基于声强法的车辆车外噪声源的识别

2007 基于声强法的车辆车外噪声的噪声源识别 南京航空航天大学车辆系 翁建生（南京 210016） 摘要： 车辆车外噪声对环境污染是当今城市交通环境噪声污染的主要污染源。开展汽车车外加速噪声控制研究，既是满足国家环保的需要，也是为汽车制造厂商提供解决所面临的难题的需要，可大大提高汽车生产厂商产品的自主开发能力。本文应用声强测试方法对某车型的车外定置噪声源进行识别，测试确定了主要的声源部件，并提出了相应的改进措施。同时，对影响声强测试精度的因素和测试背景声场的要求进行了分析。试验结果表明声强测试方法可以比较准确定位整车的车外噪声声源。 1、引言 随着我国汽车工业的跨越式发展，汽车已普及和大众化。可是，由此产生的汽车车外噪声对环境污染也日益严重。据统计，南京市主要交通干道的平均噪声超过 80种现象在我国大多数城市普遍存在。据有关统计数据，交通噪声污染占城市环境噪声污染的 75%，已成为现代城市噪声污染的主要噪声源。为了减小汽车车外噪声污染对社会的危害，各国不断制定日益严格的法规使得机动车辆产品的噪声限值日益降低。我国于 1979 年和 2002 年先后颁布了有关汽车噪声的强制性国家标准。最新标准要求达到与国外先进水平相当的汽车噪声限值，以此缩短我国汽车噪声限值水平与国外的差距。针对汽车产品，其噪声形成机理和控制方法的分析研究受到学术界和工程界的广泛重视。噪声控制已成为学术界和工程界共同关注的热点问题。总之，开展汽车车外加速噪声控制研究，既是顺应国家环保的需要，也是为汽车制造厂解决实际面临问题的需要，可大大提高汽车生产厂商产品自主开发能力。同时，将有助于我国汽车的噪声与振动研究水平的提高，紧跟世界汽车 制理论和技术的发展趋势，为以后汽车振动噪声问题的研究有重要的指导意义。 汽车是一个非常复杂的机电产品。其振动噪声的激励源主要来自发动机、动力传动系统、路面和行驶时风激励。汽车的车外加速噪声在车速 60km/h 以内时，以发动机噪声和传动系噪声为噪声源。由于，发动机和动力传动系的主要部件和运行状态的不同，各部件产生的噪声强度不同，对车外噪声的贡献量不同。从声学理论和生理声学分析可知，人们对声音的感受具有非线性特征和掩盖效应。因此，在噪声控制中，必须对发动机和动力传动系的主要部件在不同运行状态下噪声对车外噪声的贡献量进行识别，识别出最主要的噪声源，采取相应的措施，进行噪声控制。噪声源识别方法有多种，分别运行法、选择隔声法、声强法、相干分析法与频谱分析等等。声强测量技术由于对测量环境的要求不是十分苛刻，不需要价格昂贵的消声室，可以在机器运行时进行现场测量。因此，在 70 年代末该技术问世以来被广泛应用于声源辐射声功率的测量、声场分布和声源识别等领域，受到学术界和工程界的广泛关注和应用。同样，也被广泛地用于识别汽车和发动机的表面声源。 2、声强测试与分析方法 声波在原先静止的媒质中传播，一方面使媒质质点在平衡位置附近来回振动起来，同时使媒质产生了压缩和膨胀的过程，前者就使媒质具有了振动动能，后者使媒质具有了形变位能，两部分之和就是由于声波使媒质得到的声能量。声波传播，声能量也跟着传播，因此可以说声波的传播过程实质上就是声振动能量的2007 播过程，即声场介质的动能与弹性势能这两种能量形式随空间、时间相互转换的过程。瞬时声强是瞬时声压及瞬时质点速度的乘积，所以声强测量仪器应能同时实测出这两个瞬时量，然后加以相乘。声强测量方法可以分为两类：一类是将传声器和直接测质点速度的传感器相结合，可简称为 。另一类是双传声器法，可简称为 。目前，后者比较常见。对于在频域测量，声强计算 （1 ） 式中是双传声器的双连互谱；f, d, 分别是频率、双传声器之间的间距和空气密度。 一般来说，汽车或发动机各组成声源的噪声形成机理不同，使每个声源的噪声特点有相当差别，能量分布的频谱范围有的位于全频带，有的位于中、低频或高频。因而，在了解各组成声源噪声频谱特点的情况下，测量汽车或发动机的总噪声谱可以分析出各组成部分噪声贡献幅度。由于在汽车或发动机所测的噪声频谱图上，总要出现几个峰值，该噪声的主要能量就集中在这几个频率处，特别是集中在最高的那个峰值频率处。车外噪声是由各组成声源所辐射的噪声在测点处叠加而成，其总噪声的频谱，则是各组成声源的频谱在该测点处叠加（空间矢量的叠加）的结果。若其组成声源频谱上的峰值频率，与车外总噪声频谱上的某一峰值频率相对应时，就说明了车外噪声在该频率处的噪声能量，是由上述某组成声源所作的贡献，即在此频率上，它是主要噪声源。特别是上述两频谱最高峰值频率相对应时，该组成声源就可能是车外噪声的主要声源。另外，声音来源于振动，声辐射表面的振动谱，与其辐射的噪声谱之间有很好的相关性。 70 年代以来，由于计算技术的发展和微处理饥的应用，在谱估计技术基础上发展了应用于噪声源识别的相干技术。使用相干技术识别噪声源的工作获得了迅速进展。对相互独立的噪声源，在背景噪声不高的情况下，用常相干函数法能够正确识别噪声源并排列出它们的主次效应。通过声强测试方法，运用频谱分析和相干分析可识别车外的在不同频带上的主要声源。 声强测量误差主在有有限差分误差、双传声器的两个测量通道之间存在有相位失配产生的误差和测试系统误差组成。对于有限差分误差，理论分析表明，当双传声器之间的间距不同的，测量不同高频声音时，产生实测值比真值低。测量高频噪声时在选取小的双传声器之间的间距，低频噪声时，选取大的双传声器之间的间距。理论分析表明，双传声器的两个测量通道之间存在有相位失配产生的是低频误差，在提高低频噪声测试精度，应选取选取大的双传声器之间的间距。 用声强法测量某一设备发出的总声功率时，稳态的背景噪声理论上对测量精度是没有影响的。但是，若测量的是辐射的声强，则背景噪声的影响决定于辐射面的吸声性能。 通常，声强测量精度的指标是用压强指数表示。声压和声强一样都是用以10为底的对数度量的，称为声压级和声强级。从理论分析可知，同一测点上的声强级和声压级理论上应是一致的。但是 ，实际测量结果显示两者之间有差值，此差值称为压- 强指数，产生声压级和声强级差别的原因就在于声强测试的误差，它是由多种因素综合的结果。因素之一是所测声场的性质。例如在一无功声场中，声压值可以很高，而声强却很低。因素之二是声强探头在声场中的位置及方向。由于上述这些因素，使声压级和声强级之间存在着差异。差异越大，测量越不精确。压- 强指数的测定方法很简单，用测得的声压级值减去声强级值就可得到。若将探22007 置于特殊控制的一致声场中，两个传声器之间的声场相位差为零，此时的压- 强指数这称为残留压- 强指数，残留压- 强指数反映基准相位差和两通道相位失配之间的比值。残留压- 强指数灵敏的绝对值越大，说明两通道相位失配越小，该测量系统的测量精度越高。残留压强指数测定是用一对传声器被对称的安装在耦合器上，接收到由噪声发生器发出的相同噪声，双传声器的输出信号输入分析仪。若两通道相位一致，所以分析仪即会显示出残留的声强级，此残留声强级就是由双传声器的相位失配所造成的。同时测出声压级，将两者相减就得到残留压强指数。残留压强指数和压强指数之差称用相位误差指数表示，代表相位失配与声场相位差之比。为了保证测量精度在1内，残留压强指数应大于7而压- 强指数应趋近于零，所以相位误差指数应大于7 1993年， 于测量声强，614准规定了测量的条件。主要指标是 （1 ）声场时间变化指数 （ 2） 式中M 段短时平均声强平均值。 （2 ）压- 强指数 （3 ） 式中声压级， （4 ） 是指在探头的轴线方向 n 上测得的声强级。 值大表明声强探头相对声源不在法线方向或是混响声强。 2F（3 ）虚部声功率指数 （5 ） 式中 （ 6） 如果 是负数，表明外部声源太大，不满足 614准规定的测量的条件。 3F（4 ）空间和位置的非均匀指数 32007 7） 式中 i 和 N 分别表示测量的面和总的测量面。 对于测试场，可根据四个指标确定，其准则是 （1 ）动态声压变化要大于压- 强指数 20 （ 8） 如果这一准则不满足，表明要测量的声源功率太不，必须减小测量探头与声源之间的距离。 （2 ）压- 强指数与虚部声功率指数相差不大于 3果这一条件不满足，表明在测量方向上有一外声源在被测量声源附近。通过减小测点与声源距离、覆盖外声源和减小周围反射的方法解决。 （3 ）测量点数必须满足 ，式中 N 为测量点数，C 为与测量频带和精度相关的常数，见表 1。 4 of C 1/3 635019 11 2502009 19 100080057 29 6300 19 14 A 63 - 4k 0 - 8 3、某轻卡车外定置噪声源的声强测试与结果分析 本文以某国产轻型载货汽车为研究对象, 整车外形尺寸： 4500*1580*1920 ，整备质量 1380 (标定总质量 2390 (起步连续换档加速到 65km/h 的时间小于 60 (s)，最高车速大于 80(km/h)。按 150891994机动车辆分类的规定, 属于 车辆; 根据 002 的规定, 其加速行驶车外噪声限值应为 78 )。 根据 2002 年 1 月 4 日颁布了 4952002汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法国家标准规定的测量方法, 应用比利时 际公司 7B 中车外通过噪声测试软件模块对该车的加速行驶车外噪声进行了测量, 得到其加速行驶车外最大噪声为 85.3 ) ,超出噪声限值标准 7.3 ) 。其通过噪声的频谱见图 1。为了使该轻型载货汽车的加速行驶车外最大噪声满足国家标准的限值要求, 对其进行噪声源识别并采取措施进行了降噪处理。 对某轻卡通过噪声的测试可知，通过噪声的主要频率分量在发动机激励频率以上的频带内。噪声源识别通过车辆定置状态下，使用的是丹麦 司生产的声强测试探头和比利时 际公司 态测试前端和 B 中声强测试与分析软件模块进行测试分析。 该系统为了减少测量时的有限差分误差和相位失配误差, 在测试前用丹麦 司 51强测试校准器对声强测试探头进行校准。根据车外通过噪声测试的频谱分析，确定测试频带，选取 12.5 传声器间距声强测量探头。测试在空旷场地上进行。车辆分传动系不运转和运转两个状态。轻型载货汽车的传动系运转状态是通过将后桥支起使左、右后42007 动轮离开地面，使测量结果中包含传动系噪声。测试时在车的前面及左、右两侧距离车体 50的平面内布置 40 个测点的测量网格, 前面网格 24 个测点的网格。在转动系不运转工况下，驾驶员起动汽车, 分怠速运行、加速和油门最大三个状态分别测试各测点声强。在转动系运转工况下，变速器挂 3 挡, 将车速控制在 50 km/h, 用声强探头分别对 3 测量面上的各个测点进行测量。测量结束后, 将所得数据用 1 /3 倍频程频谱图及声功率图。通过测试分析可得到压- 强指数、虚部声功率指数和空间和位置的非均匀指数在大于 25带内均满足 准。 (A) ( A )图 1 某轻卡通过噪声测试的频谱图 图2 车辆急加速时，传动系不运转时排气侧在1/3倍频程1000强三维色斑图 从图2 车可以得出在1/3 倍频程1000心频率处发动机后部与油底壳前端、排气口声强最大。通过对各频段分析可得出不同频带下的声源最强部件。表3 给出了车辆急加速时，传动系不运转各频带声强最大部位。 从表中可以总结出急加速状态车外噪声右侧，主要是排气口位置、发动机和油底壳、消声器、风扇和正时齿轮壳产生的噪声。 在声强测试基础上，结合近声场声强测试不同部位表面 100 处的声强，可得表 3 各主要部件的近声强数据。 52007 表 2 急加速状态车外噪声（排气侧）最大位置 频率侧（排气）声强定位 右侧（排气）声压定位 50 排气口 排气口 63 排气口，消声器 排气口，消声器 80 排气口，消声器后部，后轴 后轴，排气口 100 排气口，消声器后部 后轴，排气口 125 排气口，发动机油底壳中部 排气口，消声器，发动机油底壳 160 排气口，消声器后部 排气口，消声器后部（空滤器） 200 发动机油底壳中部，后轴，正时齿轮，风扇 正时齿轮，风扇，发动机油底壳 250 消声器后部（空滤器） ，风扇 消声器 315 消声器后部（空滤器）， 消声器 400 排气口，消声器 排气口，消声器 500 排气口， 排气口 630 后轴，正时齿轮，风扇 后端，油底壳，风扇 800 发动机油底壳中部，变速器中部 发动机油底壳中部，变速器中部 1000 排气口，离合器前端，油底壳后端，正时齿轮 排气口，离合器前端，油底壳后端，消声器，正时齿轮 1250 离合器前端，油底壳后端，排气口，风扇，正时齿轮， 离合器前端，油底壳后端，排气口，正时齿轮，风扇， 1600 正时齿轮，离合器前端，油底壳后端， 正时齿轮，离合器前端，油底壳后端， 2000 消声器后部（空滤器），离合器前端，油底壳后端， 消声器后部（空滤器），离合器前端，油底壳后端，风扇 2500 离合器前端，油底壳后端，变速器中部 离合器前端，油底壳后端，变速器中部 3150 变速器中部 变速器中部 80， 630，排气口 消声器，油底壳后部与变速箱，正时齿轮 排气口 消声器，油底壳后部与变速箱，正时齿轮 表 3 测量近场噪声及声强测试结果 测量近场噪声及声强 测量 怠速 排序 急加速 排序 高速 排序 发动机顶部 （左座椅下） ） 8 ） 6 发动机顶部 （右座椅下） 0 进气口 2 1 10167 10 空滤 1 2