汽車關門聲音信號提取方法研究

趙建中，張瑞乾,2，宋洋勇，陳 勇,2

（1.北京信息科技大學，北京 100192；2.北京電動車輛協同創新中心，北京 100192）

0 引言

隨著技術的發展，人們生活質量的提高，人們對汽車的各項性能也提出了更高要求。汽車的關門聲音品質，也影響大家對汽車性能的評價，汽車廠已經開始逐漸重視對汽車關門聲音品質的研究。因此，分析研究并改善關門聲品質對提高汽車綜合性能具有重要意義[1～3]。目前對改善車門關閉聲音信號品質的研究僅僅是生產試驗車之后，尚不能在工程設計階段進行分析和優化，以達到改善汽車關門聲品質的目的。2005年，Zhidong Zhang與Shaobo Young建立了車門的有限元模型與邊界元模型，先利用有限元模型進行車門關閉碰撞分析提取設定測量點的響應速度，并將測得結果作為邊界元模型的邊界條件，最后進行分析計算出門板系統設定場點的聲壓信號[4]。楊川以降低關門碰撞能量為目標建立了優化模型，對比分析了優化前后關門聲輻射聲壓級的大小，驗證了該優化模型的對降低噪聲聲壓級的有效性[5]。

本文根據某公司汽車關門聲音品質改進專項，建立汽車關門碰撞及聲輻射分析模型，并進行仿真分析提取汽車關門聲音信號，在車型設計階段關門聲音品質進行分析。

1 基于有限元的關門碰撞分析

1.1 關門碰撞仿真分析理論基礎

在基于車門關閉噪聲的車門聲品質研究中應用顯式有限元法分析汽車車門關閉碰撞問題，就是把汽車車門關閉碰撞當作一般的接觸—碰撞問題。

根據彈性力學理論，可得：

平衡方程為：

物理方程為：

邊界條件為

初始條件為：

式中，σ為應力陣列；ε為應變分量；ρ為密度；μ為阻尼；V為體積；表示在Su域內彈性體的位移；是指在邊界Sσ域內已知彈性體單位面積上作用的面積力。

1.2 關門碰撞仿真模型的建立與仿真

1）車門系統有限元模型

樣車左前門車門系統總成結構如圖1所示，左前門總成爆炸結構如圖2所示，零件編號、名稱和材料如表1所示。

車門結構的有限元模型如圖3所示，模型中，飯金件與玻璃采用殼單元模擬，密封條、結構膠與鉸鏈采用的是六面體單元模擬。

圖1 車門系統總成圖

圖2 車門系統部件爆炸圖

表1 車門系統零件編號、名稱和材料

圖3 車門結構的有限元模型圖

2）部件連接

在左前門的有限元模型中，內板總成內部零件之間是點焊單元連接，抗凹加強板和門外板采用彈性六面體單元模擬結構膠，鉸鏈與側圍采用鉸鏈單元連接，密封條和側圍定義自動單面接觸。

3）材料參數

車門結構材料主要是沖壓鋼板，其力學性能指標有屈服強度、抗拉強度、延伸率，模型中材料參數如表2所示。

表2 模型材料及參數

4）施加載荷與仿真分析

在車門關閉碰撞問題分析模型中，車門系統運動在門系統鉸鏈處施加的角速度為1.2rad/s。碰撞分析測得車門外板與玻璃標記點位置的速度，并作為聲輻射分析的邊界條件，標記點位置如圖4所示。

圖4 關門碰撞分析標記點布置

對有限元模型進行分析計算，提取各標記點A～J的響應速度曲線。以A點為例，其響應速度曲線如圖5所示。

圖5 關門碰撞分析標記點A的速度曲線

2 基于邊界元法的聲輻射分析

2.1 聲輻射分析理論基礎

（1）邊界元法

1）直接邊界元法

對于模型的分析，首先建立系統方程：

式中，H和J是影響矩陣，p代表模型表面上的節點壓力向量，vn代表模型表面法線方向上的節點速度向量。通過計算系統方程，能求得模型表面上的聲壓、速度和聲強。

利用公式(7)計算任一場點處的聲壓Pp。

其中，aT表示聲壓系數矩陣，bT表示模型邊界法線方向上的節點速度的系數矩陣。

2）間接邊界元法

間接邊界元法是對系統方程(8)的求解，

式中B，C為影響系數矩陣；D是耦合矩陣聲；μ是速度跳動量；σ為壓力跳動量；f，g為激勵向量。

2）模態聲傳遞向量

通過聲傳遞向量（Acoustic Transfer Vector，ATV）可以計算模型所處空間中場點聲壓[8]，如公式(9)所示。

其中，p是場點聲壓向量，ATM（Acoustic Transfer Matrix）表示聲傳遞矩陣，vn表示模型表面法線方向上的振動速度。

作角頻率變換后，場點的聲壓：

式中，ATV是聲傳遞向量；ω是角頻率。

結構振動的位移響應能用線性組合獲得，如下式，

式中，u表示結構的位移；Φ表示模態的矩陣；

是由模態系數組成的向量。結構的位移向量在其的法線方向上的取值稱為結構振動速度，計算公式如下：

其中，Φn代表結構振動模態在其法線方向的分量矩陣，可得：

2.2 邊界元模型的建立及板件聲壓級輻射分析

1）邊界元模型的建立

由于要采集車門外的聲音信號，所以此處僅將車門外板與玻璃離散成有限單元，建立邊界元模型，網格大小為30mm，邊界元模型如圖6所示。設定介質為空氣，聲音速度為340m/s，密度為1.225kg/m2，響應場點坐標為（X:1600mm，Y:-1500mm，Z:1600mm）。

圖6 門外板和玻璃邊界元模型

2）聲壓級輻射分析

將關門碰撞獲得的響應速度作為邊界條件導入邊界元模型，對其進行聲輻射分析，圖7為車門系統在200Hz處的速度云圖。通過計算得出了速度邊界上每一個點到設定場點的聲傳遞向量，由此組成了聲傳遞向量在響應頻率范圍內的云圖，圖8給出了設定場點200Hz處的聲輻射傳遞向量云圖。

圖7 車門系統在200Hz處的速度云圖

圖8 設定場點200Hz處的聲輻射傳遞向量云圖

得到速度邊界條件與聲傳遞向量后，將邊界上的速度與聲傳遞向量代入式(9)即得到了場點聲壓。再根據聲壓級計算公式計算出場點聲壓級：

其中，p0是標準聲壓，大小為2×10-5Pa。

對計算出的聲壓級曲線與A計權修正曲線求和進行計權處理，最終得到設定場點計權聲壓級的頻域曲線如下圖。

圖9 設定場點聲壓級

3 試驗驗證

3.1 車門關門聲音信號的采集試驗

車門關閉聲壓信號采集試驗對環境要求非常嚴格，所以在同濟大學靜音房對樣車進行聲壓信號樣本采集。在采集聲壓樣本時汽車應處于熄火狀態，關閉所有車門、車窗及其它電器設備；盡量保持每次的關門力值近似相等。實驗儀器設備有筆記本電腦一臺、傳聲器一臺與10米長的麥克風低噪音電纜、聲壓標定器一臺、數據采集前端LMS SCADAS與能保證恒定關門力的關門機構。確認試驗設備狀態良好，均能正常工作。

在采集車門關門聲音樣本之前，需對設備設定相關參數[9]：關門機構的關門力設定為90N，以保持每次的關門力值近似相等；傳聲器安裝在距汽車左前門外側0.6m、高1.6m的正對門鎖位置；用聲壓標定器對聲壓傳感器進行標定后的靈敏度為49.34128mV/Pa。采集參數設置如下：采樣時間為5s；分析頻率為10240Hz；采樣頻率自動設置為20480Hz；頻譜上相鄰兩點的間隔即譜線寬度為1Hz。

汽車關門聲壓信號采集試驗的步驟為：

1）對傳聲器進行標定；

2）傳聲器放置在汽車左前門外正對門鎖位置，按要求安裝調試；

3）設定Test.Lab初始參數；

4）設定關門機構的關門力為90N，將車門從全開的狀態關上，同時，采集關門聲壓信號樣本。

按照以上步驟，測得車門關閉聲音樣本，如圖10所示。

圖10 樣車關門聲音信號聲壓波形

3.2 驗證仿真結果

將試驗采集到的聲壓信號進行傅里葉變換，驗證仿真分析得到的聲壓信號，結果如下圖所示。

圖11 設定場點聲音信號波形

圖12 聲音信號相對誤差

從圖中可以看出，聲音信號仿真結果最大相對誤差σmax為4.62%；為了更好的分析聲音信號仿真結果的誤差，計算得出聲音信號的平均相對誤差為3.04%。

4 結束語

本文針對汽車關門聲音信號僅能在制造出樣車后才能通過試驗獲得，建立了一套仿真分析方法。通過建立有限元模型和邊界元模型，對汽車關門碰撞進行仿真分析，提取聲音信號，并與試驗結果對比，驗證了該分析方法的有效性與可行性。

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