某型汽车空气路径噪声贡献分析

王玉雷，王晨光，徐炳桦，刘杰昌，黄 煜

（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545007；2.上海交通大学 振动、冲击、噪声研究所 机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）

汽车内噪声主要通过结构路径和空气路径传递。结构路径噪声主要是轮胎不平衡动态力、路面激励、发动机燃烧、发动机和传动系统旋转部件不平衡以及其他部件的相对运动产生的动态力直接或间接传到车身，引起车身振动，进而通过车身壁板等振动辐射到车内[1–3]。空气路径噪声的传递方式中的一种是车外噪声通过车身缝隙直接传递到车内，另一种是透过车身板结构传递到车内。从车内噪声的频率角度看，低频噪声主要是结构声，而中高频段主要是空气声。但随着技术的发展，结构路径噪声对车内噪声的贡献大大减小。虽然空气路径噪声仍然是车内噪声的主导，但个别频率的空气路径噪声峰值会对车辆的噪声品质产生影响。特别地，近年来随着电动汽车的推广，结构路径噪声最主要的激励源之一的燃油发动机在电动车内已不复存在研究空气路径噪声的重要性随之显现出来。

结构路径噪声贡献的不断减小，使对空气路径噪声贡献的研究越来越有意义[4–5]。国内已有人通过声学矢量法对空气路径噪声贡献进行了分析[6]，但针对某一具体型号的车辆，采用谱分析的方法分析噪声贡献的研究较少。

本文建立了某型汽车从发动机舱、排气管和轮胎到车内副驾驶人耳的空气路径噪声贡献分析模型，根据互易原理[7–9]通过实验测得了噪声源到目标点的声声传递函数以及汽车在高速行驶工况下的声源噪声，比较了偏相干分析、声学矢量分析计算噪声贡献量的适用情况。最后，结合谱分析理论，计算各个空气声源点对车内人耳目标点的噪声贡献量，比较在不同工况、不同频率下各个空气声源的贡献大小，针对降低空气声贡献提出了一些合理化建议。

1 工程问题的提出

汽车内噪声来源主要由结构路径和空气路径所构成，空气路径噪声贡献大小虽通常不如结构路径噪声贡献大，但却反映了汽车的隔声水平的高低，在个别频率下较大的空气路径噪声贡献会影响整车的振动噪声水平，给乘客带来不舒适。

在对汽车空气路径传播噪声进行分析时，需要正确地建立从输入到输出的传递路径分析模型，准确测试激励到响应的传递函数，再结合实际运行工况下的激励信号，对各个空气路径的贡献进行分析，找出对车内噪声贡献较大的空气噪声路径。

2 方法

2.1 空气路径贡献分析模型建立

车内副驾驶右耳目标点的噪声是各个噪声源共同作用的结果。首先建立空气路径声源到车内目标点的多输入单输出模型，如图1所示。

图1 空气路径噪声输入输出模型

输入信号x与输出信号y通过实车试验得到，传递函数h通过在半消声室内的静态声声传递函数实测得到，在实际行驶工况下车内副驾驶右耳的总响应还包括噪声信号及通过其他路径传递到人耳的响应。

2.2 互易法与传递函数计算

互易法的主要思想是：如果系统是被动的和时不变的，振动传递不随激励点和观测点的位置变换而变化。也就是说互易原理表示系统在某一方向上的传递路径等于相反方向的传递路径。针对汽车激励源到目标输出点的传递函数测量，可以将扬声器布置在输出目标点上，测量实际目标点到实际激励点的传递函数，这一结果和在各个激励源分别布置扬声器测量传递函数得到的结果是相同的。用公式表示互易法测量声学传递函数如下

其中：H(ω)i,j是噪声源j 到目标点i 的传递函数，Pi为目标点声压，P'j为噪声源声压，Pj为将噪声激励源转移到位置i之后目标点的声压，P'i为噪声激励源位置为i时的噪声源声压。

计算声声传递函数前首先对输入信号和输出信号进行相干性分析，输入信号与输出信号有较强的相干性是传递函数计算结果正确且有意义的必要条件。

输入和输出点之间的常相干函数用下面的表达式计算

若输入与输出的相干函数接近于1，则他们之间的传递函数可以用下面的表达式计算

其中：Gxy(f)为互功率谱密度函数，Gxx(f)、Gyy(f)为自功率谱密度函数。

在消声室环境中，在车内和车外布置传声器来测量声压级大小，可以得到车身的噪声降低量，评价汽车隔声水平，噪声降低量用NR表示

式中：NRio为噪声降低量，SPLin为车内声压级，SPLout为车外声压级。

2.3 传递路径贡献分析方法

传递函数根据互易原理在半消声室测得，噪声激励在实车工况下测得，在得到激励噪声和传递函数后可以计算每条路径的贡献量，根据TPA理论，贡献量计算有声学矢量法、偏相干输出法、重相干输出法等。

声学矢量法即为对于单一频率，由各条路径在输出点用矢量合成的方法得出总声压，贡献量等于各个传递路径在输出点所产生声压信号在总声压信号向量方向上的投影。各个路径在目标点产生的声压与总声压可能同向或反相，贡献可正可负，这取决于各条路径声压矢量与总声压矢量之间的夹角。声学矢量贡献表达式为

其中：Pxi为第i条路径对目标点的噪声贡献，Pi为第i条路径在目标点所产生的声压，θi为第i条路径在目标点所产生声压与总声压向量之间的夹角。

但是，这种方法适用于各个源相干性较强的情况，对于源之间相干程度低的情况，稳健性较差。对于稳态工况的计算分析，在对频域信号进行平均后，也不适用这种方法。

偏相干输出功率谱的计算分析也是解决多输入单输出问题的重要方法，例如一个三输入单输出系统有以下公式成立

其中：Gyy表示输出自功率谱，Gnn是噪声输出谱，记号∙1∙2∙…表示排除x1,x2,…引起的部分为源2 的偏相干输出谱为源3 的偏相干输出谱。

目标点自功率谱等于重相干输出功率谱与噪声输出谱之和，也等于各个源的偏相干输出谱与噪声输出谱之和。

应当注意的是，各个源的顺序选择对偏相干输出功率谱的计算与结果的解释影响很大，且偏相干输出功率法得不出每个输入造成的输出比例。

针对每一条路径对输出的贡献计算在输入信号混叠较严重时可以采用偏相干输出功率谱的方法，同时要反复更换各个源的顺序，比较计算结果的不同，计算源之间的相干性，确定各条路径的贡献大小，这种方法在输入信号独立性强的情况下意义不大。

车内人耳处噪声由空气路径所引起的部分可以通过计算重相干输出功率谱的方法确定。输出y与所有产生y 的输入xi之间的重相干函数定义为预计的理想线性输出谱Gvv与总测量输出谱Gyy之比，于是

式中：Gnn是噪声输出谱，则有重相干函数表达式

其中，记号y:x表示y因x1,x2,…引起的部分，为重相干函数。

将重相干函数与输出谱相乘得到重相干输出功率谱

重相干输出功率谱的物理意义是在总的输出功率谱中，由已知输入引起的输出功率谱部分。

在各个输入信号独立性较强的情况下，各个空气路径声源对车内噪声点的贡献由下式确定

其中：Gxixi为第i 个输入通道的自功率谱，Hxiy为第i个输入通道与输出y 之间的传递函数，由半消声室实验测得，contrixi为第i个输入通道的贡献功率谱。

通过奇异值分解可以确定输入信号中独立源的个数，奇异值的大小作为信号能量的量度，信号能量高则认为有较大独立成分，可以对输入信号做奇异值分解判断其独立性。

奇异值矩阵Λ中对角线上非零元素的个数等于独立信号源的个数，由于实际测量时干扰和误差的存在，奇异值为零的情况很少出现，可以根据奇异值的截断误差来确定独立信号源个数，一般从最大奇异值向下截取20 dB，所包含的奇异值个数认为是独立信号个数。

3 实验测量

3.1 声学传递函数测量

声学传递函数测试在半消声室中进行，由布置在车内靠近副驾驶车窗侧人耳的扬声器发出正弦扫频信号，有效频率范围为200 Hz～20 00 Hz，布置在副驾驶人耳位置的麦克风与布置在发动机舱、轮胎和排气管附近的麦克风接收这一声信号。测试时保持车辆定置，车窗车门关闭，记录车内目标点与发动机舱、排气管和轮胎位置的声信号。车内扬声器与车外麦克风的布置如图2所示。

3.2 实车工况噪声激励测量

要确定空气路径噪声对车内噪声的贡献量，还需要测量在实际行驶工况下各个空气声源的实际激励输入。在车内副驾驶右耳位置布置一个传声器测量目标点噪声信号，在发动机舱、排气管和四个车轮位置各布置一个传声器测量空气路径声源激励信号。在传声器校准完成后，安装上防风球。测试工况为5档80 km/h和100 km/h，速度达到要求并稳定后，开始记录数据，每组数据要求持续时间在15 秒以上。

图2 车内扬声器与车外麦克风的布置

实验结束后，从最终数据中选择测试时运行较平稳的一组或几组数据进行分析，虽然60 mm 直径防风球在高速来流下可以有效降低风噪声干扰[10]，但是气流拍打传声器振膜还是会对测量结果产生一定影响，为此，结合文献中高速气流下风噪声数据对车外的噪声测量结果进行了修正。由于输入点到输出点的传递函数只有在200 Hz～2 000 Hz才是可采信的，下面的贡献分析频率范围均为200 Hz～2 000 Hz。

4 结果和讨论

4.1 传递函数测试结果

部分空气路径输入点到目标点的常相干函数和传递函数计算结果分别如图3、图4所示。

图3 车外各个测点与车内目标点相干函数

观察目标点与各个输入点之间的相干函数可以发现，在扬声器发声的有效频段内，输入和输出点的相干性接近于1，相干性极好，说明传递函数的测试结果是可以采信的，但是在图中某些频率处，相干函数较低，这些频率处对应的输入与输出之间传递函数是不可采用的。

图7所示传递函数根据互易原理确定为空气路径噪声源到车内目标点的传递函数。

图4 空气声传递函数幅值

该型汽车部分位置的噪声降低量如图5 所示。可以发现，频率越高，车身的隔声效果越好。

图5 各个声源到车内噪声降低量

4.2 输入信号独立性分析

采用奇异值分解方法判断所有输入信号独立成分个数，结果如图6所示。

图6 输入信号奇异值分解结果

最大奇异值与最小奇异值之差在20 dB 内共包含6个信号，同输入信号数目一致，可以认为输入信号独立性较好，不存在较强的混叠现象。因此下面采用重相干输出功率谱的方法计算总的空气路径声贡献量。

4.3 空气路径噪声对车内噪声的贡献分析

在100 km/h 和80 km/h 工况下汽车运行的重相干输出功率谱和各个空气声传递路径的贡献如图7至图10所示。

图7 空气路径声重相干贡献谱（100 km/h）

图8 各个空气声路径贡献谱（100 km/h）

图9 空气路径声重相干贡献谱（80 km/h）

从图7和图9中可以发现，空气路径噪声对于车内噪声贡献较小，但在个别频率下仍会对车内噪声产生较大影响。无论100 km/h 还是80 km/h，在250 Hz～260 Hz范围内车内噪声都存在明显峰值，这正对应轮胎的空腔共振频率。空腔共振噪声是由从路面输入激励使轮胎和车轮构成的超低压空腔声响系统共振而产生。

对于主要峰值频率为254 Hz 的空气路径噪声贡献作单独分析，结果如图11所示。

图10 各个空气声路径贡献谱（80 km/h）

图11 频率为254 Hz时空气路径声贡献（100 km/h）

右前轮贡献最大，左前轮其次，其他位置空气声贡献较小，距离目标点更近的声源位置对输出响应的贡献更大。

在100 km/h 工况下，在298 Hz、323 Hz 和348 Hz 处都出现了较大峰值，在298 Hz 处，空气声的贡献量相对其他频率处较大，在这一频率下对各个空气路径声的贡献进行了分析，结果如图12所示。

图12 频率为298 Hz时空气路径声贡献（100 km/h）

在这一频率下左前轮与右前轮贡献最大，轮胎的空气声路径贡献大于发动机舱和排气管的空气声贡献。观察全频段贡献谱图可以发现无论哪一组工况，左前轮与右前轮的贡献在绝大多数频率下是最大的，在80 km/h 匀速工况下，左右前轮与其他空气路径声源的贡献的差距会缩小。

汽车行驶过程中测得的数据显示后轮相对前轮噪声更大一些，但是由于传递路径较远，传递函数偏小，导致对副驾驶右耳目标点的噪声贡献没有前轮的贡献大，这又证明了传递函数对空气声贡献影响较大，对车辆进行整改时建议减少前轮位置车身的孔隙。

并不是所有频率下轮胎噪声的贡献都大于其他位置的空气路径声贡献，从图8和图10中可以发现，2 种工况下频率在800 Hz 时，发动机舱空气声贡献均较大，以100 km/h 工况为例，对800 Hz 下噪声贡献进行分析，结果如图13 所示，这一频率下发动机舱贡献明显大于其他空气声路径，应予以关注。

图13 频率为800 Hz时空气路径声贡献（100 km/h）

5 结语

本文针对某型汽车发动机舱、排气管和轮胎的空气路径噪声贡献进行了研究分析。通过研究发现，在以较高速度匀速行驶的条件下，空气路径噪声贡献处于次要地位，空气声的贡献相对车内实际噪声要小10 dB～20 dB，随着车速的增大，空气声对车内噪声贡献的比例逐渐增大。尤其在高频下空气声的贡献甚至要超过结构声的贡献，但是在1 000 Hz以下的低频区域仍以结构路径贡献为主。

这一车型应用时较少在100 km/h以上的速度下行驶，对空气声改进的优先级在结构声之后，但对于空气声贡献较大的单频应作重点分析。在绝大多数频率下，左右前轮对车内目标点的噪声贡献要大于其他位置空气声贡献，整体看来，距离目标越近的空气声源位置对目标点的噪声贡献越大。