10 汽车室内通过噪声试验及其声源贡献量分析

汽车室内通过噪声试验分析
靳畅1，张天鹏2，刘子豪2
（1.同济大学新能源工程中心, 上海 201804； 2.同济大学汽车学院, 上海 201804）
摘要：本文基于传递路径的分析方法，将通过噪声传递的整个过程看作简化的“源-路径-
目标点”模型，目标点接收的声音信号看作是由几个单一声源由不同的路径传递合成的结果。

在结果分析中，将通过噪声结果与车速信息对比，分析得出通过噪声的主要变化过程，最后对各贡献量较大的成分进行频谱分析，获得噪声最大时刻各贡献量的频率范围，并且验证了整个通过噪声中贡献量大的噪声来源，为以后的通过噪声优化提供指导方案。

关键词：室内通过噪声试验，传递路径分析，贡献量分析
中图分类号：T文献标志码：A
Test and Analysis of Vehicle In-room Pass-
by Noise
Abstract: In this article, The pass-by noise test arrangement is described simplistically as a source-transfer-target model based on the establishment of the transfer path analysis model. The noise received by the target microphone is assumed as the synthesis of noise from every single source through different path. In the analysis of the result, the comparation between noise contribution and vehicle speed is conducted to research the process of pass-by noise. Based on the frequency domain analysis, the frequency interval of each contribution that impacts the pass-by noise most can be acquired, which can also validate the major noise source of the test. This is meaningful to the optimization design.
Key words: : In-room Pass-by Noise Test, transfer path analysis, contribution analysis
随着城市汽车数量的增多，汽车产生的噪声问题正变得日益严重。

通过强制执行车辆通过噪声法规，车外通过噪声有了很大降低，ECE限值在20年内从82 dB(A)下降到74 dB(A)，而且现行方法已经推广到全世界。

但是从ECE调查结果来看，城市交通引起的噪声并没有随着限值的下降而有同样明显的改善。

一个主要原因是现行方法中执行的试验工况与城市工况下噪声相似性很差。

现行方法采用的工况是2档、3档油门或节气门全开加速，而城市运行的工况绝大部分都是油门或节气门部分开启加速以及低速匀速行驶。

另一个原因是随着发动机和变速器技术的发展，汽车的主要噪声源发生了变化，导致当初制定试验方法的一些假设条件也发生了变化，例如轮胎噪声的比重对汽车通过噪声的比重明显增加，而它的工作状态并没有一个明确的规定。

基于以上原因，根据现行方法所得到的结果不能反映目前实际城市工况中的汽车噪声。

而室内通过噪声试验能够模拟汽车行驶的各种工况，并且能对汽车在不同位置各个噪声源的贡献量进行分析，对汽车通过噪声改进有着指导意义。

1.室内通过噪声试验原理
1.1 信号获取
室内通过噪声试验是在半消声室内模拟室外通过噪声试验，试验车辆放置在四轮转鼓上，从而模拟出道路状况，通过使用放置在车辆两侧的按一定标准布置的线性麦克风阵列来模拟车辆运动[1]，
———————————————————
如图1。

汽车前方的麦克风用于记录入车辆进入起始线的过程，汽车后方的麦克风用于记录汽车离开测量区域的过程。

信号获取过程如下：
图1. 室内通过噪声试验麦克风阵列
Figure 1. Microphone array of the in-room pass-by noise
test
（1）设单侧线性麦克风阵列的麦克风位置坐标依次为m1,m2 …m x；
（2）试验开始，所有麦克风同时开始测量，获得m1,m2
…m x处的时域信号，根据发动机转速信号与特定档位下的传动比获得车辆位置随时间变化关系的曲线，见图2；
图2. 时域信号合成示意图
Figure 2. Synthesis of the time domain signal （3）利用麦克风阵列的间隔，对获得的时域信号进行截断处理[2]，如从m1到m2过程中，汽车行驶时间从t1到t2，在m1时域信号中截取t1时刻到t2时刻信号，最后共获得x-
1个信号段，信号截取效果如图3，表示车辆加速阶段，通过相同距离用时逐渐缩短；
图3. 时域信号截取
Figure 3. Processing the time domain signal
（4）对截取的时域信号加窗后重新合成时域信号，采用插值法可获得总声压级曲线。

1.2 噪声贡献量分析原理
贡献量分析是一个求逆的过程，通过麦克风阵列采集的数据和传递路径，反推出声源贡献量[3]，如图4所示。

图4. 各噪声源贡献量分析原理图
Figure 4. Theory of the noise contribution analysis 系统的传递函数由系统特性决定，它不受输入、输出等其他外界条件的影响。

对于线性系统，定义p( f
)为噪声或振动总响应；( f
p i
)为第i条路径或源的贡献量，总响应可通过下式计算：
∑
=)
(
)
(f
p
f
p
i
若已知系统的传递函数，当对系统输入任意激励时，经过其逆过程即可计算出系统受激励后的响应。

1.3 噪声源识别
空气声传播路径分析用于确定噪声源通过各空气声传递路径对车外远场处目标点的噪声贡献量分析。

在空气声传递路径的分析的情况下，路径上不存在耦合点，本次试验共假设8个噪声源，设置16个参考点，阵列采用的麦克风数量为15个。

定义为通过噪声
y k
测量中第k个目标点的测量值；为第i个声学
Q i
载荷；为声学载荷和目标响应点之间的噪
F ki
声传递函数，它们在频域上是频率的函数。

f
目标点测量值为各路径贡献量总和：
（1）
y k(f)=
n
∑
i=1
F ki(f)∗Q i(f)
声学载荷可以通过基于操作表面法向速度的直接识别得到，也可以使用矩阵求逆间接识别。

表面法线速度方法最适合于较低频率范围，而矩阵求逆法更适合于中频和较高频率以及测量表面法线速度不可能或不实际的情况，例如，对于轮胎噪声和排气噪声的测量。

矩阵求逆法是基于声源点和参考点的传递函数矩阵获得声源负载
的方法。

（2）[u 1
u 2
⋮u
m ]=[H 11H 12H 21
H 22⋯
H 1N H 2N ⋮⋱⋮H m1H m2⋯H mN ][Q 1Q 2⋮Q N ]
式中，表示第j 个参考点的测量值；表示u j H ji 参考点与模拟噪声源之间的传递函数矩阵。

由式（2）使用逆矩阵法识别声学负载：
（3）
[Q 1
Q 2
⋮
Q N
]=[
H 11H 12H 21
H 22⋯
H 1N H 2N ⋮⋱⋮H m1H m2⋯H mN ]‒1[u 1
u 2
⋮u m
]
为确保矩阵求逆的稳定性，参考点的数量至少应为模拟噪声源数量的两倍。

利用标准体积声源（VVS ）获得传递函数矩阵，同H ji 理可计算出F ki 矩阵，可以识别出声学负载Q i ，将频域信号Q i 进行逆傅里叶变换，获得时域信号，再将式(3)代人(1)，得到各贡献量：y k
[y 1
y 2
⋮y k
]=[F 11F 12F 21F 22
⋯
F 1N F 2N ⋮⋱⋮F k1F k2⋯F kN ][Q 1Q 2⋮Q N ]
(4)
2 室内通过噪声TPA 分析
2.1 各工况下汽车通过噪声分析
模拟室外通过噪声试验，试验分2挡全油门加速（WOT ），3挡全油门加速，和3挡50km/h 匀速三种工况。

试验采集系统采用LMS
SC316，数据分析采用LMS b In-room passby 模块。

不同工况下，各过程总声压级曲线如图5
所示：
图5. 各工况下声压级位置关系曲线
Figure 5. SPL vs. vehicle position in different condition
变速器处于2档与3档位置时，试验车辆的通过噪声变化很大，相差5分贝。

这是由于传动比的限制，2档时，若使车速达到50km/h ，发动机转速过高，接近额定转速，产生噪声较大。

3档加速与匀速工况下，发动机负荷不大，发动机转速不高，噪声水平较低。

由各极值点出现的位置可知，在加速工况下，最小值点往往位于进线处，即开始加速时刻；噪声声压级达到最大时的位置，位于6~8m 之间，由图可知最大噪声处位于汽车完整加速过程的中间阶段，且离后轮和排气管
较近，最大值处的速度也与默认最大噪声速度56km/h接近。

结果如表1所示
表1. 噪声最大点处位置和车速信息
Table 1. Vehicle position and speed in the moment
of the maximum SPL
工况坐标车速
2挡加速
3挡加速
3挡匀速(50km/h)5.59m
7.35m
3.52m
55.81km/h
55.81km/h
48.62km/h
2.2各噪声源的贡献量分析
在只考虑空气传声的情况下，将噪声源主要分为发动机，进气系统，轮胎，排气系统4个方面，
在各工况下噪声最大值时刻各部分贡献量如表2所
示，以3挡全油门加速工况为例，整个过程各部分的贡献量如图6所示。

表2. 各工况下噪声最大值时刻各部分贡献量(单位：dB(A))
Table 2. Contribution of each part on the moment of the maximum SPL in each condition dB(A)
工况总和发动机
左侧发动机
上侧
前轮
前侧
前轮
后侧
后轮
前侧
后轮
后侧
排气管进气口
二档加速三档加速三档匀速71.0
7
68.3
1
61.2
1
61.13
50.83
50.97
56.57
45.94
47.63
60.37
55.61
54.09
65.30
59.69
55.79
62.58
60.80
55.29
63.87
64.53
55.31
64.11
62.62
47.49
49.48
41.60
39.64
图6. 3档全油门加速各噪声源声压级贡献量曲线
F igure 6. Total and partial contribution vs.
vehicle position in gear 3
3档全油门加速工况下，对总噪声级影响较大的噪声源依次为汽车后轮轮胎噪声、排气噪声、前轮轮胎噪声、发动机涡轮侧表面产生噪声、发动机汽缸盖表面噪声、进气噪声。

其贡献量占比如图7所示
图7. 3挡全油门加速工况各部分贡献量Figure 7. Total and partial contribution in gear 3
从图中可看出发动机噪声对通过性噪声贡献量占比较小，而轮胎噪声和排气噪声占比较大。

对比最大噪声对应的车辆位置来分析结果可靠性[4]，最大噪声处也发生在麦克风离排气管口和车辆后轮较近的位置，证明了轮胎噪声和排气噪声对通过性噪声的影响很大。

通过对发动机，轮胎和排气管等处采集的噪声进行频谱分析的方法，可以得到各组分敏感频率范围，找出贡献量最大的部分[ 5]，如图8～10所示，发动机噪声在主要集中于1300~2600Hz频率上，而发动机舱对于高频声有一定的隔绝作用，而且本次实验用的是3缸发动机，发动机功率较小，气缸数少，加速性能较差，在整个加速工况中负荷率不大，因而发动机的噪音较小。

对于胎噪主要集中在1000~2000Hz频率范围内，且后轮产生的噪声较大，与发动机前置后驱的驱动形式有关，后轴在急加速情况下载荷较高，后轮承受较大载荷，与转鼓摩擦增大，泵气效应增强，噪声显著增加；进气管整体产生的噪声水平较低；对于排气管，噪声主要集中在
25
0~1600Hz 频率段内，随着车速提高，排气噪声也在逐步增大。

图8. 发动机左侧噪声频谱
Figure 8. Spectrum of the noise on the left side of the
engine
图9. 左后轮处噪声频谱
Figure 9. Spectrum of the noise from the rear left
wheel
图10. 排气管处噪声频谱
Figure 10. Spectrum of the noise from tailpipe
图11.
麦克风阵列上噪声最大值处噪声频谱
Figure 11. Spectrum of the maximum SPL noise in
the microphone array
综合各因素发现，没有任何遮蔽的轮胎
噪声和排气噪声对通过噪声贡献量很大，且通过阵列上麦克风采集的噪声信号（见图11），其贡献量较大的频率范围为840-1300Hz ，与这两者频率范围接近，与发动机最大噪声的频率范围差别较大，验证了结果
的可靠性。

3．结论
基于获得的试验数据，得出的主要结论如下：（1）时域方法测量噪声贡献量是在通过噪声试验基础上进行，分析时需建立TPA模型，并需要借助麦克风阵列的工况数据完成贡献量分析，最终可以获得各噪声源随着车速变化的SPL曲线，可以分析任一时刻、任一状态下的贡献量，试验结果直观。

通过频谱分析，可以验证贡献量大的噪声来源
（2）噪声源的选取是保证试验结果准确性的关键因素，噪声源个数与位置直接决定了模拟出的总噪声级与实际测量总声压级的误差，因此在做贡献量分析试验时，可通过预试验分析确定试验车辆的主要噪声源。

对于发动机前置后驱动的车辆，最后在传动系统布置声源点和参考点以验证其对通过噪声的影响。

参考文献：
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2005 Noise and Vibration Conference and Exhibition
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[4]Shi Fei, Li Jianhua, Wang Liang. The prediction and
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[5]M E Braun, S J Walsh, J L Horner, et al. Noise source
characteristics in the IS0 362 vehicle pass-by noise test:
literature review [J]. Applied Acoustics, 2013, (74):1241-
1265.。