【技術(shù)貼】通過優(yōu)化聲學(xué)包降低汽車噪聲

通過優(yōu)化聲學(xué)包降低汽車噪聲

Micha?l THIVANT1; Olivier MINCK2

1:VIBRATEC, 28 chemin du petit bois, Ecully, France

2:MICRODB, 28 chemin du petit bois, Ecully, France

摘要:在即將實施的歐盟法規(guī)中,對汽車的通過噪聲(Pass-By-Noise)有了更加嚴格的要求。汽車制造商需要進一步優(yōu)化聲學(xué)包來滿足這一要求。ECONBEX是一個法國資助的研究項目,旨在一定的附加質(zhì)量和成本前提下,將車輛動力總成對噪聲的貢獻量降低5~7dB。本研究計劃中匯集了OEM,原材料供應(yīng)商,聲學(xué)包制造商,大學(xué)研究團隊和專業(yè)技術(shù)顧問,從而實現(xiàn)了材料、設(shè)計、測試和計算方法的創(chuàng)新。本文將重點介紹一種用于優(yōu)化聲學(xué)包的新方法,這種方法是基于3D準確定位并量化聲源的前提下,在能量邊界元方法的基礎(chǔ)上,來計算噪聲的傳播。得到的噪聲強度分布圖能夠直觀的顯示噪聲的主要傳播路徑,以及吸聲和隔聲材料的最佳布置位置。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計聲學(xué)包時可以同時考慮聲源和聲學(xué)包的空間和頻譜特性,從而可以得到效果最優(yōu)的聲學(xué)包。根據(jù)噪聲源的頻譜特性來選擇最佳吸聲和隔聲材料,同時能夠滿足工業(yè)實施的要求。最終,測試和計算結(jié)果是令人滿意的。

1. 緒論

歐盟新法規(guī)中對汽車的通過噪聲有了更加嚴格的要求,同時還要求逐年降低汽車的噪聲水平。這部法規(guī)要求在未來8年內(nèi),將汽車的通過噪聲降低4dB。按照這個標準,市面上97%的汽車將不滿足這個要求。本文研究是基于2014設(shè)立的Econbex項目,這個項目由法國政府及包括OEM,RJP,Lsover 和研究院所在內(nèi)的9個研究機構(gòu)組成。項目的目標旨在滿足附加質(zhì)量和成本要求的前提下,通過優(yōu)化發(fā)動機的聲學(xué)包來降低發(fā)動機對通過噪聲的貢獻量,以適應(yīng)歐盟新法規(guī)的要求。本文的思路是將動力總成視為3D噪聲聲源,并導(dǎo)入至仿真軟件中來預(yù)測聲學(xué)包的有效性以及外部噪聲的量級。

文章的第一部分將介紹一種測試動力總成3D聲場的有效方法,并通過實際測試來驗證后處理方法的有效性。文章的第二部分,介紹了一種車輛聲學(xué)模型。計算得到的車輛通過噪聲與實驗結(jié)果有較好的一致性。并基于此提出了一種優(yōu)化的聲學(xué)包方案。

2. 動力總成噪聲特性

第一部分的詳細內(nèi)容見文獻1。

2.1 測試方法

2.1.1 patch 測試

使用麥克風(fēng)陣列測量雷諾汽車動力系統(tǒng)周圍的3D聲輻射,并且測試得到的聲壓可以直接映射在聲學(xué)模型上,因而測試結(jié)果可以在仿真計算時繼續(xù)使用。

對于使用聲陣列進行聲場測量,需要保證不同通道之間的信號是同步的,因而最好的方法是在發(fā)動機周圍布置大量麥克風(fēng),并通過單次測量來獲取聲場數(shù)據(jù)。但這一方法需要數(shù)百個頻率范圍在6khz以上的麥克成,而這需要一筆很大的費用。

鑒于此,我們只用了Patch測量方法,因為這種方法只需要使用一個麥克風(fēng)陣列(54通道)。實驗過程中需要將陣列布置在被測試對象的周圍。在此之前,還需要借助交叉譜矩陣(CSM)來使各個通道完全同步。計算CSM矩陣時,我們借助參考麥克風(fēng),并借助文獻2中的參考相位法來獲得。

互譜矩陣(SMM)可以通過下式求得:

其中SHRM代表參考傳感器與麥克風(fēng)陣列互譜的Hermitian矩陣;S-1RR代表參考互譜矩陣的偽逆矩陣;

各個通道間信號同步的程度強烈依賴于SRR平方矩陣的逆矩陣的質(zhì)量。此處,我們使用的方法是將矩陣進行分解,并使用上式求出各個分量矩陣的虛擬S_MM矩陣。并通過使衡量測量得到互譜矩陣與計算得到的互譜矩陣之間的偏差最小,來確定需要的分量矩陣的個數(shù)。最后通過每個通道與參考通道之間的互譜矩陣來修正全局互譜矩陣。

2.1.2 陣列定位系統(tǒng)

Patch方法需要圍繞發(fā)動機來布置傳感器的位置,因而需要一個準確的方法來確定傳感器的布置位置。Vibratec 公司的MicordB團隊使用了基于飛行時間的定位探針,來確保定位精度在1mm以內(nèi)。這種方法便于測試結(jié)果由陣列所使用的坐標系向聲源網(wǎng)格使用的坐標系的快速轉(zhuǎn)換。

2.1.3 傳遞函數(shù)評估

一旦幾何形狀確定后,就需要來確網(wǎng)格上的節(jié)點與麥克風(fēng)之間的聲學(xué)傳遞函數(shù)。大多數(shù)聲學(xué)成像設(shè)備都是基于自由場假設(shè)的。這一假設(shè)是不考慮測試對象引起的散射和反射行為。以發(fā)動機聲源定位為例,這一假設(shè)經(jīng)常容易造成嚴重的聲源成像誤差和虛假聲壓幅值的現(xiàn)象。如果是在消聲室內(nèi)進行聲源測試,且聲源確實在測試面上,自由場假設(shè)下的測試結(jié)果是基本滿足要求的。

第二種方法是測量傳遞函數(shù),但這需要覆蓋6hkz的頻帶,且需要測試5000個節(jié)點上的傳遞函數(shù)。這一過程需要耗費大量的時間,而且需要處理大量的數(shù)據(jù)。

第三種方法是使用經(jīng)由MicrodB實測驗證過的FEM或者BEM軟件[3]。然而這一方法也異常麻煩。使用這一方法時需要將網(wǎng)格上的數(shù)據(jù)與麥克風(fēng)上的數(shù)據(jù)進行傳遞,還需要計算高頻段的結(jié)果。計算完成后還需要將仿真結(jié)果再導(dǎo)入到測試系統(tǒng)中,以便于做后處理。

第四種方法則是將預(yù)估傳遞函數(shù)的算法集成到測試軟件中。這一方法是有T.Mayueres博士在MocrodB時構(gòu)建的[4]。這種方法是基于適用于傳遞函數(shù)計算的等效源建模(ESM)方法得來的[5],該方法有以下兩個假設(shè):

• 聲輻射源是剛性的(網(wǎng)格法向速度0);

• Sommerfeld輻射條件

這種方法在文獻1中通過與剛性球體的理論解與發(fā)動機上實測結(jié)果進行對比得到了驗證。EMS方法被認為是一種便捷準確的方法。這一方法的優(yōu)點是可以使用同一套網(wǎng)格來進行傳遞函數(shù)仿真計算以及陣列測試數(shù)據(jù)的后處理,因而省去了繁瑣的數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出操作。

2.2 后處理

2.2.1 廣義聲學(xué)全息成像

通過傳遞函數(shù)和聲陣列同步測試結(jié)果得到傳播模型后,可以得到動力總成網(wǎng)格上的聲壓幅值和主要聲源的位置?，F(xiàn)有文獻中有很多方法介紹通過陣列測試結(jié)果來重構(gòu)聲源。比如可以通過平面波分解法或是使用球諧函數(shù)分解赫姆霍茲方程最小二乘法等等?，F(xiàn)有研究表明,上述方法可以借助概率統(tǒng)計方法在簡單2D結(jié)構(gòu)[5]或者復(fù)雜3D箱體結(jié)構(gòu)[6]上進行使用。而廣義聲全息技術(shù)正是結(jié)合概率統(tǒng)計方法和上述的傳遞函數(shù)構(gòu)建而來的。關(guān)于噪聲和未知聲源的概率統(tǒng)計方法的更多介紹可參見文獻5,6.使用這種方法可以獲得滿足最小殘差和從能量角度最穩(wěn)定的聲源在網(wǎng)格上的分布結(jié)果。進而,可以對以下表達式進行簡化:

其中

• H是傳遞函數(shù)矩陣,描述了聲源從網(wǎng)格結(jié)點向麥克風(fēng)的傳遞特性。傳遞函數(shù)矩陣由ESM方法得到;

• q是網(wǎng)格節(jié)點上點源復(fù)振幅的未知量;

• p是由重新同步的CSM矩陣計算得到的復(fù)壓力向量;

• λ是使用貝葉斯方法計算的正則化參數(shù)[6];

從而,我們得到了著名的Tikhonov方程:

一旦點源的體積速度能夠得到,就能夠完成向3D網(wǎng)格的映射,以得到每個網(wǎng)格單元上的聲功率。

2.3 在動力總成上的應(yīng)用

2.3.1 搭建測試平臺

我們將雷諾汽車的動力總成安裝在CRITT M2A全消聲室中,并選擇了幾組特定運行工況。測試系統(tǒng)由適用于不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速的設(shè)備及不同傳動比傳動系統(tǒng),來模擬車輛的最大通過噪聲。實驗中對發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速和傳動比下,以及空轉(zhuǎn)下的噪聲水平進行了測試。圖1中顯示了陣列的5個測試位置(相當于270個麥克風(fēng)),并選取其中的8個作為參考通道。

由于仿真計算中動力總成的網(wǎng)格不包含支撐結(jié)構(gòu),因而在實際測試中支撐結(jié)構(gòu)都使用聲學(xué)材料進行覆蓋,以避免造成聲反射。

圖1 發(fā)動機測試臺,發(fā)動機網(wǎng)格模型及測試陣列位置

2.3.2 測試結(jié)果

圖2為最大轉(zhuǎn)矩下,齒輪箱位于3檔,選定發(fā)動機轉(zhuǎn)速下,2Khz處的聲學(xué)全息圖示例。其中紅圈區(qū)域為發(fā)動機油泵。

圖2 2kHz處,發(fā)動機不同表明的聲強分布

為了驗證使用陣列測試結(jié)果計算得到的聲功率結(jié)果的準確性,我們使用聲強探頭對發(fā)動機在低怠速,一定扭矩下的噪聲水平進行了測試。使用聲強探頭進行測試時,遵從了ISO9614-2標準,對每個面進行掃描測試。圖2顯示了測試結(jié)果與計算結(jié)果的對比,兩組結(jié)果的偏差在2dB的偏差范圍內(nèi)。

這種3D聲學(xué)全息成像技術(shù)具有以下優(yōu)點:

• 結(jié)果分析更加簡單,結(jié)果可以直接反應(yīng)在網(wǎng)格節(jié)點上,而不需要與2D面全息圖進行對比;

• 可以直接在網(wǎng)格上選擇子區(qū)域,并計算子區(qū)域的輻射聲功率。

圖3 聲強探頭測試結(jié)果(藍線)與計算結(jié)果(橘黃色線)的對比

通過以下步驟,就可以將動力總成噪聲聲場的結(jié)果導(dǎo)入到仿真軟件中用于計算動力總成裝配到汽車上之后的噪聲輻射特性,并用于優(yōu)化聲學(xué)包。

3. 車輛聲學(xué)模型

在此,我們建立了邊界元模型,用于計算噪聲源從動力總成向測試通過噪聲的傳感器的傳播。模型中通過面單元來表示聲源,吸收和反射表面。模型的求解是基于文獻11中的能量邊界元法。計算的目的是為了獲取動力總成對通過噪聲的貢獻量,進而提出優(yōu)化聲學(xué)包的方案[11]。

3.1 車體網(wǎng)格

在此,我們建立了車體和環(huán)境的邊界元網(wǎng)格。由于求解方法是基于功率平衡原理,因而不考慮聲波之間的干擾,也就不受波長標準的限制。在此只需要關(guān)注聲源的分布以及材料屬性即可。

動力總成的網(wǎng)格與仿真計算聲源特性時使用的網(wǎng)格相同。此處,我們建立一個立方體遠場邊界,邊界網(wǎng)格的大小為1平方米,以便于計算聲源的指向性和聲功率。7.5m處設(shè)置有接收點,以對比仿真結(jié)果與實際位置處麥克風(fēng)測量得到的聲壓值。

地面同樣進行了網(wǎng)格劃分,以考慮地面對聲波反射的影響。車體以外的地面并沒有進行網(wǎng)格處理,這部分區(qū)域?qū)邮拯c處聲壓的影響通過對接收點處的聲壓值進行修正來考慮在內(nèi)。

此外,我們只對影響到聲源向測點麥克風(fēng)傳播的部件進行了網(wǎng)格處理。

圖4 車體、地面、遠場網(wǎng)格模型

3.2 材料設(shè)置

網(wǎng)格設(shè)置完成后,對不同的網(wǎng)格區(qū)塊設(shè)置對應(yīng)的材料屬性。聲學(xué)包的位置如圖5所示,圖6中顯示車體、輪胎和地面。

圖5 右圖:標準聲學(xué)包模型;左圖:吸聲系數(shù)和傳遞系數(shù)

圖 6 車體及地面的吸聲系數(shù)和傳遞系數(shù)

3.3 聲源設(shè)置

首先,將每個網(wǎng)格節(jié)點上的功率譜導(dǎo)出;然后,將其作為聲源導(dǎo)入到Sonor軟件中。

此外,我們選擇噪聲最大的工況(全負荷,第三級齒輪轉(zhuǎn)速為1900rpm)來計算動力總成對噪聲的貢獻量,并優(yōu)化聲學(xué)包。

動力總成的噪聲譜以1/3倍頻的形式加載到仿真計算模型中。

3.4 求解計算

求解計算的理論背景參見文獻7,此處我們對其做簡要介紹。

3.4.1 模型假設(shè)

• 聲波被認為是不相干的,實際聲波之間的干擾被忽略。這一假設(shè)對高頻,寬頻帶,傳播環(huán)境復(fù)雜的聲源是合適的。

• 用輻射功率來描述噪聲源。聲功率均勻分布在聲源表面,并在各個方向上自由傳播;

• 每個網(wǎng)格節(jié)點上的入射場是擴散的

• 邊界對聲波的吸收、反射和傳遞是擴散的(隨機發(fā)生),并通過下式中的能量系數(shù)來描述:

如果節(jié)點i接收到其它節(jié)點向其傳遞的功率Wincident(i),該節(jié)點將會吸收一定的能量,吸收系數(shù)為αi:

節(jié)點對聲波的反射用下式來表示,ri為反射系數(shù):

功率從k面向i面的傳遞播關(guān)系用下式來表示,其中τik為Diffues場中傳遞系數(shù):

由能量守恒可知,αi,ri,τik滿足以下關(guān)系:

3.4.2 視角因數(shù)計算

不同邊界單元上的能量交換取決于單元之間的“視角因數(shù)(view factors)”。這個系數(shù)只和幾何形狀有關(guān)(單元面積,起點,兩個單元之間的障礙物)。當兩個單元之間沒有障礙物時,視角因數(shù)可以通過解析解求得。

當兩個單元之間存在障礙物時,就需要借助Hemicube方法來對視角因數(shù)進行計算。

3.4.3 求解邊界元問題

為了得到待求解的系統(tǒng)方程,需要對每個邊界元單列列出能量平衡方程。對于聲學(xué)問題,單元i輻射的聲功率等于反射、傳遞和源功率的總和:

反射和傳遞功率與入射功率的關(guān)系如式4和式5所示:

第i個元素的入射功率Wincident(i)等于其他各元素的輻射功率乘以視角因數(shù)的和;

由式4,5,7可得:

這樣就可得到包含n個未知量(各個單元上的輻射功率)的n個 方程(在n個邊界元單元上)。

并可以通過稀疏矩陣SuperLU方法求解上述方程組。

3.5 結(jié)果分析

3.5.1 輻射強度云圖

首先,我們可以得到各個網(wǎng)格單元輻射的功率。

在這個結(jié)果的基礎(chǔ)上,我們也可以得到各單元輻射強度的云圖。從接收點處來看輻射云圖,就可以很直觀的看到聲壓的主要傳播路徑。從圖7可以看出,大部分輻射聲源在發(fā)動機機艙的右側(cè)區(qū)域,通過動力總成下聲學(xué)包旁邊的孔傳出,并經(jīng)由地面反射傳遞到右側(cè)接收器。

圖7 輻射強度 右視圖和下視圖

3.5.2 入射強度圖

使用式8可以計算得到入射功率,并繪制出入射強度云圖。這一結(jié)果能夠指導(dǎo)我們在最佳的位置鋪放吸聲材料。

圖 8 入射強度云圖

3.5.3 傳播和反射強度云圖

通過式4和5可以計算得到各個單元的透射和反射功率強度,從而可以畫出透射和輻射功率強度云圖。圖9顯示了發(fā)動機艙下的傳播和輻射功率強度云圖。

可以看出,圖7中的輻射功率主要是由于聲波反射引起的,而不是由于透射。這一結(jié)果表明:聲學(xué)包的透射系數(shù)是足夠高的,從而通過聲學(xué)包底部的吸聲系數(shù)來降低聲學(xué)包與地面之間的混響能夠起到更好的隔聲效果。

圖 9 發(fā)動機底板上的反射(上)和傳遞強度(下)

3.5.4 功率平衡

為了量化聲學(xué)包的入射、反射和傳遞功率,吸聲材料位置處的入射功率或是可能向艙內(nèi)傳遞噪聲的面板上的入射功率,我們對功率平衡做了進一步計算。

3.5.5 聲壓云圖和頻譜

通過公式10,我們可以得到接收點上的壓力云圖以及頻譜圖,如下圖10和11所示:

其中,p2 (j)是第j個點上的壓力平方值,W(i)是第i個單元面的輻射功率,VFij是第i個面與第j個點的立體角。

圖10 動力總成對7.5m位置接收點上噪聲的貢獻。右側(cè)接收點上聲壓值相對較高

圖 11 最大通過噪聲工況下,7.5接收點處的聲壓值

通過在特定的工況中開啟響應(yīng)的源項,就能夠獲得發(fā)動機不同表面對噪聲的貢獻量。這一結(jié)果為使用聲學(xué)包降低發(fā)動機噪聲,確定發(fā)動機的主要振動源以及在發(fā)動機噪聲的傳播路徑上安裝聲學(xué)包提供了有效的指導(dǎo)。

3.6 驗證

通過測試結(jié)果來對計算結(jié)果進行驗證。

3.6.1 全局輻射聲功率

圖12 顯示了在低怠速工況下車輛的噪聲聲功率?；疑€表示使用發(fā)動機測試平臺上測試得到的動力總成的聲場數(shù)據(jù),上述汽車模型,以及標準聲學(xué)包模型得到的聲功率結(jié)果。橙色曲線代表根據(jù)ISO標準,在混響室中通過測試聲壓級得到的聲功率結(jié)果。仿真計算結(jié)果相比實測結(jié)果低1.4dB,但考慮到以下因素,這是一個相當好的計算結(jié)果:

• 聲源表征方法的不確定性;

• 車輛聲功率測量的不確定性;

• 發(fā)動機在實驗臺以及在真實車輛上的裝配差異;

• 進氣和排氣噪聲的影響;

• 計算模型的不確定性;

圖 12怠速條件下聲功率測試值與計算值的對比

圖13 聲學(xué)包插入損失測試值與計算值對比

圖13顯示了兩組不同聲學(xué)包的插入損失差異,其中灰線是計算結(jié)果,橙色線是混響室中測試結(jié)果。兩條曲線有較好的一致性(偏差在0.3dB)。因而,該模型可以認為在計算聲學(xué)包插入損失時是準確的。

3.6.2 聲壓水平

為了比較在通過噪聲測試條件下接收點的聲壓值,我們將車輛安裝在半消聲室中的傳動臺上。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和齒輪傳動比滿足PBN(Pass-by Noise)測試總對加速度的要求,此時發(fā)動機噪聲位于最大水平。由于測試環(huán)境的限制,測點與車軸的距離為2m,而不是7m。測試過程中,前輪安裝有滾動輪胎,且已經(jīng)將輪胎轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的噪聲降低至最小值。由于正常測試時,輪胎在轉(zhuǎn)動測試臺上正常滾動的,因而需要從測試結(jié)果中剔除由于輪胎滾動產(chǎn)生的噪聲,才能得到動力總成貢獻的聲壓級。因為輪胎產(chǎn)生的噪聲與動力總成產(chǎn)生的噪聲水平在一個量級,使得這一操作又增加了測試的不確定性。

測試完成后,我們將四個麥克風(fēng)測試得到的聲壓的平均值與圖14得到的理論計算值進行對比。

盡管計算值在低頻段段偏高,而在2000-3150Hz偏低,但總的計算結(jié)果與實際測試值得偏差只有0.9dB。從而確定,該理論計算方法在仿真計算動力總成對噪聲貢獻量時是準確的。

圖14 PNB測試條件下,測試得到的動力總成聲壓級與仿真值得對比

3.7 優(yōu)化聲學(xué)包

借助仿真計算結(jié)果以及在使用聲場云圖對傳遞路徑的分析,我們提出來四種優(yōu)化后的聲學(xué)包設(shè)計方案。其中聲學(xué)效果最好的設(shè)計方案如圖15所示。這一方案在距離動力總成在7.5m處的側(cè)點上有7dBA的插入損失。目前,我們的合作伙伴正在對這一方案進行詳細的研究,以便使其更加具有實用價值。此外,我們還進行了新材料方面的研究。

圖15 優(yōu)化后的聲學(xué)包示意圖

圖 16 優(yōu)化后的聲學(xué)包插入損失仿真值

4. 結(jié)論

在歐盟法規(guī)即將提高車輛噪聲標準的限制下,Vibratec和MicrodB提出了一種在3D邊界元網(wǎng)格法基礎(chǔ)上計算動力總成噪聲水平的方法。在此基礎(chǔ)上,將計算結(jié)果導(dǎo)入到車體聲學(xué)模型中,從而可以用于預(yù)測車輛的通過噪聲并優(yōu)化聲學(xué)包設(shè)計。實驗表明,文章提出的方法與測試結(jié)果有較好的一致性,并適用于工業(yè)應(yīng)用。雷諾汽車已經(jīng)采用了本文研究提出的具有7dB插入損失的新的聲學(xué)包設(shè)計,樣車于2016年底下線。 

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