基于臺架的真空泵車內噪聲計算方法研究

李登山 湯樂超 趙偉 胡杰宏 陳曦

摘? 要：真空泵噪聲問題是電動汽車突出問題之一，如何基于臺架噪聲預測真空泵車內噪聲成為一項重要的研究課題。基于臺架噪聲聲源轉換，結合聲傳函（Acoustic Transfer Function，ATF）測試結果，推導了真空泵車內噪聲的計算公式，并進行試驗驗證。試驗結果表明，該計算方法準確有效，與試驗誤差在1.5dB（A）左右。該計算方法對車輛噪聲子系統目標分解選型具有重要參考價值。

關鍵詞：真空泵;臺架噪聲;聲源轉換;聲傳函;車內噪聲預測

中圖分類號：U461.4? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2020）03-0016-06

Abstract： Vacuum pumps noise is one of the major problems in electric vehicles. How to precisely predict interior noise induced by vacuum pump has become a research point. Bench noise source conversion combined with Acoustic Transfer Function test results， the formula for calculating the interior noise can be derived. After the test verification， the results show that the calculation method is accurate and effective， which predictive error is about 1.5dB （A） .It provides important reference for target decomposition and selection of vehicle noise subsystem.

Key Words： Vacuum Pump; Bench Noise; Source Conversion; Acoustic Transfer Function; Interior Noise Prediction

引? ?言

隨著汽車技術的發展和國家政策的引導，電動化已成為汽車行業發展的重要特征之一，因沒有傳統發動機的掩蔽效應，真空泵等輔助系統噪聲問題更加明顯[1]。隨著開發周期縮短和試驗物理樣車減少，如何在早期預測真空泵車內噪聲變得更為迫切。

當前國內外的研究人員一般是通過仿真的方法計算車內噪聲，但在工程應用中有很多局限。汽車噪聲通常為寬頻噪聲，需要結合有限元、邊界元、統計能量法等多種建模方法進行混合建模[2-5]，需要輸入大量的內外飾材料參數與多項試驗調試，需要大量的數據積累且對試驗資源占有較高。此外，一些車內噪聲仿真的關鍵細節仍難以模擬，如車身孔隙分布、隔音墊貼合情況和過孔的細節等。基于實際或相近車型的聲傳函，計算附件系統的車內噪聲更具現實意義。

本文通過試驗的方法計算車內噪聲，需進行聲源載荷識別和傳遞路徑識別。聲源載荷識別可分為實車近場測量和臺架噪聲測量[6-8]。實車近場測量時有兩個問題難以解決：一是輸入信號之間相互影響，容易造成計算結果偏大，需要進行修正[9];二是聲源附近的聲壓受到周圍環境空腔模態和吸聲性能的影響，此部分影響在傳遞路徑識別中已經涵蓋而被重復計算。本文采用消聲室環境下的臺架噪聲測量，無上述問題。

傳遞路徑識別可分為空氣傳播噪聲和結構傳播噪聲。中高頻噪聲如風噪聲、電磁噪聲等，主要是空氣傳播噪聲;中低頻噪聲如鈑金振動噪聲、路面噪聲等，主要是結構傳播噪聲[10]。本文中真空泵與電機總成之間通過橡膠襯套隔振，電機總成和車身之間通過懸置隔振，所以真空泵兩級隔振后輻射的結構傳播噪聲很小，可認為真空泵車內噪聲主要為空氣傳播噪聲，傳遞路徑中僅測量聲傳函。本文中為避免聲源布置空間的限制采用逆向法進行測試[11-13]，即乘員艙布置聲源，機艙布置傳聲器。

汽車真空泵臺架噪聲和聲傳函通常局限于與對標車單獨比較，沒有用來預測其車內噪聲。本文通過聲源轉換將兩者有效結合起來，并通過試驗驗證了計算方法準確有效。該方法增加了項目開發的可控性，對車內噪聲子系統目標分解與選型具有重要意義。

1? ? 真空泵車內噪聲頻譜特征及傳遞路徑

真空泵是一個常見的電動車輔助系統聲源，當真空助力器真空度不足時，真空泵會接入蓄電池電源向外泵氣，泵氣過程一般持續約15秒，期間會產生空氣動力性噪聲、內部機構運轉振動的機械性噪聲和電機的電磁性噪聲。當電動車踩下制動踏板剛要啟動時，車內真空泵噪聲很明顯。

真空泵發聲時，車內前排后排等不同位置的響應有所差異，本文選擇用車內的駕駛員內耳位置作為代表進行研究。將測試車輛置于半消聲室內，關閉汽車空調等設備，測出駕駛員內耳背景噪聲，再讓真空泵工作，實測駕駛員內耳噪聲及其背景噪聲見圖1：

一般噪聲超出背景噪聲6dB（A）后，人可以明確感知。從圖1中可以看出，真空泵車內噪聲2500Hz以上的頻段聲壓級與背景噪聲差距不足6dB（A），本文不進行研究，而主要研究三分之一倍頻程315～2500Hz。

真空泵空氣傳播噪聲向車內傳遞可以將聲音能量分為3部分，如圖2所示：第一部分為直接傳入聲，聲音直接通過車身壁板或縫隙傳遞到車內，此部分能量主要取決于與乘員艙隔聲性能;第二部分為間接傳入聲，聲音在傳播過程中被地面縱梁等物體反射，最終間接傳入到車內，此部分能量主要取決于機艙吸聲性能;第三部分聲音在傳遞過程中不斷衰減，被聲學材料吸收或散失到大氣中。

2? ? 真空泵臺架噪聲測試與聲源轉換

2.1? ?臺架噪聲測試

消聲室中將真空泵懸吊起來，通過導線接入穩壓電源，保證臺架真空泵工作電壓與在整車上工作電壓一致。參考GB/T 1859，在真空泵“上、下、前、后、左、右”6個方向各布置一個傳聲器。為了構建標準的球形輻射面，本文中以真空泵中心而不是真空泵表面為參考布置傳聲器，傳聲器距離真空泵中心0.5m，如圖3所示：

測試結果見圖4：

2.2? ? 聲源轉換

真空泵近似于一個圓柱體，底面直徑約94mm，高度約137mm，在電機艙中的安裝位置見圖5：

通常真空泵表面輻射不均勻，為簡化計算，本文中將其平分為6個輻射面，假設每個輻射面內噪聲輻射均勻。這樣可以將臺架中真空泵等效為6個六分之一球面聲源。假設真空泵右側因緊靠電機壁面而導致右側聲音全部反射到其他方向，反射能量按照“上、下、前、后”輻射的聲功率比例分配，根據能量守恒定律可將6個面聲源轉換為5個面聲源。假設這5個面聲源均通過真空泵附近對應方向的點輻射噪聲，可將5個面聲源轉換為5個等效點聲源。最終，聲源轉換過程如圖6所示：

本文中假定聲源輻射方向的變化產生的影響可忽略，主要有兩個原因：一方面，真空泵附近存在前縱梁、前圍板、電驅總成和機艙護板等多個壁面，聲音會在這些壁面間來回反射而近似形成一個混響場，削弱了聲音指向性的影響;另一方面，真空泵尺寸相對于傳遞路徑來說不到十分之一。

3? ? 等效點聲源至車內聲傳函測試

本文把激勵源為中高頻體積聲源，可直接測出聲音體積加速度，激勵信號為猝發隨機白噪聲，激勵點為駕駛員內耳。我們以駕駛員視角為參考，定義方向“上、下、前、后、左、右”，因為真空泵右側緊靠電機無法布置傳聲器，所以只在機艙真空泵附近的“上、下、前、后、左”5個點布置傳聲器作為測點，傳聲器距離真空泵表面10cm，見圖7：

本文公式中“上、下、前、后、左、右”分別用“1、2、3、4、5、6”表示。本文中聲傳函用測點聲壓與激勵點的體積加速度的比值轉換為分貝表示，見公式（1）。

m=1，2，3，4，5? （1）

式中：Hm為（400～1250）Hz真空泵附近各測點到駕駛員內耳聲傳函，pm為各測點聲壓，Q 激勵點體積加速度。

聲傳函測試結果見圖8：

4? ? 車內噪聲計算和驗證

①聲壓級A計權轉換見公式（2）、（3）：

式中：LpAk為真空泵臺架測試各測點A計權聲壓級;Lpk為各測點聲壓級;A為A計權的參數;LpAi為預測的駕駛員內耳處A計權聲壓級，Lpi為預測的駕駛員內耳處聲壓級。

②聲壓級與聲壓關系見公式（4）、（5）：

式中：pk 為臺架各測點聲壓，pi 為預測駕駛員內耳聲壓。

③臺架測試的消聲室可看作自由聲場，則測點的聲強在聲音傳播方向上的大小可采用公式（6）計算：

式中：Ik 為臺架各測點的聲強在聲音傳播方向上的大小;ρ 為空氣密度;c 為聲速。

④將距離真空泵中心R的球形輻射面平分為6部分，假設各部分內聲音輻射均勻，即將真空泵聲源轉化為6個面聲源，則可按公式（7）計算出各輻射面的聲功率：

式中：Wk 為臺架測試中各輻射面聲功率。

⑤通過聲源轉換分析，聲傳函各測點聲功率見公式（8）：

式中：Wm為轉換后的聲傳函各測點聲功率。

⑥自由場中，點聲源聲功率與體積加速度關系見公式（9）：

式中：Qm為真空泵附近各點體積加速度。

⑦汽車行業中聲傳函測試一般采用逆向法，假設汽車中的聲音的傳遞路徑是線性系統，A點聲激勵下的B點響應等于B點聲激勵下A點響應，即聲源和和接受者是可逆的[11-13]。因此，真空泵附近某點到駕駛員內耳處的聲傳函等于駕駛員內耳處到真空泵附近某點的聲傳函，即為公式（10）：

式中：pm 為真空泵附近各等效聲源發聲時駕駛員內耳對應的響應。

⑧本文中假設各等效聲源在車內的響應是獨立的，將其各個響應能量求和，即是預測的駕駛員內耳總響應，見公式（11）：

⑨將公式（1）、（2）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9）、（10）、（11）代入公式（3），可得公式（12）：

公式（12）消除了計權參數A和空氣傳播噪聲音傳播速度c等參數，R為0.5m，空氣密度ρ 為1.17kg/m3（0.1MPa，25℃），將圖4和圖8數據代入公式（12），可求出相應頻率下的預測值 LpAi ，預測計算的結果和圖1中實測的結果對比見圖9：

預測頻譜曲線和實測頻譜曲線吻合良好，研究頻段的各三分之一倍頻程相差1.5dB（A）左右，說明預測方法準確有效。

5? ? 結論

本文介紹了車內噪聲預測的現狀及目前仿真方法的局限性。本文分析了某電動車機艙內真空泵噪聲傳遞路徑，基于能量守恒定律把自由場環境下真空泵臺架噪聲近似轉換為5個獨立的點聲源，結合聲傳函的互逆特征，推導了真空泵車內噪聲的計算公式，并進行了試驗驗證，結論如下：

（1）車內噪聲計算公式計算結果與試驗差異約1.5dB（A），計算方法準確有效;

（2）以空氣傳播噪聲為主的聲源，可根據周圍環境基于輻射能量進行聲源轉換;

（3）該計算方法對車內噪聲子系統目標分解與選型具有重要意義，可結合臺架噪聲目標達成情況及時調整聲傳函目標，評估真空泵安裝在不同位置的車內噪聲等。

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