域的問(wèn)題。Sitter G D[5]等用二自由度系統(tǒng)和六自由度系統(tǒng)模型詳細(xì)推導(dǎo)了OTPA的理論表達(dá)式，并用有限元仿真驗(yàn)證了其正確性；Klerk D D[6]建立了輪胎振動(dòng)噪聲到車內(nèi)駕駛員耳旁噪聲的OTPA模型，分析了各路徑的貢獻(xiàn)量，得到了輪胎影響駕駛員耳旁噪聲的主要傳遞路徑；Toome M研究了將OTPA應(yīng)用到汽車低頻噪聲特性分析中，發(fā)現(xiàn)傳遞路徑貢獻(xiàn)量在低頻時(shí)出現(xiàn)過(guò)預(yù)測(cè)現(xiàn)象，并分析了原因[7]。在國(guó)內(nèi)，吉林大學(xué)王登峰和李未[8]在傳遞路徑分析中考慮了各條路徑幅值和相應(yīng)對(duì)目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)的綜合影響，識(shí)別出影響轎車平順性的懸架系統(tǒng)和動(dòng)力總成的主要傳遞路徑；清華大學(xué)鄭四發(fā)等人將OTPA方法擴(kuò)充到時(shí)域分析[9]；海軍工程大學(xué)張磊等人對(duì)OTPA方法存在的不足進(jìn)行了改進(jìn)[10]，并進(jìn)行了驗(yàn)證；金鵬[11]等人應(yīng)用OTPA方法對(duì)某車輛車內(nèi)噪聲的傳遞貢獻(xiàn)進(jìn)行排序，找到了導(dǎo)致怠速車內(nèi)轟鳴聲的主要激勵(lì)源；張志勇[12]等人利用OTPA方法對(duì)三路徑隔振系統(tǒng)的每條路徑進(jìn)行振動(dòng)傳遞能力分析，并利用路徑的振動(dòng)傳遞貢獻(xiàn)量確定了振動(dòng)傳遞的關(guān)鍵路徑。

本文結(jié)合OTPA技術(shù)和串?dāng)_消除技術(shù)，嘗試精準(zhǔn)識(shí)別與分解勻速工況車內(nèi)噪聲源，解決車內(nèi)噪聲源于多聲源疊加原理，傳統(tǒng)方法無(wú)法從時(shí)頻域準(zhǔn)確分解并分析噪聲源，導(dǎo)致車內(nèi)噪聲難以準(zhǔn)確控制的難題。

2 勻速噪聲組合分解方法

2.1 運(yùn)行工況傳遞路徑分析

勻速行駛工況的車內(nèi)噪聲是一個(gè)復(fù)雜的噪聲場(chǎng)，它既包含有相關(guān)性的噪聲，如動(dòng)力總成噪聲和路面激勵(lì)噪聲，也包含無(wú)相關(guān)性的噪聲，如風(fēng)噪和異響。依據(jù)OTPA的相關(guān)理論，可以將勻速運(yùn)行車輛視作一個(gè)多輸入多輸出的系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 基于OTPA的多輸入多輸出模型

從圖1可知，時(shí)域信號(hào)xj(t)和yi(t)可以分解成有一定重疊性的數(shù)據(jù)塊，經(jīng)過(guò)頻域的傅里葉變換后，可以將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為Xj(f,m),j=1…J和Yi(f,m),i=1…I，其中 f為測(cè)試數(shù)據(jù)的頻率，m=1…M為分解的數(shù)據(jù)塊。這樣，每個(gè)頻率 f的輸入信號(hào)可以寫作包含所有輸入信息和數(shù)據(jù)塊的矩陣X(f)：

對(duì)于接收點(diǎn)的每個(gè)麥克風(fēng)，其測(cè)試值可以用1個(gè)行向量來(lái)表示：

那么從輸入 j到輸出i的傳遞函數(shù)Hj,i(f)也可以用行向量來(lái)表示：

接收點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)中包含2個(gè)部分：與輸入信號(hào)有相關(guān)性的ti(t)和沒(méi)有相關(guān)性的ni(t)。因此，每個(gè)接收點(diǎn)的函數(shù)可以表示為：

與輸入信號(hào)相關(guān)的部分Ti(t)可以用濾波后的輸入信號(hào)的組合來(lái)擬合。輸入信號(hào)被加載的濾波器可以等同于乘以1個(gè)頻域的傳遞函數(shù)。那么上述公式可以表述為：

當(dāng)數(shù)據(jù)塊的個(gè)數(shù)m大于輸入信號(hào)的個(gè)數(shù)時(shí)，傳遞函數(shù)矩陣求解的問(wèn)題就會(huì)變成最小二乘優(yōu)化的問(wèn)題。那么傳遞函數(shù)可以計(jì)算為：

式中，X(f)+為X(f)的廣義逆矩陣。

由于xi(t)與ni(t)不相關(guān)，因此X與N之間也沒(méi)有線性關(guān)系。當(dāng)數(shù)據(jù)塊的數(shù)量足夠多時(shí)，通過(guò)平均可以減小ni(t)的影響，此時(shí)濾波后的輸入信號(hào)的組合擬合為：

式中，hj,i(t)為與Hj,i(f)相當(dāng)?shù)拿}沖響應(yīng)。

相應(yīng)地，輸出信號(hào)的測(cè)試值與OTPA的擬合值之間的差值，就是與輸入信號(hào)不相關(guān)的部分：

2.2 串?dāng)_消除技術(shù)

在車內(nèi)噪聲傳遞過(guò)程中，各聲源之間會(huì)彼此產(chǎn)生串?dāng)_，給車內(nèi)噪聲主導(dǎo)性的噪聲源分析造成一定困難。本文利用串?dāng)_消除技術(shù)[13-15]，對(duì)影響車內(nèi)噪聲的聲源之間的串?dāng)_進(jìn)行了理論分析，以此消除串?dāng)_，優(yōu)化傳統(tǒng)傳遞路徑方法。

根據(jù)上述OTPA的理論分析可知，輸入信號(hào)的獨(dú)立性是建立噪聲分解精準(zhǔn)模型的關(guān)鍵，但勻速行駛工況發(fā)動(dòng)機(jī)因素對(duì)各噪聲源的影響是無(wú)法消除的?；谝陨显?，式（8）中的ni(t)將包含風(fēng)噪和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)不僅影響接收信號(hào)，也會(huì)影響輸入信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)引起輪轂處的振動(dòng)，其通過(guò)空氣傳播的輻射噪聲也會(huì)影響輪胎近場(chǎng)處麥克風(fēng)的測(cè)試。因此，輸入的信號(hào)既包括輪胎激勵(lì)為主的信號(hào)，同時(shí)存在輪胎和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲之間的串?dāng)_現(xiàn)象。利用串?dāng)_消除（Cross-Talk Cancellation，CTC）技術(shù)來(lái)消除發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)輸入信號(hào)和接收點(diǎn)的影響（見(jiàn)圖2），之后基于新的輸入和輸出信號(hào)建立OTPA模型。

圖2 基于串?dāng)_消除的路面激勵(lì)噪聲分析模型

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)本身質(zhì)量較重，具有良好的隔振措施，動(dòng)力總成振動(dòng)響應(yīng)受到路面激勵(lì)載荷的影響可以忽略，因此，OTPA方法可用于計(jì)算輪胎輸入信號(hào)中與發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)相關(guān)的成分。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)是輸入信號(hào)，輪胎信號(hào)是OTPA模型的輸出信號(hào)，基于式（8）分析可發(fā)現(xiàn)，路面激勵(lì)噪聲輸入信號(hào)不受發(fā)動(dòng)機(jī)影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲（尤其是主階次）具有高相關(guān)性，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)上的振動(dòng)信號(hào)作為輸入信號(hào)，可以移除輪胎近場(chǎng)中的與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲有關(guān)的輻射噪聲部分。

3 應(yīng)用組合技術(shù)設(shè)定勻速噪聲目標(biāo)

在車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)目標(biāo)設(shè)定中，把整車目標(biāo)值分解到各個(gè)零部件系統(tǒng)中是必不可少的。

目標(biāo)設(shè)定通?；谡嚿a(chǎn)商的在售車輛與相同等級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)車型的對(duì)比實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)各競(jìng)爭(zhēng)車型的勻速測(cè)試，應(yīng)用OTPA和串?dāng)_消除的結(jié)合方法，可將勻速行駛工況的車內(nèi)噪聲分解成動(dòng)力總成噪聲、路面激勵(lì)噪聲和風(fēng)噪，實(shí)現(xiàn)了車輛空氣傳播噪聲和結(jié)構(gòu)傳播噪聲的劃分與貢獻(xiàn)量的確認(rèn)。通過(guò)不同車輛之間的對(duì)比，可以將勻速行駛的車內(nèi)目標(biāo)分解成動(dòng)力總成噪聲、路面激勵(lì)噪聲和風(fēng)噪目標(biāo)，使得勻速工況的目標(biāo)設(shè)定更清晰和準(zhǔn)確。

勻速噪聲的分解技術(shù)可以準(zhǔn)確地識(shí)別噪聲的不同來(lái)源，據(jù)此可以精準(zhǔn)地分析影響車內(nèi)噪聲的不同噪聲源對(duì)應(yīng)的頻率成分。

4 應(yīng)用組合技術(shù)分解勻速車內(nèi)噪聲

4.1 試驗(yàn)方案描述

應(yīng)用OTPA的方法對(duì)某車型和其對(duì)標(biāo)車型的勻速工況進(jìn)行車內(nèi)噪聲的目標(biāo)分解測(cè)試。其中在每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向節(jié)上接近軸心的布置三向加速度傳感器作為輪胎結(jié)構(gòu)聲的輸入信號(hào)，在每個(gè)輪胎前、后各布置1個(gè)麥克風(fēng)，作為輪胎空氣聲的輸入信號(hào)。在發(fā)動(dòng)機(jī)所有懸置的主動(dòng)端布置三向加速度傳感器，作為發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)聲的輸入信號(hào)，在發(fā)動(dòng)機(jī)近場(chǎng)布置麥克風(fēng)，作為發(fā)動(dòng)機(jī)空氣傳播噪聲的輸入信號(hào)。在車內(nèi)駕駛員右耳和后排右側(cè)乘員左耳處布置麥克風(fēng)，作為系統(tǒng)的輸出信號(hào)。這樣就組成了有33個(gè)輸入信號(hào)和2個(gè)輸出信號(hào)的OTPA模型，如圖3所示。

圖3 運(yùn)行工況勻速目標(biāo)分解測(cè)試示意

試驗(yàn)在實(shí)際光滑瀝青路面上進(jìn)行，測(cè)試勻速60 km/h工況。

采用OTPA方法對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行3級(jí)逐級(jí)分解，如圖4所示，確認(rèn)影響車內(nèi)噪聲的最終目標(biāo)噪聲源。

圖4 車內(nèi)噪聲的3級(jí)分解

4.2 結(jié)果分析

應(yīng)用OTPA方法對(duì)整改車型和競(jìng)爭(zhēng)車型進(jìn)行勻速噪聲第1級(jí)分解，如圖5所示。從圖5可以看出，整改車型的車內(nèi)噪聲較競(jìng)爭(zhēng)車型高約5 dB(A)，不論是結(jié)構(gòu)聲還是空氣噪聲，整改車型都要遠(yuǎn)高于競(jìng)爭(zhēng)車型。但對(duì)于整改車型而言，其車內(nèi)噪聲中結(jié)構(gòu)噪聲的貢獻(xiàn)量稍大，占54%，而競(jìng)爭(zhēng)車型中結(jié)構(gòu)噪聲貢獻(xiàn)量為43%，因此結(jié)構(gòu)噪聲是整改車型改進(jìn)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。

圖5 勻速噪聲第1級(jí)分解頻譜

進(jìn)一步開展結(jié)構(gòu)噪聲的第2級(jí)分解研究，以明晰影響整改車型噪聲的根本原因。

采用OTPA方法對(duì)兩種車型結(jié)構(gòu)噪聲與空氣噪聲進(jìn)一步分解，如圖6所示。從圖6可以看出，路面激勵(lì)噪聲和風(fēng)噪對(duì)兩車車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量均較大。將兩車路面激勵(lì)噪聲和風(fēng)噪相比較，如圖7所示，路面激勵(lì)噪聲和風(fēng)噪是整改車型落后于競(jìng)爭(zhēng)車型的主要原因，結(jié)合第1級(jí)分解結(jié)果可知路面激勵(lì)噪聲是導(dǎo)致整改車型車內(nèi)噪聲高于競(jìng)爭(zhēng)車型的主要原因。

圖6 勻速噪聲第2級(jí)分解頻譜

圖7 路面激勵(lì)噪聲與風(fēng)噪對(duì)比

利用組合技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)車型與競(jìng)爭(zhēng)車型勻速車內(nèi)噪聲分解，明確噪聲源特征，據(jù)此可設(shè)置目標(biāo)車噪聲源目標(biāo)值，如表1所示。

表1 目標(biāo)值設(shè)定 dB（A）

路面噪聲作為影響整改車型最主要的噪聲源，須基于OTPA方法對(duì)其進(jìn)行第3級(jí)細(xì)化分解，如圖8所示，以此來(lái)確定前、后車輪的貢獻(xiàn)度。

圖8 第3級(jí)路面激勵(lì)噪聲分解頻譜

從圖8可以看出，與競(jìng)爭(zhēng)車型相比較，整改車型的車內(nèi)噪聲主要來(lái)源于2個(gè)后輪的激勵(lì)，因此，后輪傳遞路徑是整改車型車內(nèi)噪聲的主要傳遞路徑。結(jié)合圖7中噪聲頻譜分析結(jié)果可以得到，整改車型的路面激勵(lì)噪聲主要受到后輪激勵(lì)頻帶的影響，同時(shí)在頻率點(diǎn)209 Hz、304 Hz和496 Hz處前輪激勵(lì)占主要貢獻(xiàn)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于OTPA與串?dāng)_消除聯(lián)合的方法快速準(zhǔn)確地分解勻速工況下車內(nèi)噪聲，確定噪聲源，與競(jìng)品車相比較，明確目標(biāo)車勻速車內(nèi)噪聲的目標(biāo)值。串?dāng)_消除應(yīng)用該方法完成了目標(biāo)車與競(jìng)品車勻速噪聲的分解，明確了目標(biāo)車與競(jìng)品車路面激勵(lì)噪聲、風(fēng)噪和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)量，確定了目標(biāo)車各噪聲源與車內(nèi)噪聲目標(biāo)值。

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