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用于汽車車內(nèi)風噪評價的頻譜光順度研究
2020-12-07 11:45:44· 來源：AUTO行家
現(xiàn)有評價汽車車內(nèi)風噪的指標僅能反映各個頻率成分的宏觀計權(quán)，缺乏對頻譜局部問題的判斷，加以完善。通過分析２３輛不同量產(chǎn)汽車的風洞試驗數(shù)據(jù)，證明車型等級與
現(xiàn)有評價汽車車內(nèi)風噪的指標僅能反映各個頻率成分的宏觀計權(quán)，缺乏對頻譜局部問題的判斷，加以完善。通過分析２３輛不同量產(chǎn)汽車的風洞試驗數(shù)據(jù)，證明車型等級與車內(nèi)風噪性能呈正相關(guān)，并總結(jié)較優(yōu)樣本的頻譜規(guī)律。頻譜中高頻段較窄范圍內(nèi)不光順現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是泄漏噪聲，應(yīng)盡量避免。提出將作移動平均后的頻譜與原始頻譜差值進行累加得到頻譜不光順程度量化指標的方法。結(jié)果表明，頻譜光順度與車內(nèi)風噪性能密切相關(guān)，對泄漏噪聲尤為敏感，可用于車內(nèi)風噪水平的評價。
關(guān)鍵詞：風噪；評價方法；頻譜分析；泄漏噪聲
作者：沈哲，王毅剛，楊志剛，賀銀芝，彭里奇
單位： 同濟大學機械工程博士后流動站， 同濟大學上海地面交通工具風洞中心， 上海市地面交通工具空氣動力與熱環(huán)境模擬重點實驗室， 北京民用飛機技術(shù)研究中心
來源：知網(wǎng)
汽車車內(nèi)風噪水平影響車內(nèi)乘客的舒適性和行車安全性，是當前汽車行業(yè)重點關(guān)注的一項性能指標。研究汽車風噪最有效的手段是風洞試驗，通過測試數(shù)據(jù)快速準確地評價車內(nèi)風噪性能是當前汽車風噪開發(fā)中的關(guān)鍵問題之一。
評價聲的優(yōu)劣應(yīng)當以人的主觀感受為最終衡量標準，但人的主觀感受差異大且量化困難［１］，現(xiàn)階段評價噪聲性能的優(yōu)劣仍以客觀參量為主。其中，Ａ計權(quán)總聲壓級是最常用的聲學參數(shù)指標；隨著心理聲學發(fā)展，響度、語音清晰度等對異常噪聲更敏感的心理聲學參數(shù)［２］也被汽車工程界普遍認可［３］。車內(nèi)風噪聲源分布和傳遞路徑均極為復雜，因此其頻譜構(gòu)成也非常復雜［４］。上述單值參量能給出聲信號按頻譜記權(quán)后的幅值大小，但對車內(nèi)噪聲評價時仍有較明顯的不足［５］：
（１）沒有考慮頻譜各個成分之間的關(guān)系，如量值相等的兩個信號給人的主觀感受可能差別很大；
（２）對幅值較低的頻率成分容易忽略其貢獻，如車內(nèi)風噪高頻段幅值整體較低，有局部峰值對總值影響很小，但實際人耳主觀感受非常明顯，應(yīng)當予以考慮。
針對車內(nèi)風噪的評價參數(shù)問題，本文中以實際量產(chǎn)車的風洞試驗數(shù)據(jù)為樣本，關(guān)注聲信號頻譜的光順性，分析頻譜上毛刺、凸起等不平順點產(chǎn)生的原因，研究頻譜光順程度客觀參量化方法。本文研究成果可用于車內(nèi)風噪評價的工程應(yīng)用，提高風噪評價準確度和整車風噪開發(fā)效率。
1、汽車風噪樣本
1.1 測試介紹
本文中測試均在同濟大學上海地面交通工具風洞中心的整車氣動聲學風洞中完成。該風洞是３／４開口回流風洞，噴口面積２７ｍ２，最高試驗風速２５０ｋｍ／ｈ，試驗段自由場空間的低頻截止頻率為５０Ｈｚ，背景噪聲水平在１６０ｋｍ／ｈ風速下低于６１ｄＢ（Ａ）。測試設(shè)備使用的是ＨＥＡＤａｃｏｕｓｔｉｃ公司的噪聲測量分析系統(tǒng)，包括ＨＭＳＩＩＩ型數(shù)字人工頭、ＨｅａｄＬａｂ多通道數(shù)采前端和ＨｅａｄＲｅｃｏｒｄ采集軟件。測試時人工頭啟用２２Ｈｚ高通濾波器，采樣頻率為４８ｋＨｚ，采樣時間為１０ｓ。試驗測點位置、測試工況（風速、偏航角）較多，為保證數(shù)據(jù)的一致可比性，本文中給出的結(jié)果均為試驗風速保持１２０ｋｍ／ｈ、０°偏航角時，主駕駛?cè)斯ゎ^外耳測點的結(jié)果。后期進行數(shù)據(jù)分析處理使用ＡｒｔｅｍｉｓＳｕｉｔｅ分析軟件，包含心理聲學參數(shù)計算模塊。
1.2 風噪樣本分級
以２３輛乘用車的風洞實測數(shù)據(jù)作為樣本對象。樣車均為近年在國內(nèi)上市的量產(chǎn)車型，包括多種尺寸的三廂轎車、兩廂轎車、運動型多用途車（ＳＵＶ），低配車型市場指導價范圍為８～８０萬元，涵蓋范圍較廣。所有車輛性能良好、風噪水平可視為出廠狀態(tài)。
由于樣車尺寸、類型眾多，直接橫向比較風噪水平，較為困難。不同市場定位的車型由于開發(fā)目標、制造成本等原因，各方面性能包括風噪水平之間有一定差距。參考品牌和市場定位，按價格區(qū)間將２３輛樣車分為經(jīng)濟型（１５萬元以下）、舒適型（１５～２５萬元）、豪華型（２５萬元以上）。３個級別車型的風噪性能參數(shù)的平均值如表１所示。
由表１可見，３個不同級別樣車的聲壓級、響度和語言清晰度有明顯的級差，車型定位越高，總聲壓級和響度越小且語言清晰度越高。因此，可認為整車風噪性能與車型定位高低呈正相關(guān)。
2、車內(nèi)風噪與頻譜光順關(guān)系
2.1 車型等級與頻譜光順
為觀察不同級別車型的車內(nèi)頻譜特性，每個級別選取一輛具有代表性的樣車，給出Ａ計權(quán)聲壓譜，如圖１所示。
圖１?。齿v不同等級樣車車內(nèi)風噪頻譜
由圖１可觀察到，不同風噪水平等級的樣車除聲壓級大小的區(qū)別之外，譜線的光順程度也差距明顯：風噪性能最差的Ａ１曲線平順性最差，在１０００Ｈｚ附近有幾個明顯的尖峰，６０００Ｈｚ以上有頻譜的毛刺非常明顯；整體風噪性能最優(yōu)的樣車Ｃ１的頻譜曲線非常光順，在１２００Ｈｚ以上幾乎無明顯的凸起或毛刺；而風噪水平處于兩者之間的Ｂ１頻譜光順度也處于兩者之間。綜上可得以下假設(shè)：車型風噪性能越佳的車型頻譜曲線越光順，之后將對此假設(shè)進行進一步的研究。
2.2 泄漏噪聲與頻譜光順關(guān)系
從２.１節(jié)可知，頻譜的光順程度和風噪性能是密切相關(guān)的，而引起頻譜曲線不光順的主要原因分為如下兩大類：
（１）中低頻內(nèi)某些頻率段幅值較大主要是由汽車外形凹凸不平引起，如Ａ柱、后視鏡等部件或前后風擋與車身連接處的形變等，此類問題與車身造型密切相關(guān)，在實車上改善較為困難；
（２）中頻以上頻譜的凸起、毛刺基本都由車身密封系統(tǒng)中局部密封不佳引起的氣吸噪聲［６］，此類問題可通過改進實車的密封狀態(tài)進行改善。
研究汽車泄漏噪聲對車內(nèi)風噪頻譜的影響，可用布基膠帶進行全車密封，比較密封前后頻譜的差別。圖２為經(jīng)濟型樣車Ａ２的車內(nèi)風噪頻譜，可觀察到，通過膠帶密封之后，車內(nèi)風噪聲壓級頻譜從３００Ｈｚ起均有不同程度的下降，中高頻原本相對凸起的頻率段下降較多，例如８５００Ｈｚ附近一個峰值下降尤為明顯。
圖２ 經(jīng)濟型樣車Ａ２車身密封前后頻譜
通過加強密封、降低泄漏噪聲可顯著提高車內(nèi) 風噪頻譜的光順程度，說明頻譜在中高頻的不光順 與泄露噪聲密切相關(guān)。
3、頻譜不光順度量化
3.1 計算方法
直接量化頻譜的光順程度較為困難，用頻譜的不光順程度來表示更為直接。本文中定義頻譜不光順度Ｒ用以度量頻譜曲線的光順程度，Ｒ越大，則頻譜的光順性越差，其具體量化方法如下。
首先將原始的頻譜曲線進行光順化，在此采用較為直接的方法，對頻譜作連續(xù)移動平均，獲得曲線即為光順化后的曲線，計算方法如式（１）所示。
式中：ｐｎ為第ｎ個頻率點的原始聲壓值；ｐａｎ為光順化后的聲壓值；Ｎａ為求平均值的數(shù)據(jù)點數(shù)，是需要確定的重要參數(shù)。
然后計算每個頻率點ｎ光順化前后的差值：
考慮到任意寬頻信號作傅里葉變換過程中由于 數(shù)值離散化的原因，頻譜總是略有一定程度的高低 起伏，為排除此部分的影響，需設(shè)定一個閾值Ｙ，當 差值Δｐｎ大于此閾值才認為此頻率點是非光順點， 得到有效差值Δｐｎ′
最后計算選定頻率范圍內(nèi)的頻譜不平滑度Ｒ：
式中：ｎｓ為選定頻率范圍的起始點序號；ｎｅ為選定頻率范圍的終止點序號。
3.2 計算參數(shù)
用上述方法，計算全部２３輛樣車的頻譜不光順 度Ｒ，選取的參數(shù)如下。
（１）初始的頻譜曲線為：對４８ｋＨｚ采樣頻率的 時域信號作快速傅里葉變換（ＦＦＴ）并作Ａ計權(quán)，分塊數(shù)（Ｂｌｏｃｋ Ｓｉｚｅ）Ｎｆｆｔ＝４０９６，得到的２０４７個頻率點上的聲壓級值，起始頻率和頻率間隔均為１１.７Ｈｚ。
（２）移動平均點數(shù)Ｎａ：該參數(shù)取值過小時頻譜 平滑度不夠、取值過大頻譜失真嚴重［７］，為取得較好的結(jié)果，本文中經(jīng)過反復調(diào)試，?。危?nbsp;＝２５７，即每個頻率點前后各?。保玻競€點進行平順化。
（３）有效閾值Ｙ：為避免計入傅里葉變換產(chǎn)生的 數(shù)值毛刺計入設(shè)定的值，本文中?。保垂忭樆蟮闹蹬c原始值相差１ｄＢ以上才認為有效。
（４）計算頻率范圍：本文重點是泄漏噪聲引起 的頻譜不光順，因此主要考慮中高頻段，且移動平均取點需要，頻率起始值選擇１５００Ｈｚ，綜合人耳的可聽范圍閾值上限，最終選擇的頻率范圍為１５００～１６０００Ｈｚ，對應(yīng)的ｎｓ＝１２８、ｎｅ＝１３６６。
3.3 結(jié)果分析
按照３.２節(jié)條件，２３輛樣車計算得到頻譜不光 順度Ｒ值的區(qū)間范圍為０.０９７～０.２１９，本節(jié)將分析 其與車內(nèi)風噪水平的關(guān)系。
首先，給出３種級別車型的頻譜不光順度均值 Ｒ，觀察其整體趨勢，如圖３所示。
圖３ ３種車型級別的頻譜不光順度
從圖３可觀察到，車型級別越高，頻譜不光順度 越低，說明頻譜不光順度與聲壓級等參數(shù)一致，能整 體上反映車內(nèi)風噪水平的優(yōu)劣。
然后，從樣本個體角度研究頻譜不光順度與車 內(nèi)風噪的關(guān)系。由于除了聲壓級等單參數(shù)聲學指 標，缺乏評價風噪性能的客觀指標，圖４給出車價與 頻譜不光順度之間的關(guān)系。結(jié)果可見不光順度與車 價呈一定的負相關(guān)，即整體上車價越高則不光順度 越小，與按等級分類后的結(jié)果一致。尤其是價格集 中在低價位段的經(jīng)濟型樣車，頻譜不光順度也集中 在較大值區(qū)域。通過上述分析，說明車價雖然不能 準確代表車內(nèi)風噪水平，但從之前按車輛等級分析 的結(jié)果，整體上車價與風噪之間的關(guān)系是符合“價高 質(zhì)優(yōu)”這一趨勢的。
圖４ 車型價格與頻譜不光順度關(guān)系
最后，對代表車型的具體頻譜進行分析。選取 的樣本車型為圖４中所標示的舒適型Ｂ２樣車和豪 華型Ｃ２樣車，選取這兩輛樣車的原因是這兩個點在 圖中是離擬合直線最遠的，即背離“價高質(zhì)優(yōu)”最為 明顯的。圖５和圖６分別是Ｂ２、Ｃ２樣車光順化前后 的頻譜曲線。
圖５ 舒適型Ｂ２樣車頻譜
圖６ 豪華型Ｃ２樣車頻譜
從圖５中可見Ｂ２樣車是典型的“價低質(zhì)優(yōu)”， 其頻譜曲線在展示的中高頻相當光順，光順化后的 曲線與原始曲線貼合得非常好，頻譜不光順度較低 （Ｒ＝０.１１）。
從圖６中可見，Ｃ２則反映出“價高質(zhì)低”，其頻 譜曲線在中高頻光順程度較差，尤其在８ｋＨｚ附近 頻譜有一塊明顯的凸起，與光順后的頻譜曲線差異 明顯，在此處應(yīng)當有較為明顯的泄漏噪聲。說明其 相對較高的頻譜不光順度（Ｒ＝０.１８４）也是真實頻譜 的反映。
通過以上計算分析，證明頻譜不光順度Ｒ能直 接反映原始頻譜的光順程度，以此反映由泄漏噪聲 等原因產(chǎn)生的頻譜尖峰等問題，最終與車輛的車內(nèi) 風噪水平等級相符。
4、結(jié)論
本文中以實車風洞測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將車輛分 級，研究頻譜不平順性與車內(nèi)風噪性能的關(guān)系，給出 一種將頻譜光順度量化的方法，并得到以下結(jié)論：
（１）對于一般單值參數(shù)權(quán)重較少的高頻部分， 頻譜不光順度對局部峰值的辨識較為靈敏；
（２）中高頻段，頻譜不光順與泄漏噪聲密切相 關(guān)，頻譜不光順度很好地反映泄漏噪聲的嚴重程度；
（３）計算頻譜不光順度參數(shù)取值，如移動平均 點數(shù)Ｎａ、有效閾值Ｙ等，可在提高樣本數(shù)的前提下 進一步優(yōu)化；
（４）頻譜不光順度雖能彌補傳統(tǒng)單值參數(shù)對局 部頻率細節(jié)不敏感的劣勢，但不能反映總噪聲能量 大小，后續(xù)研究宜采用主觀評價方法與聲壓級等能 夠反映聲大小的參數(shù)聯(lián)合使用，構(gòu)建更為精細合理 的風噪聲品質(zhì)評價體系。
參考文獻
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