一种基于声功率的整车降噪试验方法
1.前言
作为评价汽车操控性和乘坐舒适性的重要指标，振动噪声越来越受到人们的重视。根据噪声产生的不同机理，车内噪声可分为结构传播噪声和空气传播噪声，发动机、轮胎在运转状态下辐射出的噪声，传递到车内属于空气传播噪声的范围。对于空气传播噪声的控制，一般是通过在发动机舱和车内布置声学包，来阻隔和吸收噪声源的辐射噪声，因此声学包的设计水平对整车声品质有很大影响。对声学包零件的评估有多种方法，常见的有全消全反试验室评估隔声量，混响室评估吸声系数。传统的隔声评估方法需要将车辆切割后制作工装，进行窗口隔声试验，试验需周期很长，费用也较高。本文介绍了一种基于声功率的降噪试验方法(Power Based Noise Reduction，简称PBNR)[1,2]，能够在不破坏车辆前提下快速评估整车声学包隔声、吸声能力，与竞争车型进行快速对比从而设定整车目标，此外还可以进行噪声路径分析，查路径上的泄漏和声学包设计的薄弱环节。
2.基于声功率的降噪试验方法
PBNR被定义为点声源声功率Π对于某点测量声压p均方值的比率，是1/3倍频程的函数，dB 值的表达式为[3]：
PBNR=10×log10[Π/(p·p*)/α] (1)
公式(1)中，Π是点声源在自由场测得的声功率，其参考值α=Πref/p2ref=1/400；p*是声压p的的共轭值；(p·p*)是均方声压值或测量声压的自功率谱。
PBNR可以通过空气声传递函数（ATF）计算获得，ATF被定义成响应点的声压（Pa）对声源的体积加速度（m3/s2）的比率，用来表示一个系统的空气声路径特性，单位为dB（Pa/m3/s2），参考值＝20μPa/m3/s2。
当一个点声源处于自由声场内时，其声功率才能以体积加速度表示为：
Π=ρQa×Qa*/（4πc）(2)
式中Qa为体积加速度，Qa*为Qa的共轭，Qa*Qa*是测得的体积加速度的自功率谱。这样，PBNR便成为：
PBNR=10×log10[(Qa/p)·(Qa/p)ρ/（4παc）（3）
=-20 log10[(p/Qa)/(ρ/4παc)1/2 （4）
=-20 log10(p/Qa)-9.5 （5）
式(5)中∣p/Qa∣是测得的响应声压对体积加速度的ATF幅值。
PNBR与隔声(STL)测试和降噪(Noise Reduction, NR)测试有很大不同，STL测试只能评估单一声学零件的隔声能力，无法同时评估声源侧和接受侧的吸声材料的吸声能力，NR可以评估接受侧比如车内的吸声混响能力，但无法评估声源侧如发动机舱内的吸声材料，而基于声功率的降噪试验方法PBNR，声源侧测量的是声源的体积加速度即声功率，而不是声压或声强，接受侧测试的是经过混响和衰减后的声压，所以不但能评估传递路径上的隔声能力，还能同时评估声源侧和接受侧的吸声能力。
测试PBNR有2种方法，一种是在实际噪声源处放置体积速度声源，在车内处放置麦克风，测量两者之间的ATF，但体积速度声源布置起来耗时耗力，一次只能测试一条路径；另一种方法是根据互异性原理，声源放在车内实际接受处位置，麦克风布置在实际声源如发动机表面、轮胎接地处、排气末端，来测试ATF。这种方法布置简单，避免了空间不足拆卸零件的问题，而且可以在多个实际声源处布置麦克风，同时测试多条路径的ATF。
测试中，使用了LMS中高频体积速度声源[4]，产生200-10000Hz的白噪声，如图1所示。数据
采集前端为LMS SCADAS，数据处理系统为LMS Test.lab 11A，输出不同路径的PBNR。
图1 LMS中高频体积速度声源
3.PBNR在整车开发中的应用
3.1 与竞争车型进行整体对比
PBNR的第一个应用是与竞争车型在声学包隔声吸声能力、车辆密封水平进行对比，为新车型开发设定整车目标。图2为新君越与德系、日系相同价位的竞争车型在发动机舱到驾驶员右耳的PBNR对比，新君越在整个频段上都好于竞争车型，随着频率的上升，其优势越来越明显，最大差异为10dB。新君越为打造“图书馆级静音”，在噪声控制方面做了大量设计工作，包括最大限度地增加内前围隔音垫重质层的面密度、对防火墙上各种穿孔件的密封水平的提升、发动机舱高性能吸声材料的布置等。图3为前
左轮胎到驾驶员右耳的PBNR对比。路噪尤其是光滑路路噪与轮胎辐射噪声直接相关，因此轮胎接地处到车内的PBNR可以表达车辆对路噪的控制水平。新君越在控制路噪上的措施，包括最高水平的地毯隔音垫隔音吸声能力，多道车门密封条，声学夹层玻璃等，所以新君越在整个频段上优于竞争车型。
图2新君越与竞争车型PBNR比较，发动机舱图3新君越与竞争车型PBNR比较，前左轮胎
3.2 通过PBNR查噪声传递路径
PBNR的第二个应用是在样车开发阶段查问题。图4所示，红线为发动机舱到驾驶员右耳的PBNR目标线，蓝虚线为改进前的状态，可以看到从1600Hz开始，PBNR值下降很快，与目标值
有较大差异。PBNR是一个综合反映车辆的隔声能力、吸声能力、密封状态的指标，但在不同频段上，隔声、吸声的控制能力不同。1000Hz以下，声学包与车身钢板组成的double wall隔声系统起主要作用，泄漏对这段频率影响很小，高于1000Hz，隔声系统受到泄漏的影响而被消弱，吸声材料的吸声系数随频率的提高上升很快，在这个频率段可以弥补泄漏对隔声的影响。前围防火墙上安装很多穿孔件，如转向管柱防尘罩，油门、刹车、离合器踏板，空调进风口和冷热水管路等，任何一处穿孔件安装不到位，与隔音垫配合有问题，都会影响车内高频噪声。通过使用超声波泄漏仪，查PBNR下降的原因，发现转向管柱防尘罩与空调冷热水管路处存在泄漏。对泄漏处进行声学处理，并在仪表板内增加吸音棉，吸收高频噪声，改进后的PBNR达到了目标值。
图4 PBNR改进对比
3.3 改进的PBNR查噪声传递路径
PBNR的第三个应用，测试车身表面细分区域到车内接受者位置的PBNR。在PBNR的第二种应用中，路径是从声源（如发动机、轮胎、排气管末端）到接受者（驾驶员右耳），其优点是测试过程简单，与竞争车型或目标值对比直接明了，但缺点是PBNR值过低时无法到哪些详细路径出现问题，必须辅之其他试验设备，如超声波泄漏仪来查问题。图5所示，将发动机舱直接相连的前围防火墙划分为3个区域左防火墙(FOD L)、右防火墙(FOD R)、脚底板(toepan)区域，在每个区域上布置麦克风，分别测试3个区域到驾驶员右耳的PBNR，结果如图6所示。可以看出右防火墙区域从250Hz-1000Hz比左防火墙明显高，而1000Hz-10000Hz基本处于同一水平。数模显示，右防火墙区域的隔音垫厚度比左防火墙厚10mm左右，其STL的差异受声学包与车身钢板组成的double wall效应控制。1000Hz以上，防火墙上的若干穿孔件对隔音垫的共同削弱作用，再加上仪表板的隔声作用和内部吸音棉的吸声作用，使得两个区域在1000Hz以上有相同的PBNR表现。脚底板区域，1000Hz之前的PBNR明显好于防火墙区域，这是由于车身一号梁完全覆盖脚底板区域，使中低频的隔声能力有所提升，但仪表板无法覆盖此区域，表现为1000Hz以上PBNR与防火墙区域差异较大。因此，通过细分区域的PBNR测试，我们可以发现不同区域在不同频率段上声学表现，从而采取相对于的解决措施，右防火墙区域，可以通过增加隔音垫厚度或者增加重质层面密度来提升中低频隔声量，对于脚底板区域，可以通过改善从地板
延伸上来的地毯毯面的吸声系数进行弥补。
图5 前围防火墙区域示意图图6防火墙3个区域PBNR对比
图7为与路噪有关的各区域到驾驶员右耳的PBNR，2条虚线为前左轮胎和后左轮胎的对比，前左轮胎比后左轮胎距离驾驶员近，如果声学包水平一致，前左轮胎的PBNR应该差一些，但表现为后左轮胎PBNR小，因此需要对后轮胎附近的轮罩区域声学包进行提升。图8为前风挡玻璃、前左玻璃、后左玻
璃、前左车门对驾驶员右耳的PBNR，红虚线作为参考，为驾驶员左侧车门的PBNR，可以看到侧窗玻璃(兰线、黑线)在3150Hz附近有明显的低谷，这是由于侧窗玻璃为普通玻璃，“吻合频率”的出现降低了隔声能力，使PBNR有明显下降。前风挡玻璃为声学夹层玻璃，中间阻尼层的阻尼作用使得“吻合频率”后移，隔声能力略有下降。
图7 地板各区域到车内的PBNR对比图8 玻璃到车内的PBNR对比
3.4 高频统计能量分析SEA预测PBNR
上述的应用通过试验，可以直接得到某一路径下的车外对车内的PBNR。还可以通过测试点声源在发出单位声功率(1W，120dB)的噪声时车身表面的声场分布，建立高频统计能量（SEA）模型，在开发早期预测PBNR。整车SEA模型如图9所示，每一个子系统都包含特定的声学包。图10为点声源在发动机位置，测试的外部声场的曲线，作为SEA模型的输入载荷。可以看到防火墙区域（2条虚线）的SPL值高于单位声功率声源的值（120dB），这是由于声源发出的声波在发动机舱内反射，使得防火墙处SPL值高于声源值，虽然发动机舱内布置了吸声材料，但吸声材料的特性是随频率的升高吸声系数提高，所以表现出低频SPL高于高频SPL。其他7条线为车身表面的SPL分布，距离发动机越远，SPL越低。
图9 SEA模型图10 点声源位于发动机，PBNR外声场SPL数据
图11中，虚线为SEA预测的发动机到驾驶员右耳的PBNR，进行噪声传递路径分析，400-2500Hz 噪声主要是从防火墙区域进入，3150-10000Hz噪声主要从中央通道进入。通过传递路径分析，可以在整车开发早期发现设计的薄弱环节，针对不同区域在不同频率上的贡献量，有针对性地增加吸声材料或隔音垫。同样，图12-图13中，对于轮胎接地处对车内PBNR的预测与传递路径分析发现，前地毯和前座椅下地毯控制着400-1000Hz噪声，1250-10000Hz受中央通道影响最大。在这些位置增加EVA重质层，路噪PBNR有明显改善。
降噪轮胎
图11点声源位于发动机，SEA预测的PBNR 图12点声源位于发动机，传递路径分析
图13点声源位于前左轮胎，SEA预测的PBNR 图14 点声源位于前左轮胎，传递路径分析
4. 结束语
本文介绍了基于声功率的降噪试验PBNR在整车开发中的几个应用，首先可以在不对车辆进行破坏的前提下，与竞争车型在声学包隔声吸声能力、车辆密封水平进行综合对比，为新车型开发设定合理的整车目标，其次可以在样车开发阶段发现噪声传递路径上的薄弱环节，提出合理的补救措施。尤为重要的是，通过获得PBNR的外部声场分析，建立整车SEA模型，可以在早期开发阶段预测PBNR，