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1引言

 

噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度 (NVH) 領(lǐng)域的一項(xiàng)當(dāng)前要求是開發(fā)有效的測量技術(shù)來評(píng)估聲源對(duì)特定位置的貢獻(xiàn)。對(duì)于汽車而言，車身大部分由薄鋼板構(gòu)成，當(dāng)其受到外界激勵(lì)時(shí)，會(huì)引起板件結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而向車內(nèi)輻射噪聲。特別在當(dāng)前電動(dòng)汽車越來越受歡迎的潮流下，傳統(tǒng)內(nèi)燃動(dòng)力系統(tǒng)引起的聲音掩蔽效應(yīng)的缺失使得乘客暴露于各種新的聲源中。在這些新的聲源里面，有相當(dāng)一部分指向車身板件結(jié)構(gòu)，甚至有些在主觀上比傳動(dòng)內(nèi)燃動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的寬頻噪聲更令人討厭。為此，我們很有必要采取有效的測量技術(shù)來評(píng)估車身板件結(jié)構(gòu)對(duì)車內(nèi)乘客（或駕駛員）的噪聲貢獻(xiàn)情況，即今天我們將要談到的汽車面板的噪聲貢獻(xiàn)量分析（Panel Noise Contribution Analysis，簡稱PNCA）。

 

2面板噪聲貢獻(xiàn)分析

 

2.1 面板噪聲貢獻(xiàn)分析的目的

 

我們知道，車身板件結(jié)構(gòu)包括前壁板、地板、頂棚板、側(cè)圍板、車門板、行李箱板等多個(gè)部分，這些板件在受到外界激勵(lì)時(shí)，會(huì)發(fā)生振動(dòng)，然后向車內(nèi)輻射噪聲。然而，不同板件的振動(dòng)對(duì)車內(nèi)輻射的噪聲是不一樣的，只有找到那些對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)大的板，才能有針對(duì)性的、有效地抑制它們的振動(dòng)。另外，每個(gè)板件又是由很多的小塊或者小區(qū)域構(gòu)成，不同區(qū)域的輻射程度也是不一樣的，為此，我們還需要找到那些輻射能力強(qiáng)的小區(qū)域，才能更高效地抑制它們的振動(dòng)。面板噪聲貢獻(xiàn)分析的目的就是要識(shí)別每塊板和每個(gè)區(qū)域上的振動(dòng)對(duì)車內(nèi)特定位置（如駕駛員或者乘員位置）輻射噪聲的貢獻(xiàn)，從而找到需要控制的板單元。

 

2.2 面板噪聲貢獻(xiàn)分析的基本原理

 

在這里我們主要推導(dǎo)PNCA基本原理的理論框架，它需要考慮聲源和路徑兩個(gè)方面。由于參考位置X的輻射面S是連續(xù)的，它的聲壓值可以使用格林函數(shù)從基爾霍夫-亥姆霍茲積分方程導(dǎo)出。

 

 

 

 

 

圖3：左上為探頭在面板上的安裝方法；左下為探頭和聲源的布置示例；右圖為探頭在車上的整體布置示例

 

 

通過測量聲場中的N個(gè)測試點(diǎn)，即測試每個(gè)點(diǎn)上的質(zhì)點(diǎn)速度，再結(jié)合上述表達(dá)式可以重新構(gòu)建出參考位置X處的聲壓。在評(píng)估復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如車廂內(nèi)部）輻射的噪聲時(shí)，通過多個(gè)測量位置，可以方便地去研究不同結(jié)構(gòu)元素的噪聲貢獻(xiàn)。這意味著探頭可以被分組以計(jì)算每個(gè)元素的局部貢獻(xiàn)，其中每個(gè)面板能量由它們局部測量的聲功率來定義，即：

 

 

其中K0是所有面板通用的加權(quán)因子。

 

由此我們可以看出，測量得到垂直于表面的質(zhì)點(diǎn)速度(或者實(shí)際中各個(gè)點(diǎn)源的質(zhì)點(diǎn)速度)，結(jié)合參考位置的聲傳遞路徑，就可以計(jì)算得到面板各部分的噪聲貢獻(xiàn)。

 

2.3 面板噪聲貢獻(xiàn)分析的實(shí)現(xiàn)流程

 

要實(shí)現(xiàn)面板噪聲貢獻(xiàn)分析，需要完成面板表面噪聲和面板到乘員位置的聲音傳遞函數(shù)兩個(gè)測試步驟，如圖4所示。

 

 

圖4：面板噪聲貢獻(xiàn)分析的測試步驟

 

2.4 面板表面噪聲的幾種測試方法

 

根據(jù)前面的原理分析，面板貢獻(xiàn)量分析需要測量面板到參考位置的聲音傳遞路徑和面板表面的質(zhì)點(diǎn)速度兩個(gè)參數(shù)。其中關(guān)于面板表面質(zhì)點(diǎn)速度的測量，主要有以下幾種方式：

 

1）激光測振

 

在傳統(tǒng)上，通過使用加速度計(jì)或激光測振儀測量結(jié)構(gòu)振動(dòng)來近似。這些測量結(jié)構(gòu)振動(dòng)的方法非常耗時(shí)。除此之外，僅測量結(jié)構(gòu)速度，無法處理空氣泄露。另外，車廂中的許多表面（如地毯等）不適合安裝加速計(jì)，在某些情況下，質(zhì)量負(fù)載還會(huì)顯著影響測量結(jié)果。

 

2）PU探頭測量速度

 

PU探頭是P（聲壓）和U（速度）兩種傳感器的組合，其中U主要由兩根鉑絲構(gòu)成，它可以直接測量聲音的質(zhì)點(diǎn)速度，而且PU探頭具有強(qiáng)的指向性和抑制背景噪聲的特點(diǎn)（可參見PU測量及聲學(xué)可視化技術(shù)：1 PU測量原理及特點(diǎn)一文），用PU探頭進(jìn)行測量，既不受外部噪聲源的影響，也不受反射的影響，因此不需要在車內(nèi)填充阻尼/吸聲材料，這大大減少了測量時(shí)間和工作量。

 

3）聲強(qiáng)法間接測速

 

這種方法使用PP聲強(qiáng)探頭來進(jìn)行測量。這種PP聲強(qiáng)的方法基于兩個(gè)壓力傳聲器的梯度，這個(gè)梯度代表粒子速度，它與聲壓一起用來確定聲波的強(qiáng)度。然而，PP探頭不能用于有大量外來噪聲源和反射的環(huán)境中（例如汽車空腔）。為了能夠使用PP探頭，通常會(huì)在車廂內(nèi)填充阻尼/吸聲材料，并在進(jìn)行測量的位置移除材料并創(chuàng)建“窗口”。窗口法的缺點(diǎn)是工作量大，也會(huì)干擾車內(nèi)的聲場分布，而且?guī)缀醪豢赡茉诘缆飞线M(jìn)行試車。

 

通過對(duì)比可以看出，PU是最簡單直接的方法，而且既可以測量質(zhì)點(diǎn)速度，也可以應(yīng)用于基于聲強(qiáng)的分析中。下面我們介紹基于PU法來進(jìn)行的測試案例。

 

3基于PU的測試案例

 

3.1 采用Scan & Paint 3D測量

 

關(guān)于面板表面噪聲的測試，在這里我們采用可通過掃描實(shí)現(xiàn)聲音3D可視化的Scan & Paint 3D系統(tǒng)。該系統(tǒng)的組成和測試分析流程，可參考用PU技術(shù)實(shí)現(xiàn)座椅異響的3D聲強(qiáng)可視化中的相關(guān)描述，在此不再贅述。圖6展示了系統(tǒng)的硬件和測試到的聲場結(jié)果的示例。

 

 

圖6：Scan&Paint 3D硬件（左）和在車輛內(nèi)部測量的聲場示例結(jié)果（右）

 

3.2測試過程

 

本次測量側(cè)重于評(píng)估電動(dòng)汽車在半消音室內(nèi)的測功機(jī)上以80KPH和100KPH的速度運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲。在兩種運(yùn)行狀態(tài)（80 KPH 和 100 KPH）下圍繞汽車內(nèi)部進(jìn)行了多次的測量，以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的聲音成像。手動(dòng)將3D探頭靠近所有汽車表面，獨(dú)立掃描整個(gè)車輛的每個(gè)運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于這兩種車速，都進(jìn)行了80次掃描。掃描期間，在車內(nèi)的前部和后部使用了2個(gè)參考麥克風(fēng)。每次掃描的平均掃描時(shí)間約為100秒?？倳r(shí)間為2天，包括設(shè)置、相機(jī)重新定位、測功機(jī)故障排除和數(shù)據(jù)采集。使用15 mm空間分辨率網(wǎng)格對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，產(chǎn)生超過16000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖7顯示了實(shí)驗(yàn)的布局，以及用不同顏色突出顯示掃描軌跡在掃描結(jié)構(gòu)上的預(yù)覽。

 

 

圖7：聲場測量的掃描軌跡

 

3.3  測量結(jié)果的3D可視化

 

大量采集到的數(shù)據(jù)中，包含了整個(gè)車輛的內(nèi)部聲壓、質(zhì)點(diǎn)速度和（有功和無功）聲強(qiáng)的全3D空間分布的信息。圖8顯示了空間分辨率為15 mm的聲音可視化結(jié)果：如圖所示，對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵頻段的分析得到明顯不同的結(jié)果。對(duì)于較低的頻率，后備箱的聲音輻射最高，而C柱、B柱和后排門窗位置則在中頻范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位。

 

 

圖8：以80KPH的速度測量時(shí)，兩個(gè)關(guān)鍵頻段的3D聲場圖

 

3.4 聲音傳遞函數(shù)測試

 

使用2個(gè)Microflown體積聲源（低頻和中高頻）在一系列的離散位置通過互換原理測量傳遞函數(shù)。在每個(gè)參考位置分別使用每個(gè)聲源，以白噪聲進(jìn)行激勵(lì)，測量78個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，測量持續(xù)5秒鐘?？偣策M(jìn)行了312次測量。每個(gè)條件（78個(gè)點(diǎn)，每個(gè)聲源和參考點(diǎn)）的測試時(shí)間大約為35分鐘。包括設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和準(zhǔn)備在內(nèi)的總測量時(shí)間約為5小時(shí)。

 

 

圖9：低頻（左上）和中高頻（左下）體積聲源以及在傳遞函數(shù)測試期間測量的離散點(diǎn)的示例圖片

 

3.5 面板排名

 

通過將聲場測量（包含所需要的質(zhì)點(diǎn)速度）與其相應(yīng)的聲音傳播路徑相結(jié)合，計(jì)算出汽車不同面板的噪聲貢獻(xiàn)。整個(gè)汽車被離散成30個(gè)面板，這些面板與最相關(guān)的構(gòu)造元素相關(guān)，其中質(zhì)點(diǎn)速度和聲音傳遞函數(shù)在空間上進(jìn)行平均。圖10顯示了針對(duì)多個(gè)工作條件，在每個(gè)關(guān)鍵頻段中執(zhí)行的面板排序分析的示例。如圖所示，很明顯，行李箱地板是需要改進(jìn)的主要面板，以減少該頻段的噪聲。

 

 

圖10：在一個(gè)關(guān)鍵頻率范圍內(nèi)汽車各個(gè)面板的噪聲貢獻(xiàn)排名

 

4小結(jié)

 

本期我們介紹了關(guān)于PNCA的一種新的測量方法，可用于執(zhí)行高分辨率三維聲音的可視化和面板噪聲貢獻(xiàn)分析。在測試的案例中，汽車全程保持完整的內(nèi)飾，并且已經(jīng)使用提出的測量方法進(jìn)行了評(píng)估。在不同汽車表面附近采集的三維聲場數(shù)據(jù)，被證明有助于不同結(jié)構(gòu)元件聲音輻射的可視化。如前面的圖片所示，三維空間中聲場的可視化使我們能夠直觀、全面地理解聲音輻射機(jī)制以及問題元素之間的相互作用。最后，對(duì)汽車面板的主要部分進(jìn)行了排名，表明將互換測量的聲音傳遞函數(shù)與三維聲場呈現(xiàn)相結(jié)合，可以揭示多種工作條件和/或頻帶的主要問題區(qū)域。該數(shù)據(jù)可用于實(shí)施有效的聲學(xué)處理，以降低車輛乘客感知到的噪音。