整車隔聲量測試研究

張忠東, 吳洪亭, 黃顯利, 劉鑫明, 王 珂

(1.中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252022;2.山東省新能源客車安全與節能重點實驗室, 山東 聊城 252022)

汽車聲學包是汽車上阻隔噪聲傳播、吸收噪聲和減振降噪部件的總稱,是保證車內靜音工程的關鍵手段之一,是影響汽車品質感的重要因素[1]。在車輛的聲學包開發過程中,通常會設定相關的聲學指標,常用聲學包評價指標包括隔聲量NR、聲傳函ATF以及基于聲功率的隔聲量PBNR等[2-3]。本文在理論分析各評價指標的基礎上,明確了PBNR較NR和ATF的優越性,并借助LMS測試系統(包括LMS Test.lab軟件及數據采集前端設備)及中高頻體積聲源設備進行試驗測試及數據計算,確定了測試及計算過程中的注意事項。

1 常用評價指標分析

為了明確常用聲學包評價指標NR、ATF、PBNR之間的關系及評價合理性,建立如圖1所示的“源—路徑—響應”模型。圖1中左側區域代表聲源艙,聲源激勵點的聲壓級設為p源;右側區域代表駕乘艙,響應測點位置的聲壓級設為p;中間的傳遞路徑為STL。

圖1 隔聲系統示意圖

1.1 隔聲量NR

隔聲量NR=p源-p,即響應點與激勵點聲壓級的差。這種傳統的NR可以用測試得到的聲源及響應位置的聲壓級計算得到,方便計算且易于理解,但是由于聲音的傳遞路徑[4]不唯一,而且NR的值隨著聲源特性(如指向性和運行條件)、聲源處的聲壓傳感器安裝位置和周圍結構的變化而變化,因此上述計算方法是不可靠的。

1.2 聲傳函ATF

基于體積聲源設備,聲傳函ATF為響應點處的聲壓級p與體積聲源體積加速度Q之間的傳遞函數[5],可表示為ATF=p/Q。聲傳函ATF曲線為直接測試得到,可以客觀、準確地評價整車在各頻率下的聲音傳遞情況,但是其數據多、曲線復雜,不便于直觀地對整車寬頻段的綜合隔聲性能進行評價。

1.3 基于聲功率的隔聲量PBNR

基于聲功率的隔聲量PBNR定義為點聲源(對于單一聲源,聲源中心到測點之間的距離超過聲源最大幾何尺寸的2倍時,該聲源可近似為點聲源)的聲功率W與響應(測試)點聲壓平方的比值[6],其是1/3倍頻程的函數,故可表示為

PBNR=W/(p·p*)

(1)

式中：p*是p的共軛,(p·p*)是聲壓的平方值,即聲壓的自功率譜。

已知點聲源聲功率可表示為

(2)

PNBR也可以dB形式來表示[5-7],其計算公式為

PBNR=10 log10[(W/(p·p*)/Ref]

(3)

式中：Ref為體積加速度參考值與聲壓參考值平方的比值,約為1/400。

將Ref的值1/400及式(2)代入式(3)中,并經推導得：

(4)

PBNR=10 log10(Qa/p)2+10 log10[100ρ/(πc)]=
-20 log10|p/Qa|-9.5

(5)

式中：空氣密度ρ及聲傳播速度c取環境溫度為20 ℃的值,分別為1.205 kg/m3、343.2 m/s。

綜上,PBNR比NR及ATF更加適合用于評價聲學包的隔聲性能。

2 試驗驗證

基于以上理論分析結果,對測試激勵點與測點間的ATF及PNBR計算開展試驗驗證測試。如圖2所示,測試基于LMS測試系統及中高頻體積聲源進行,體積聲源作為點聲源提供激勵。因不具備消音室、半消音室等理想試驗條件,本次試驗選擇了廠區內較為空曠地帶進行,試驗數據精度可能會受環境影響,但應該不會對結論判斷造成困擾。

2.1 臺架試驗

臺架試驗主要驗證體積聲源設備的發聲特點及距離、角度、增益大小等對測試結果的影響。試驗共布置4個聲壓傳感器,分別位于體積聲源發聲管口正前方650 mm處、聲源正前方1 750 mm處、聲源側方90° 450 mm處、聲源側方45° 600 mm處;試驗設置聲源信號為白噪聲,發聲次數為100次,即測試得到的ATF為發聲100次測得的平均值。

試驗結果分析如下：

1) 相關性對比。同組數據(試驗中單次試驗同時采集的各傳感器數據為一組)下4個聲壓傳感器測試信號與聲源信號的相關性曲線如圖3所示。從圖3中可看出,遠點位置相對其他3點位置受環境因素影響相關性有所下降,但整體來說,在500～8 000 Hz頻段,測點位置與聲源相關性達到98%以上且穩定性較好,在500 Hz以下及8 000 Hz以上頻段,測點位置與聲源相關性較500～8 000 Hz頻段明顯下降。基于此結論,為保證準確性,后續均采用500～8 000 Hz頻段數據進行分析。

圖3 各測點與聲源信號相關性對比

2) 不同增益對聲傳函ATF的影響。分別采用30%、50%增益進行聲傳函測試,將得到的聲源至各測點的ATF曲線放置在一個坐標系中進行比對,如圖4所示,可以發現4個聲壓傳感器在不同增益下計算得出的ATF曲線吻合度極高,說明在聲源聲壓明顯高于背景噪聲的前提下,增益大小對ATF幾乎沒有影響,即測試時根據需要調節增益即可,無需擔心不同增益對試驗結果的影響。

圖4 不同增益下的ATF對比

3) 不同角度對聲傳函ATF的影響。對比同組數據下4個測點與聲源間的ATF曲線,計算得到500～8 000 Hz頻率段的ATF RMS 值見表1。對比近點與遠點2組數據可得距離對ATF影響較大(查閱資料得知測試點與聲源距離每增加一倍,聲壓相差6 dB)。對比正前方近點、45°、90° 3組數據可知該聲源向各方向的傳遞較為均勻,即表示測試時聲源朝向不同對數據帶來的影響可以忽略。

表1 500～8 000 Hz頻率段的ATF RMS 值 Pa·(m3/s2)-1

2.2 整車試驗

為驗證實車測試時的聲源及傳感器布置對測試數據的影響進行整車試驗,測試地點同臺架試驗。車內傳感器布置位置為駕駛員及前、中、后排乘客右耳處[7-9]。將聲源分別置于發動機艙內的發動機左側、右側、后側、右前輪罩及右后輪罩處進行測試。

采集聲源發聲時與不發聲時的車內噪聲數據,計算并對比兩種狀態下車內噪聲的聲壓差,差值大于10 dB(A)則證明試驗數據有效。試驗數據分析如下：

1) 聲源在發動機艙內不同位置對車內噪聲影響的對比。將測得的聲源在發動機艙內不同位置到車內各測點的ATF曲線用式(5)換算為PBNR,取500～8 000 Hz頻段計算RMS值,統計結果見表2。從表中數據可知發動機聲源在艙內的布置位置對整車隔聲量影響較小,可以忽略不計,測試時聲源位置設置在合理位置即可,不用考慮布置位置的差異對整車隔聲量測試結果的影響。

表2 發動機艙內不同位置到車內的PBNR dB

2) 胎噪對車內噪聲影響的對比。右前輪與右后輪至車內各測點位置的PBNR計算結果見表3,對比右前輪罩、右后輪罩對車內噪聲的影響,可確定胎噪對車內的影響跟距離有關,也從側面說明測試樣車底盤隔聲較為均衡。

表3 不同車輪到車內的PBNR dB

3) 互易性對比。將聲壓傳感器與體積聲源分別置于車內前排乘客右耳旁、發動機艙內發動機右側位置,測試后交換位置再次進行測試。將測得的發動機艙到前排乘客右耳旁及前排乘客右耳旁到發動機艙的PBNR進行對比,在500～8 000 Hz頻段的整體隔聲量分別為46.2 dB、47.1 dB,可確定互易性較高,即激勵與響應位置互換對傳遞函數影響很小,可忽略不計。后續試驗可采用在車內布置聲源,在車外各關心位置布置傳感器的測試方法,來減少測試次數、縮短測試周期。

2.3 主要結論

結合本次試驗數據分析結果及近期查閱資料,主要結論如下：

1) 傳統的NR測量是不可靠的,PBNR更能體現系統的特性。

2) 中高頻體積聲源測試數據在500～8 000 Hz頻帶寬度范圍較為可靠,超出部分可靠性下降。

3) PBNR的計算范圍一般在200～10 000 Hz的頻帶寬度,因此需使用低頻聲源與高頻聲源分別測試1次,測試完成后,使用MERGE_FUNCTIONS函數將2條ATF曲線合并為1條曲線,可進行PBNR的計算,但目前我司僅具備中高頻體積聲源,故僅能準確地計算出500～8 000 Hz范圍內的PBNR。

4) 系統的隔聲性能為系統固有特性,其聲傳函ATF不受聲源聲壓大小影響。

5) 聲源可看作點聲源,向各方向的傳播較為均衡。

6) 發動機艙內聲源布置的位置偏差對系統聲傳函數據基本無影響。

7) 測試的互易性高,即激勵與響應位置互換對傳遞函數影響可忽略不計。后續可考慮在車內布置聲源,在車外各關心位置布置傳感器來提高測試效率。

3 結束語

本文對整車聲學包性能測試及分析方法進行了探討分析,并通過試驗的方法進行了驗證。結果表明基于能量的隔聲量PBNR更能客觀、準確的評價整車NVH中的聲學包隔聲性能。可以為產品的聲學包性能測試及評價提供參考,為聲學包的正向開發提供支持。