整车隔声量测试研究

张忠东, 吴洪亭, 黄显利, 刘鑫明, 王 珂

(1.中通客车股份有限公司, 山东 聊城 252022;2.山东省新能源客车安全与节能重点实验室, 山东 聊城 252022)

汽车声学包是汽车上阻隔噪声传播、吸收噪声和减振降噪部件的总称,是保证车内静音工程的关键手段之一,是影响汽车品质感的重要因素[1]。在车辆的声学包开发过程中,通常会设定相关的声学指标,常用声学包评价指标包括隔声量NR、声传函ATF以及基于声功率的隔声量PBNR等[2-3]。本文在理论分析各评价指标的基础上,明确了PBNR较NR和ATF的优越性,并借助LMS测试系统(包括LMS Test.lab软件及数据采集前端设备)及中高频体积声源设备进行试验测试及数据计算,确定了测试及计算过程中的注意事项。

1 常用评价指标分析

为了明确常用声学包评价指标NR、ATF、PBNR之间的关系及评价合理性,建立如图1所示的“源—路径—响应”模型。图1中左侧区域代表声源舱,声源激励点的声压级设为p源;右侧区域代表驾乘舱,响应测点位置的声压级设为p;中间的传递路径为STL。

图1 隔声系统示意图

1.1 隔声量NR

隔声量NR=p源-p,即响应点与激励点声压级的差。这种传统的NR可以用测试得到的声源及响应位置的声压级计算得到,方便计算且易于理解,但是由于声音的传递路径[4]不唯一,而且NR的值随着声源特性(如指向性和运行条件)、声源处的声压传感器安装位置和周围结构的变化而变化,因此上述计算方法是不可靠的。

1.2 声传函ATF

基于体积声源设备,声传函ATF为响应点处的声压级p与体积声源体积加速度Q之间的传递函数[5],可表示为ATF=p/Q。声传函ATF曲线为直接测试得到,可以客观、准确地评价整车在各频率下的声音传递情况,但是其数据多、曲线复杂,不便于直观地对整车宽频段的综合隔声性能进行评价。

1.3 基于声功率的隔声量PBNR

基于声功率的隔声量PBNR定义为点声源(对于单一声源,声源中心到测点之间的距离超过声源最大几何尺寸的2倍时,该声源可近似为点声源)的声功率W与响应(测试)点声压平方的比值[6],其是1/3倍频程的函数,故可表示为

PBNR=W/(p·p*)

(1)

式中：p*是p的共轭,(p·p*)是声压的平方值,即声压的自功率谱。

已知点声源声功率可表示为

(2)

PNBR也可以dB形式来表示[5-7],其计算公式为

PBNR=10 log10[(W/(p·p*)/Ref]

(3)

式中：Ref为体积加速度参考值与声压参考值平方的比值,约为1/400。

将Ref的值1/400及式(2)代入式(3)中,并经推导得：

(4)

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

(5)

式中：空气密度ρ及声传播速度c取环境温度为20 ℃的值,分别为1.205 kg/m3、343.2 m/s。

综上,PBNR比NR及ATF更加适合用于评价声学包的隔声性能。

2 试验验证

基于以上理论分析结果,对测试激励点与测点间的ATF及PNBR计算开展试验验证测试。如图2所示,测试基于LMS测试系统及中高频体积声源进行,体积声源作为点声源提供激励。因不具备消音室、半消音室等理想试验条件,本次试验选择了厂区内较为空旷地带进行,试验数据精度可能会受环境影响,但应该不会对结论判断造成困扰。

2.1 台架试验

台架试验主要验证体积声源设备的发声特点及距离、角度、增益大小等对测试结果的影响。试验共布置4个声压传感器,分别位于体积声源发声管口正前方650 mm处、声源正前方1 750 mm处、声源侧方90° 450 mm处、声源侧方45° 600 mm处;试验设置声源信号为白噪声,发声次数为100次,即测试得到的ATF为发声100次测得的平均值。

试验结果分析如下：

1) 相关性对比。同组数据(试验中单次试验同时采集的各传感器数据为一组)下4个声压传感器测试信号与声源信号的相关性曲线如图3所示。从图3中可看出,远点位置相对其他3点位置受环境因素影响相关性有所下降,但整体来说,在500～8 000 Hz频段,测点位置与声源相关性达到98%以上且稳定性较好,在500 Hz以下及8 000 Hz以上频段,测点位置与声源相关性较500～8 000 Hz频段明显下降。基于此结论,为保证准确性,后续均采用500～8 000 Hz频段数据进行分析。

图3 各测点与声源信号相关性对比

2) 不同增益对声传函ATF的影响。分别采用30%、50%增益进行声传函测试,将得到的声源至各测点的ATF曲线放置在一个坐标系中进行比对,如图4所示,可以发现4个声压传感器在不同增益下计算得出的ATF曲线吻合度极高,说明在声源声压明显高于背景噪声的前提下,增益大小对ATF几乎没有影响,即测试时根据需要调节增益即可,无需担心不同增益对试验结果的影响。

图4 不同增益下的ATF对比

3) 不同角度对声传函ATF的影响。对比同组数据下4个测点与声源间的ATF曲线,计算得到500～8 000 Hz频率段的ATF RMS 值见表1。对比近点与远点2组数据可得距离对ATF影响较大(查阅资料得知测试点与声源距离每增加一倍,声压相差6 dB)。对比正前方近点、45°、90° 3组数据可知该声源向各方向的传递较为均匀,即表示测试时声源朝向不同对数据带来的影响可以忽略。

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

2.2 整车试验

为验证实车测试时的声源及传感器布置对测试数据的影响进行整车试验,测试地点同台架试验。车内传感器布置位置为驾驶员及前、中、后排乘客右耳处[7-9]。将声源分别置于发动机舱内的发动机左侧、右侧、后侧、右前轮罩及右后轮罩处进行测试。

采集声源发声时与不发声时的车内噪声数据,计算并对比两种状态下车内噪声的声压差,差值大于10 dB(A)则证明试验数据有效。试验数据分析如下：

1) 声源在发动机舱内不同位置对车内噪声影响的对比。将测得的声源在发动机舱内不同位置到车内各测点的ATF曲线用式(5)换算为PBNR,取500～8 000 Hz频段计算RMS值,统计结果见表2。从表中数据可知发动机声源在舱内的布置位置对整车隔声量影响较小,可以忽略不计,测试时声源位置设置在合理位置即可,不用考虑布置位置的差异对整车隔声量测试结果的影响。

表2 发动机舱内不同位置到车内的PBNR dB

2) 胎噪对车内噪声影响的对比。右前轮与右后轮至车内各测点位置的PBNR计算结果见表3,对比右前轮罩、右后轮罩对车内噪声的影响,可确定胎噪对车内的影响跟距离有关,也从侧面说明测试样车底盘隔声较为均衡。

表3 不同车轮到车内的PBNR dB

3) 互易性对比。将声压传感器与体积声源分别置于车内前排乘客右耳旁、发动机舱内发动机右侧位置,测试后交换位置再次进行测试。将测得的发动机舱到前排乘客右耳旁及前排乘客右耳旁到发动机舱的PBNR进行对比,在500～8 000 Hz频段的整体隔声量分别为46.2 dB、47.1 dB,可确定互易性较高,即激励与响应位置互换对传递函数影响很小,可忽略不计。后续试验可采用在车内布置声源,在车外各关心位置布置传感器的测试方法,来减少测试次数、缩短测试周期。

2.3 主要结论

结合本次试验数据分析结果及近期查阅资料,主要结论如下：

1) 传统的NR测量是不可靠的,PBNR更能体现系统的特性。

2) 中高频体积声源测试数据在500～8 000 Hz频带宽度范围较为可靠,超出部分可靠性下降。

3) PBNR的计算范围一般在200～10 000 Hz的频带宽度,因此需使用低频声源与高频声源分别测试1次,测试完成后,使用MERGE_FUNCTIONS函数将2条ATF曲线合并为1条曲线,可进行PBNR的计算,但目前我司仅具备中高频体积声源,故仅能准确地计算出500～8 000 Hz范围内的PBNR。

4) 系统的隔声性能为系统固有特性,其声传函ATF不受声源声压大小影响。

5) 声源可看作点声源,向各方向的传播较为均衡。

6) 发动机舱内声源布置的位置偏差对系统声传函数据基本无影响。

7) 测试的互易性高,即激励与响应位置互换对传递函数影响可忽略不计。后续可考虑在车内布置声源,在车外各关心位置布置传感器来提高测试效率。

3 结束语

本文对整车声学包性能测试及分析方法进行了探讨分析,并通过试验的方法进行了验证。结果表明基于能量的隔声量PBNR更能客观、准确的评价整车NVH中的声学包隔声性能。可以为产品的声学包性能测试及评价提供参考,为声学包的正向开发提供支持。