车外加速噪声的传递特性模型及声源识别.pdf
2010年(第 32卷)第 5期汽 车 工 程Automotive Eng ineering2010(Vo.l 32)No.52010091车外加速噪声的传递特性模型及声源识别*国家 863计划项目(2006AA110105)资助。原稿收到日期为 2009年 6月 30日,修改稿收到日期为 2009年 8月 26日。郑四发,郝 鹏,李西朝,李克强,连小珉(清华大学,汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084)摘要 提出了一种描述汽车主要声源、振源与车外噪声的传递特性模型。根据行驶中汽车的主要声源、振源参考点信号和车外加速噪声测量点信号,通过传递特性分析,定量确定了运动车辆的噪声源对车外噪声的贡献,采用主成份分析法提高声源识别精度。实车试验结果表明,利用传递特性模型可以确定车外加速噪声的主要振源、声源及其贡献。关键词:车外加速噪声;传递特性模型;声源识别;主成份分析Transfer CharacteristicsM odel and Noise Sources IdentificationforAccelerated Vehicle ExteriorNoiseZheng Sifa,Hao Peng,Li Xizhao,LiKeqiang&Lian X iao m inT singhua University,S tateK ey Laboratory of Automotive Safety and Energy,Beijing 100084Abstract A transfer characteristicsmodel is proposed for describingm ajor noise and vibration sources andexterior noise of vehicles.Based on signals at reference points of main noise and vibration sources in vehicle andsignals at measuring point of exterior acceleration noise,and by transfer characteristic analysis,the contributions ofnoise sources inmoving vehicle to exterior noise of vehicle are quantitatively deter m ined,and principal componentanalysis isused to raise the identification accuracy of noise source.The resultsof real vehicle test show that utilizingtransfer characteristicsmodel can identify the main noise and vibration sources and their contribution to exterior ac-celeration noise of vehicle.Keywords:vehicle exterior acceleration noise;transfer characteristicsmode;l noise source identifica-tion;principal co mponent analysis前言降低汽车车外噪声已成为各主要汽车生产商的共同目标 1。为了制定合理的车外降噪措施,应了解车外噪声与汽车主要声源的定性或定量关系。传统的实验方法,如消去法、频谱分析法、声压分析法和声强测量法等,均不能有效地处理车外加速噪声。声全息法和声阵列法虽然可以计算出运动声源重建面上的声场分布,但无法直接得到加速过程中车上的各噪声源与车外噪声响应点之间的定量关系。从 20世纪 70年代后期开始,日本、美国和意大利等国学者专门针对车外加速噪声通过试验提出了基于主要声源自身噪声水平测量及其各自向外场传播模型的车外噪声预测方法 2-4。从研究的结果上看,在全面测量噪声源和合理运用传播模型的前提下,该方法对车外噪声 A计权声压级的分析可以达到一定的精度(最大误差约 2 3dB)。但该方法需要大量试验,操作麻烦,且不能有效地分析噪声源的变化对车外响应点声压级的影响,对降低车外噪声的指导作用有限。此后,在文献 5和文献 6中先后运用传递路径分析并结合互易法研究了汽车加速行驶通过噪声的声源识别与分离问题,其共同的特点是试验操作#440#汽 车 工 程2010年(第 32卷)第 5期复杂、周期长,因而影响到该方法的应用。本文中提出了一种行驶工况下车外加速噪声与车上声源的传递特性模型。以测试得到的汽车上主要声源、振源参考点信号以及车外加速噪声信号为基础,通过传递特性分析,确定出在加速过程中的每一时刻,加速噪声中包括的各声源、振源的大小及其对车外噪声的贡献。实车试验表明,该模型可以快速识别出车上的声源及其贡献。1 车外加速噪声的传递特性模型111 车外加速噪声的传递特性模型汽车加速过程中,存在许多声源和振源,如发动机噪声、传动系噪声、排气噪声、发动机悬置振动、车身振动等。这些声源和振源构成了汽车加速噪声中的空气噪声和结构噪声。为了分析加速过程中诸多振源、声源对车外加速噪声的影响,直接建立车外加速噪声与车上振源、声源的传递特性模型。p(f)=Eni=1ai(f)hi(f)=A(f)H(f)(1)式中:p(f)为某时刻 t车外加速噪声声压;ai(f)为对p(f)有影响的第 i个噪声源的声压或第 i个振源的加速度;hi(f)为第 i个噪声源(振源)到加速噪声响应点的传递函数;n为声源个数,A(f)为声源(振源)矩阵;H(f)为传递矩阵。车辆加速过程中,车上的振源、声源相对车外加速噪声测量点是移动的,因此式(1)中 hi(f)是随车辆运动的位置而变化的。这是本方法与传统的传递路径分析方法的主要不同,本方法建立的是基于行驶工况的传递路径模型。在式(1)中,关键是识别出车辆加速过程中每一时刻不同声源、振源对加速噪声测量点的传递函数 hi(f)。根据线性系统理论,在不同次加速过程中,只要声源或振源位置相对车外加速噪声测量点位置一定,其传递函数 hi(f)就保持不变。因此,通过多次试验分别测量作为激励的加速度(或声压)信号和作为响应的声压信号,求出传递矩阵 H(f)。112 主成分分析法求解传递特性矩阵利用式(1)计算 H(f)最简便的是伪逆法,当矩阵 Ak n(f)(其中 k为进行识别的试验次数)的条件数大时,会带来相当大的误差。下面采用主成分分析法计算 H(f),该方法对确定关键变量、简化运算和提高运算的准确性非常有效。对加速度(声压)信号矩阵 Ak n(f)进行奇异值分解,有:Ak n(f)=ZSD1/2UT(2)主成分矩阵 ZS中的每一列都是不同通道加速度(声压)信号的线性组合,它们之间的相关性已经完全被消除。对角阵 D1/2上的元素自上而下按由大到小的顺序排列,它们代表与主成分矩阵 ZS对应的每一列(即一个主成分)信息量的大小,在对角阵D1/2中对应值较小的主成分对总的信息量贡献很小,但对测量信号的干扰噪声非常敏感,会在矩阵求逆时放大误差,须去除,因此对对角阵 D1/2进行截断,选取主成分的累计贡献率较高(大于 80%)、特征值大于 1的主成分,得到新的对角阵 D1/2r。相应地对矩阵 ZS和 UT进行截断,得到新的矩阵 ZSr和UTr,有Ak n(f)=ZSD1/2UT=ZSr ZSdD1/2r00D1/2dUrTUdTUZSr ZSdD1/2r000UrTUdT=ZSrD1/2rUrT(3)因此传递矩阵可表示为Hn m(f)=Ur(D1/2r)-1ZSrTPk m(f)(4)式中:m 为识别出的对车外噪声影响大的主要声源的个数。获得了传递矩阵 H(f)后,如果某次试验中测量得到的声源矩阵为 Aacc(f),就可计算出车外加速噪声:pacc(f)=Aacc(f)H(f)(5)2 车外加速噪声源识别211 获取传递特性的试验在获取车外加速传递特性的试验中,要测量多个不同车辆行驶工况(包括匀速、急加速),尽量满足 Ak n(f)各行相关性小。另外为了使传递特性方程组可解,应满足测量数据组个数 k 大于考察的噪声源个数,即 kn(6)通过更多的工况以及相同工况下的多次测量可以增大 k,使传递特性方程组成为超定方程组,从而提高计算的精度。分别在车上各声源参考点设置传声器,这些参考点包括发动机的冷却风扇、排气歧管、气缸盖、油泵、油底壳、气泵、涡轮增压器,以及变速器、排气尾管、中桥主减速器和后桥主减速器等。在车上各振2010(Vo.l 32)No.5郑四发,等:车外加速噪声的传递特性模型及声源识别#441#源参考点设置加速度计,这些参考点包括发动机各悬置,以及中桥、后桥、前悬架和后悬架;同时采集上述激励点信号、车外加速噪声测量点信号和激光定位装置测量各激励点到车外响应点沿车辆运动方向的距离,利用无线传输装置将车下的信号传输到车上进行采集,以保证信号同步,如图 1所示。图 1 车外噪声传递特性分析试验方案示意图通过测量的发动机转速 r(t)确定车速v(t)=2P Rr(t)/(60igid)(7)式中:ig为相应挡位的变速器传动比,id为相应挡位的主减速器传动比,R 为驱动轮轮胎半径。运动过程中车辆相对进线位置的距离为s(t)=Qtt0v(t)dt+s0(8)式中 s0为 t0时刻车辆的位置。在车外噪声测试 20m加速驶过过程中,将整个加速行驶过程分成若干段,每段行驶距离为 Ds(在该小段内可认为传递特性不变)。在每一 Ds行驶距离内,利用采集的噪声源信号与响应点信号,根据式(4)计算出车辆运动到 s(t)的声源传递矩阵 H(f)。212 车外加速噪声源贡献识别通过上述试验计算出车辆加速行驶到每一位置s(t)时各声源的传递矩阵后,可以计算在此位置第 i声源对车外加速噪声源的贡献 pi(f),pi(t)=ifft pi(f)=ifft ai(f)hi(f)(9)式中 ifft为傅里叶逆变换。针对每一个声源、振源,分别按式(9)计算其对车外加速噪声源的贡献,根据贡献大小就可以确定主次声源。进一步可以计算出在该位置 n个噪声源在响应点产生的车外加速噪声的总声压 p(t)。p(t)=Eni=1pi(t)(10)213 车外声源的识别结果以对某商用车挂第 9挡时车外加速噪声源识别为例进行车外传递特性测定和声源的识别。在该挡位时发动机进线转速为 1 100r/m in,全负荷加速行驶出线转速为2 300r/m in。利用测试的数据根据式(4)计算得到传递特性。然后测量一组新的加速行驶工况下各声源(振源)的信号,利用式(10)计算车外加速响应点处的噪声,并与该响应点的实测声压进行对比。计算出全过程响应点的 A计权声压级与实测声压级对比如图 2所示,其中位移为 0处为车头进线处。图 3为试验过程中某时刻噪声频谱的对比。图 2 车外响应点计算声压级与实测值对比图 3 车外响应点的计算频谱与实测频谱对比从图 2和图 3看到,在频域和时域的计算结果和实测结果都能较好地吻合,说明计算得到的传递特性能够很好地描述各声源向外传播的情况,图 2也说明了识别出的主要噪声源的准确程度。整个加速驶过过程中 A 计权声压级计算的最大误差约为1dB,峰值误差小于 013dB,计算结果和实测结果的峰值出现位置很接近,均在距进线位置 15m附近。将响应点的 A计权总噪声声压级分解为空气噪声和结构噪声,结果如图 4所示,在测量的 20m加速过程中空气噪声均比结构噪声高出约 2 215dB。将空气噪声进一步分解为几个主要噪声源分别产生的噪声,如图 5所示。#442#汽 车 工 程2010年(第 32卷)第 5期图 4 响应点总噪声时域声压级分解图 5 响应点空气噪声时域声压级分解可以看出在距离为 20m 的加速测量过程中,车外加速噪声主要来自于发动机本体辐射噪声,其次是主减速器辐射噪声,而在加速过程中变速器噪声、涡轮增压器噪声和排气噪声相差小于 2dB;该重型商用车轮胎噪声比车外加速噪声小 15dB,对加速噪声几乎无影响。因此降低发动机本体辐射噪声是减小车外噪声的首要任务。3 结论(1)提出了一种车外加速噪声的传递特性模型及声源识别试验方法。该模型能描述出车外加速噪声与车上各主要声源、振源的定量关系。(2)利用主成分分析法进行传递特性的计算,能减小非主要声源、振源的影响,提高传递特性计算精度和效率。(3)利用建立的传递特性模型及试验方法对重型商用车的试验结果表明,识别出车外加速噪声源最大值与实测值误差一般小于 015dB,说明所提出的噪声源识别方法能准确地识别出加速过程中各声源对车外加速噪声的贡献。参考文献 1 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动-理论与应用M.北京:北京理工大学出版社,2006:7-115.2 Fujita K,Abe T,HoriY.Si mulation ofAcceleration Pass-by NoiseConsidering the A coustic R adiation Characteristics of a VehicleBody J.International Journal of Vehicle Design,1987,8(4):514-525.3 Pilo L,Gamba F,Challen B J.Prediction ofVehicle RadiatedNoise C.SAE Paper 971985.4 M asukoK,Abe T.On Factors ofNoiseEmitted by a SmallVehicleand Noise Level Si mulation of Pass-by T est C.SAE Paper770011.5 ShinichiM,JunichiA,Masanori F.Application of a ReciprocityT echnique forM easurement of A coustic T ransfer Functions to thePrediction of Road Vehicle Pass-by Noise J.JSAE Review,1997,18:277-282.6 D emmererS.Si mulation von Schallfeldern am Kraftfahrzeug D.Fakultt f r E lektrotechnik und I nfor mationstechnik:T echnischeUniversittM nchen,2002.
