摘要:由于動(dòng)力總成的不同，電動(dòng)車與傳統(tǒng)車的振動(dòng)噪聲源也有較大差異。筆者對某電動(dòng)車動(dòng)力總成的振動(dòng)噪聲特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。利用頻譜分析、階次分析等方法來識別動(dòng)力總成的主要振動(dòng)噪聲源，分析加速和穩(wěn)態(tài)工況下各激勵(lì)源對動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)量。基于心理聲學(xué)客觀評價(jià)參數(shù)，分析了電動(dòng)車動(dòng)力總成聲品質(zhì)特性。研究結(jié)果為電動(dòng)車動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)支持，并表明了進(jìn)一步研究電動(dòng)車聲品質(zhì)的必要性。
引言
聲品質(zhì)對整車質(zhì)量認(rèn)知度有很大影響，統(tǒng)計(jì)表明汽車的事態(tài)發(fā)展錯(cuò)誤中有三分之一是與噪聲、振動(dòng)及舒適性（
noise,vibration and harshness，簡稱NVH
）有關(guān)，每年噪聲相關(guān)方面的保修費(fèi)用占據(jù)整車的20％左右。
傳統(tǒng)車動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲特性的研究已有很多。胡國強(qiáng)等通過對柴油機(jī)進(jìn)行燃燒噪聲分析和噪聲源識別，采取怠速噪聲降噪措施，并對優(yōu)化前后的結(jié)果進(jìn)行聲品質(zhì)比較。盧豐翥等對柴油機(jī)進(jìn)行怠速聲品質(zhì)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，并不是噪聲值越小聲品質(zhì)就越好。相龍洋等對手動(dòng)變速器噪聲源識別進(jìn)行了試驗(yàn)研究。但是，對于電動(dòng)車來說，內(nèi)燃機(jī)被電機(jī)所取代使得動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲源發(fā)生很大變化。一方面，電機(jī)電磁激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲；另一方面，由于人的雙耳的構(gòu)造以及掩蔽效應(yīng)的存在，發(fā)動(dòng)機(jī)的缺失會(huì)使電動(dòng)車其他部件的噪聲變得更為顯著，很多情況下更為刺耳與令人不適(如逆變器噪聲、齒輪傳動(dòng)系噪聲)。
近些年，隨著世界各國大力推廣新能源汽車，國內(nèi)外學(xué)者也開始研究電動(dòng)車的振動(dòng)噪聲特性。嚴(yán)剛等對某純電動(dòng)汽車車內(nèi)噪聲試驗(yàn)研究，識別了不同工況下的噪聲源。Islam等研究并分析了永磁同步電機(jī)的噪聲和振動(dòng)。研究表明，噪音和振動(dòng)的根源是徑向力引起的電磁振動(dòng)。大多學(xué)者以噪聲級為標(biāo)準(zhǔn)研究其噪聲特性，并進(jìn)行降噪的優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是，基于噪聲級的研究存在局限性，顧客評價(jià)一輛車的好壞并不以噪聲級水平為評價(jià)指標(biāo)，而是以駕駛過程中的主觀感受進(jìn)行評價(jià)。因而，基于能夠反映人的主觀感受的心理聲學(xué)客觀評價(jià)參數(shù)
對電動(dòng)車進(jìn)行聲品質(zhì)的研究就尤為必要。
筆者以某集中驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車動(dòng)力總成為研究對象，對其進(jìn)行振動(dòng)噪聲整車試驗(yàn)研究，得到了箱體表面的振動(dòng)噪聲情況，確定了動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲的主要激勵(lì)源。以幾個(gè)典型的聲理學(xué)客觀評價(jià)參數(shù)為評價(jià)指標(biāo)，對電動(dòng)車動(dòng)力總成聲品質(zhì)特性進(jìn)行初探。
1 動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲測試
試驗(yàn)中振動(dòng)噪聲信號測試系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 振動(dòng)噪聲信號測試系統(tǒng)
考慮到試驗(yàn)現(xiàn)場整車運(yùn)行的特點(diǎn)，為了較準(zhǔn)確測量電動(dòng)車動(dòng)力總成的噪聲，最大限度削弱其他噪聲信號的影響，噪聲測量時(shí)采用近聲場測量方法，將麥克風(fēng)置于與電機(jī)動(dòng)力總成噪聲源較近的測點(diǎn)測量聲壓；然后，再通過LMS SCADAS
Ⅲ
316W接口箱將信號輸入PC機(jī)，由LMS Test Lab軟件完成信號記錄。
LMS Test Lab是一整套的振動(dòng)噪聲試驗(yàn)解決方案，是高速多通道數(shù)據(jù)采集與試驗(yàn)、分析、電子報(bào)告工具的結(jié)合，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處理、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析、聲學(xué)和環(huán)境試驗(yàn)。
1.1 試驗(yàn)裝置與測量儀器
本試驗(yàn)針對某集中驅(qū)動(dòng)式純電動(dòng)車動(dòng)力總成進(jìn)行振動(dòng)噪聲測試。試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行(圖2)。3個(gè)聲壓傳感器分別布置在電機(jī)端部、減速器處、差速器處3個(gè)位置，4個(gè)三向加速度傳感器貼在動(dòng)力總成表面不同位置。試驗(yàn)裝置及傳感器測點(diǎn)布置如圖3所示。
圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場
圖3 傳感器布置
1.2 試驗(yàn)過程
本次試驗(yàn)?zāi)M了車輛的典型工況。為了能夠測試動(dòng)力總成的整體噪聲水平并系統(tǒng)分析其振動(dòng)噪聲特性，進(jìn)行了兩種不同的試驗(yàn)：a.穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，分別測試了電動(dòng)車在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)噪聲水平；b.瞬態(tài)
試驗(yàn)，分別測試了車速從0～80km/h勻加速過程中的振動(dòng)噪聲水平隨轉(zhuǎn)速變化過程。
2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
2.1 勻速工況
2.1.1 動(dòng)力總成振動(dòng)測試結(jié)果分析
圖4為車速50km/h、電機(jī)轉(zhuǎn)矩為12N·m時(shí)，動(dòng)力總成箱體表面加速度頻域圖。從圖中觀測到邊頻譜現(xiàn)象，即某些階次響應(yīng)頻率兩側(cè)存在數(shù)值相近的較為密集的頻率成分，這說明該階次頻率在時(shí)域上較為集中分布在一定的區(qū)間范圍內(nèi)。
圖4 動(dòng)力總成表面振動(dòng)加速度頻譜圖
圖4(a)表示電機(jī)殼體外側(cè)振動(dòng)情況，從圖中可以看出振動(dòng)加速度在1200，1420，1650Hz等頻率處存在峰值，分別對應(yīng)電機(jī)6，7，8倍電流頻率。圖4(b)中，減速器軸承座處在3300和4260Hz附近有明顯峰值，分別對應(yīng)輸入級齒輪嚙合頻率的2倍頻和3倍頻。值得注意，在3300Hz處，整個(gè)動(dòng)力總成表面振動(dòng)明顯，因此可能與系統(tǒng)某一階模態(tài)有關(guān)。綜上分析，動(dòng)力總成的動(dòng)響應(yīng)受到電磁激勵(lì)、齒輪動(dòng)態(tài)嚙合力等多源激勵(lì)以及系統(tǒng)固有特性的綜合作用。
2.1.2 動(dòng)力總成噪聲測試結(jié)果分析
研究勻速行駛工況下車內(nèi)噪聲特點(diǎn)和識別主要噪聲源對優(yōu)化整車NVH性能有重要作用。測試10～80km/h時(shí)動(dòng)力總成噪聲水平，如圖5所示。
從圖5中可以看出，減速器軸承座處聲壓水平明顯較高，隨著車速的增加，減速器和差速器軸承座處的聲壓級基本不變；相反，電機(jī)端部的聲壓級波動(dòng)較大。在試驗(yàn)過程中，隨著車速的提高，高頻噪聲增大，盡管電機(jī)的噪聲級水平不高，但是由于波動(dòng)較大，會(huì)使人感到煩躁。因此，研究勻速行駛工況下車內(nèi)噪聲特點(diǎn)和識別主要噪聲源對優(yōu)化整車NVH性能有重要作用。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車速以50，60，70km/h勻速行駛時(shí)，動(dòng)力總成表面3個(gè)測量點(diǎn)噪聲分布規(guī)律相似。其中減速器軸承座處測量點(diǎn)噪聲最大。電動(dòng)車勻速行駛時(shí)減速器測量點(diǎn)噪聲特點(diǎn)如圖6所示。由圖可知，減速器處噪聲能量主要分布在1600～3500r/min。不同車速下，在480與944Hz處均存在由控制器引起的峰值噪聲。圖6(a)中出現(xiàn)較多峰值，其中1203，1698，3323，4082Hz分別為電機(jī)6倍、8倍、16倍和20倍的電流頻率，這些峰值都有頻率窄，峰值高的特點(diǎn)，因此對噪聲影響貢獻(xiàn)量較大；1540，2985，4209Hz分別是輸入級齒輪嚙合頻率的1,2,3倍頻。如果能采取相應(yīng)的措施，將這些峰值降低，動(dòng)力總成噪聲將得到大幅的改善。圖6(b)中，車速為60km/h時(shí)，減速器軸承座處有幾個(gè)明顯的峰值。其中：1097，2057和2563Hz分別為電機(jī)4倍、8倍和10倍的電流頻率；4018Hz為齒輪嚙合頻率的2倍頻。圖6(c)中，在70km/h時(shí)，1181Hz對應(yīng)電機(jī)4倍電流頻率。2437Hz既對應(yīng)電機(jī)的8倍電流頻率，又對應(yīng)輸出級齒輪嚙合頻率的3倍頻，因此具有較大峰值；4462Hz對應(yīng)輸入級齒輪嚙合頻率2倍頻，4863Hz對應(yīng)輸出級齒輪嚙合頻率6倍頻。
2.2 急加速工況
2.2.1 階次跟蹤分析
旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的升降速過程的振動(dòng)噪聲信號為非平穩(wěn)信號，不滿足傅里葉變換對信號的平穩(wěn)性要求，若直接用傳統(tǒng)傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析，則會(huì)產(chǎn)生“頻率模糊”現(xiàn)象。階次跟蹤是用于分析旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件故障的重要方法，用等角度間隔采樣將非平穩(wěn)信號轉(zhuǎn)化為不受其影響的平穩(wěn)信號，結(jié)合傳統(tǒng)頻譜分析對系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)和噪聲信號的分析。
研究旋轉(zhuǎn)部件時(shí)，定義參考軸轉(zhuǎn)頻為基頻(1階)，其他軸或部件頻率為參考軸頻率的倍數(shù)，稱為階次。階次與頻率、參考軸轉(zhuǎn)速間轉(zhuǎn)化公式分別為
其中：
f為頻率，Hz；
n為參考軸轉(zhuǎn)速。
表1 齒輪參數(shù)
電機(jī)轉(zhuǎn)軸為參考軸，其轉(zhuǎn)動(dòng)階次為Oref＝1ord。因此輸入級齒輪嚙合階次為Og1＝29ord。中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)階次為參考軸階次乘以傳動(dòng)比，即Oa1＝1×29/47＝0.62ord；輸出級齒輪嚙合階次為Og2＝0.62×17＝10.54ord。
對于整數(shù)槽繞組永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁激振力的階次可以表示為
其中：p為電機(jī)極對數(shù)，k＝1,2,3，…。
2.2.2 動(dòng)力總成振動(dòng)測試結(jié)果分析
在圖7(a)電機(jī)外側(cè)徑向振動(dòng)階次圖中，第20,24,28階均與電磁激勵(lì)有關(guān)，電流諧波引起15階和38階，齒輪嚙合激勵(lì)引起第55階和57階；圖7(b)減速器軸承座處y向振動(dòng)階次圖中，第55,57階與齒輪嚙合頻率有關(guān)，而第28階則與電磁激勵(lì)有關(guān)。
因此，電磁激勵(lì)與齒輪嚙合激勵(lì)對動(dòng)力總成振動(dòng)特性均有影響。
圖6 減速器表面噪聲特點(diǎn)
圖7 動(dòng)力總成表面振動(dòng)階次圖
2.2.3 動(dòng)力總成噪聲測試結(jié)果分析
圖8為電機(jī)端部聲壓階次圖，結(jié)合圖7(a)可以看出，部分振動(dòng)階次在聲場中也得到體現(xiàn)：既有電磁激勵(lì)產(chǎn)生的第20,28階次，也有齒輪嚙合激勵(lì)產(chǎn)生的55階次。
圖8 電機(jī)端部噪聲階次圖
圖9中最上方粗線為總體噪聲級水平，其他各曲線為各特征階次對應(yīng)的噪聲分量。由圖9可知，在低轉(zhuǎn)速920r/min以下，55階次對系統(tǒng)總體噪聲的貢獻(xiàn)很大。在中等轉(zhuǎn)速2000～3000r/min時(shí)，各階噪聲對總體噪聲水平的貢獻(xiàn)相差不大。在高轉(zhuǎn)
速3300～5000r/min時(shí)，第20階對總體噪聲的貢
獻(xiàn)較大。
由此可以看出，電機(jī)端部的噪聲主要是由電磁激勵(lì)引起的。
圖9 電機(jī)端部噪聲階次轉(zhuǎn)速跟蹤圖
由圖9看出，20階和35階在4389r/min出現(xiàn)峰值，此轉(zhuǎn)速分別對應(yīng)圖中1363和2516Hz。28階在5243r/min出現(xiàn)峰值，此轉(zhuǎn)速對應(yīng)圖中的頻率2516Hz。55階在1604r/min和2765r/min出現(xiàn)峰值，此兩轉(zhuǎn)速分別對應(yīng)圖中的頻率1363和2516Hz。從圖中可以看出，1363Hz和2516Hz對應(yīng)的振動(dòng)加速度幅值在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都較高，因此，這兩個(gè)頻率應(yīng)為動(dòng)力總成系統(tǒng)的某兩階模態(tài)
頻率。
圖10為減速器軸承座處的噪聲階次圖，結(jié)合圖7(b)可以看出，部分振動(dòng)階次在聲場中也得到體現(xiàn)：既有電磁激勵(lì)產(chǎn)生的第20階次，也有齒輪嚙合激勵(lì)產(chǎn)生的55和57階次，還有二者共同作用產(chǎn)生
的28階
次。
圖10 減速器軸承座處聲壓階次圖
圖11中最上方粗線為總體噪聲級水平。其他各曲線為各特征階次對應(yīng)的噪聲分量。由該圖可知，在高轉(zhuǎn)速1387～2034r/min時(shí)，第20和28階對總體噪聲的貢獻(xiàn)較大。在轉(zhuǎn)速2034～4300r/min時(shí)，第55和57階噪聲對總體噪聲水平的貢獻(xiàn)較大。在轉(zhuǎn)速5000r/min以上時(shí)，第20和28階是總體噪聲的主要貢獻(xiàn)。
圖11 減速器噪聲階次轉(zhuǎn)速跟蹤圖
由圖11可以看出，55階在4294r/min處出現(xiàn)峰值，此轉(zhuǎn)速分別對應(yīng)圖中3943Hz。28階在5088r/min出現(xiàn)峰值，此轉(zhuǎn)速從圖9中也可以反映出來。值得注意的是，在3800r/min以上，盡管第20和28階次對系統(tǒng)總噪聲級貢獻(xiàn)并不明顯，但是由于其波動(dòng)較大，使人感到煩躁。因此，在以噪聲級水平為目標(biāo)值進(jìn)行NVH研究并不完全適用。
3 聲品質(zhì)
汽車作為商品最終是面向市場的，顧客對汽車的主觀感受是決定一輛車好壞的最終標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的掩蔽效應(yīng)缺失，電機(jī)的高頻噪聲，高轉(zhuǎn)速帶來的齒輪嘯叫問題，汽車品牌音質(zhì)以及人們對電動(dòng)車舒適環(huán)境的高期望值，給電動(dòng)車NVH的研究帶來了新的挑戰(zhàn)。僅僅以聲壓級作為NVH的衡量標(biāo)準(zhǔn)不再滿足汽車的發(fā)展要求，盡管某些工況下電動(dòng)車的總體噪聲水平低于傳統(tǒng)車，但是，聽起來會(huì)很不舒服。因此，心理聲學(xué)就應(yīng)運(yùn)而生，心理聲學(xué)是研究聽覺的心理反應(yīng)。
由于人的主觀感受沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不易測量。因此，國際上許多專家學(xué)者提出用心理聲學(xué)客觀參數(shù)來反映人的主觀感受。響度、尖銳度是影響聲品質(zhì)偏好型的兩個(gè)主要心理聲學(xué)參數(shù)。其中，響度是反映人耳對聲音強(qiáng)弱的主觀感受程度，它考慮了特征頻帶分布和人耳掩蔽效應(yīng)對聲音的影響。尖銳度描述了高頻成分在聲音頻譜中所占的比例，它反映了聲音信號的刺耳程度。
圖12為動(dòng)力總成表面的響度情況，從圖中可以看出3個(gè)測量點(diǎn)的趨勢基本一致，隨著車速的升高，響度逐漸增大，人耳也感覺聲音越來越響。圖13為動(dòng)力總成表面尖銳度情況，從圖中可知，動(dòng)力總成表
面的尖銳度分部極不均勻。
電機(jī)端部尖銳度隨著車速升高先快速下降再緩慢升高；
減速器處尖銳度整體趨勢則先隨轉(zhuǎn)速升高而緩慢下降再快速升高，并在轉(zhuǎn)速為4300r/min(車速65km/h)左右時(shí)出現(xiàn)峰值，隨后又有所下降；
減速器處尖銳度隨著轉(zhuǎn)速升高先快速下降隨后逐漸升高；
3個(gè)測量點(diǎn)的尖銳度均在轉(zhuǎn)速為1700r/min(車速26km/h)左右時(shí)有最小值并相差不大。
由此可知，此時(shí)動(dòng)力總成表面尖銳度分布最均勻，而且人耳感覺最不刺耳。
圖12 響度
圖13 尖銳度
4 結(jié)論
1）綜合利用頻譜分析、階次分析等方法來識別動(dòng)力總成的主要振動(dòng)噪聲源。電機(jī)電磁激勵(lì)產(chǎn)生的電流倍頻和減速器齒輪的1,2,3倍嚙合頻率對系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲影響較大。
2）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盡管電機(jī)端的總體噪聲水平較減速器與差速器低，但是波動(dòng)較大，聽起來感到不舒服。這說明聲音的煩躁度與聲壓級沒有關(guān)系，而是與聲壓級的變化率有關(guān)。
3）以心理聲學(xué)客觀評價(jià)參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，對動(dòng)力總成聲品質(zhì)特性進(jìn)行了初步研究。研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力總成表面響度分布較一致；尖銳度分布不均勻，車速為26km/h時(shí)，有最小值。
文章來源：CEA氫氫子衿
