LMS测试分析系统在汽车PBNR测量中的应用

当今世界，汽车工业已成为国民经济发展的重要支柱产业之一，而面对激烈竞争的汽车市场，除了提高汽车的各项性能指标和经济指标外，改善汽车排放，降低汽车振动与噪声，提高汽车舒适度已成为现代汽车设计及新技术开发研究的一个重要方面。噪声、振动与舒适性，是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。声、振动与舒适性是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和车辆的振动噪声问题有关系，而各大公司有近10~20%的研发费用消耗在解决车辆的振动噪声问题上。汽车的内饰件的主要作用之一就是这些零件作为系统或者部件单独和相互作用，来隔断外界声音和通过吸声作用把声能转化为热能，降低车内噪声。今天市场竞争加剧，产品换代速度加快，通过竞争对手车辆分析来获得有用信息从而为我所用已经成为一种开发主流，特别对国内整车厂，要想自主开发就必须掌握一定的竞争对手性能分析能力，研究好、研究透对手。但是如果内饰零件隔声、吸声方测量法必须进行部件研究，就意味着要买来车来进行拆卸，这样就加剧了研发成本和时间。本文论述的基于能量的隔声吸声测量PBNR（Power Based noise Reduction）技术是基于完整的不受损样车进行。基于能量的隔声/吸声测试PBNR基于能量的隔声值PBNR定义为点声源的声功率与某点测量的声压平方的比值，其是三分之一倍频程频率的函数。用对数的形式可以表示为：

其中： Πref / p2ref =1/400.
p*是声压p的共轭.
(p p*) 声压的均方值，或者所测量得到的声压自普。
Π, 是点声源在自由场测得得声功率。

基于能量的隔声PBNR的值可以通过声学传递函数的方法来获得。声学传递函数是响应点声压与点声源中心处体积加速度的频率函数。点声源的声功率在自由场中可以用下列公式表示：

这里， ρ , c空气的密度和空气中声速.
Qa 和Qa*分别是体积加速度及其共轭。

因此Qa * Qa*就是所测量的体积加速度的自普。进而， PBNR的值可以用下公式表示：

这里 a p /Q 是测得的声压对体积加速度传递函数的幅值，可以转化成三分之一倍频程谱的形式。

基于能量的隔声/吸声测量PBNR方法与传统的隔声测量（Noise Reduction）方法相比PBNR方法更全面考虑系统的隔声和吸声（声源侧和接收侧）特性，比如在测量发动机舱到车内的声学特性时，传统的隔声测量方法不能获得发动机舱盖下材料以及隔音垫吸声特性的影响，而这些材料对于降低车内噪声来说是经常采用的，而PBNR的方法则考虑这些。同时PBNR的方法可以用来评价整车声学饰件性能的好坏，对整车没有任何破坏。而传统的隔声方法只能评价单个零部件或者单个部位声学性能的好坏，在整车不破坏的基础上进行实验费时费力。

同时PBNR方法容易实施，对声学测量环境和测量设备要求不很高。

PBNR的测量主要是基于传递函数的方法，系统流程图如下：激励源为体积速度声源，麦克风根据实际系统通道的多少自由选择。根据互异性原理，声源可以放在车外，麦克风放在车内；或者声源放在车内，麦克风放在车内。 [p]

图1 测试系统框图

实验用的后处理系统为：LMS Test.lab 6.0，该系统功能齐全、操作方便，而且效率高。数据采集前端为LMS SCADAS 。体积速度声源为LMS中高频体积速度声源。

PBNR技术在整车对比试验中的应用

基于PBNR理论，针对市场上同一竞争领域不同的四个品牌的代表车型进行了整车隔声吸声试验。实验分别假设声源来自不同的车外部位，例如发动机舱、轮胎与地面接触区域、车身地板下方、排气管位置。

图4 地板区域/驾驶员耳处隔声吸声性能

图5 发动机舱/驾驶员耳处隔声吸声性能

图6 轮胎接地区域/驾驶员耳处隔声吸声性能 [p]

图7 排气尾管/排乘客耳处隔声吸声性能从测量结果可以看出，尽管品牌不同，但是同一级别的车辆，对来自不同部位的声源具有相似的隔声/吸声特性，隔声/吸声量三分之一倍频程谱的变化趋势基本相同。地板区域、轮胎地面接触区域到驾驶员耳出的隔声/吸声特性：是以1000Hz为拐点的两条折线，随着频率的降低而依次降低；1000Hz以下变化较快，以上变化平缓。其原因是由于1000Hz以下的隔声/吸声特性主要是由于系统的隔声（质量控制）特性起作用，吸声特性在1000Hz以下贡献很小，高于1000Hz的隔声/声特性是系统的隔声和吸声特性共同起作用，而材料的吸声系数随频率的变化很小，从而使得1000Hz以上频带隔声/吸声量变化平缓。而从发动机舱到驾驶员耳出的隔声/吸声特性呈现均匀的变化这是由于在这条传递路径上主要是前防火墙上的隔音垫起主要的声学作用，而隔音垫主要是隔声零件，没有什么吸声特性。从排气管到后排乘客耳出的隔声吸声特性除了一个低谷以外，其他频带下基本上均匀变化，这个低谷只要是因为这条传递路径的薄弱环节是从尾管通过后风挡玻璃直接到后乘客耳处，低谷时由于此频率是对应于玻璃的“吻合频率”，削弱了隔声特性。

为了验证PBNR的测试结果能否反映到实际车辆行驶时的噪声性能，对其中的两辆车安装同样的轮胎进行路噪试验，结果如图8所示。比较图8和图6，可以发现二者具有相似性。在低速滑行工况下，轮胎的噪声是主要的声源，因此轮胎地面接触区域到驾驶员耳处的隔声吸声特性反映了车内实际路面噪声的水平。500~2000Hz在图6上#2车的隔声特性高于#3车，相应地车内路面噪声#2车低于#3车。其他频带上也基本吻合。

图8 实际路上测量得到车内的驾驶员耳处声音频谱特性结束语

基于能量的隔声吸声特性测试技术，与传统的隔声、吸声测试技术相比，试验简单易行、快捷，而且可以基于整车不拆卸的基础上，节省研发资金。非常适合于竞争对手整车特性分析，对于我们提高自主开发水平意义非凡。而且PBNR的测试结果还可以用来验证进行模拟分析预测的统计能量(SEA)模型，提高模拟分析精度。同时PBNR的结果也可以用作为子系统的要求，提供给子系统集成供应商作为进行系统开发的依据。

参考文献
1. LMS Engineering Services, Mid High Frequency Volume Acceleration Source, E-MHFVVS, 2004.
2. J. Zhu, Q. Zhang, et al., ”Power-Based Reduction Technique and Its Application to SEA Modeling,” InterNoise 2002, Dearborn, Michigan, 2002.