采用频谱分析解决NVH问题的研究及应用

陈 阳，朱晓天

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

1 前言

随着人们环境意识的不断提高，车辆噪声问题引起全社会的高度重视。车外噪声控制须以日益严格的相关环保法规与标准为依据。对于早期的汽车，多数情况下来源于发动机的噪声在车辆整体噪声中占据主导地位，相应地，噪声控制的方向也较明确和单一。近来年，随着发动机技术的突飞猛进，发动机噪声水平也有较大幅度的降低。当前情况下，发动机之外的其它噪声来源，例如传动系噪声、轮胎噪声、排气噪声、风噪声以及车身壁板结构振动辐射噪声等，对车辆整体噪声的贡献比重相对增大，对它们实施控制的必要性已经充分显现，其重要性也与发动机噪声控制旗鼓相当[1]。

噪声信号通过FRF可以看成是频率的函数，声音信号的频率是由声源的特性来决定的[2]。本文以解决公交车啸叫问题为例，利用噪声信号的特点，对噪声源进行有效的判断，排除了该噪声来源于发动机，分析出车外啸叫的噪声源。

2 问题描述

在某型发动机配载公交车时，测试人员对该公交车进行汽车加速行驶车外噪声测试试验。在试验中，当采用3档加速时测量的车外加速噪声值超过了国家标准，测量的噪声值为88 dB(A)。同时，在噪声测试过程中，根据现场测试人员耳朵听觉发现该公交车有明显的啸叫声。整车厂技术人员从主观上判断该声源来自于发动机，应该由发动机厂家来解决。

3 公交车噪声信号的采集

为了获得噪声的初步信息，发动机厂的NVH工程师选择了两种工况进行噪声测量及信号采集。一是在发动机空转工况下对发动机噪声进行测量及信号采集：在该工况下发动机没有负荷，从而采集到的噪声信号是纯粹的发动机而非外界负荷；二是模拟车外加速噪声测量的工况：在该工况下能够完全模拟啸叫问题的再现，并获取噪声信号。整个测量过程，使用的测量工具是LMS公司的test.Lab噪声信号分析软件以及该公司的SCADASIII20通道采集系统。

3.1 发动机空转工况下噪声信号采集

发动机无负荷工况：公交车点火后处于空档，加油门使发动机加速运行，在60 s内发动机转速从怠速加速到2 450 r/min。

噪声信号采集时，麦克风测量位置安置在发动机前端1m处。在测试过程中，测试人员没有听到所谓的啸叫噪声。测试人员对该噪声信号进行了分析，处理获得的带时域的频谱图如图1所示。从图1上看出，噪声频率主要分布在3 000 Hz以下的区域，这与发动机典型的噪声特征是一致的。此外，图中还出现4.5 kHz和6.5 kHz左右的声音能量比较高的峰值，但相比于3 kHz以下部位还是比较低的。

3.2 车外加速噪声信号的采集

对车外加速噪声信号的采集是按照国家标准GB 1497—2002进行的。公交车在某一偏僻道路上进行测量，四周的环境基本能够满足国家标准的要求。公交车加速行驶测量的区域简图如图2所示。O点为测量区的中心，加速段长度为2×10 m，A-A线为加速始端线，B-B线为加速终端线，C-C为行驶中心线。麦克风布置在离地面高1.2m、距行驶中心线7.5m处。采用3档进行车外加速噪声试验。公交车以约50 km/h速度进入A-A线，然后油门踩到底加速行驶，行驶至终端线B-B时松开油门。实测得车辆左右两侧的加速通过噪声分别为87 dB和82 dB。在测量过程中，测试工程师分别在车外及车内通过听觉进行感受。结果发现：在车外可以听到明显的啸叫声，而在车内则没有听到。利用Lms公司的test.Lab16通道声音诊断系统采集了车外加速噪声的频谱图。

测量获得的时间频谱瀑布图如图3所示，频谱图的纵坐标为时间，横坐标为声音的频率。从瀑布图上看，在高频段4～5 kHz有一明显的噪声源，该噪声是一个窄段噪声。根据分析，该频率段处于发动机主要噪声（500～3 000Hz)和增压器噪声（＞10 kHz)之间。同时从噪声源的强度分布看，车辆左侧（发动机排气侧）的噪声明显大于车辆右侧（发动机油泵侧）。

3.3 噪声信号的处理

根据试验数据以及频谱的结果对瀑布图进行OVERALL处理，处理的频率范围为720～15500 Hz。所谓OVERALL处理，是指将某一时段各频率数据进行累加的一种统计方法，一般按照RMS值统计，获得的是频域数据。获得的图列坐标表示纵坐标为声压级dB(A)，横坐标为声音频率。

根据图3数据获得的OVERALL处理终值如图4所示。虚线为公交车左侧测量的噪声数据（公交车左侧为发动机的排气侧），实线为公交车右侧测量的噪声数据。从频谱图上看出，在整个频率范围内出现了几个主要的峰值，4.5 kHz、9.7 kHz和12.2 kHz。根据增压器产品的参数计算，增压器涡轮的声音频率范围大约在9.7 kHz，而为增压器压气机的声音频率在12.2 kHz，这两个峰值说明该图与发动机的声音特征是一致的。但是从图4看出，4.5 kHz频率左右噪声峰值是最主要的声音峰值。而且，增压器噪声的峰值要远低于4.5 kHz左右的峰值，它们之间相差了30 dB(A)左右。所以增压器不是车辆产生啸叫的主要噪声源，它的噪声可以忽略不计。这样就可以得出初步的结论，该公交车啸叫问题的主要噪声源的频率在4.5 kHz左右。从噪声方向上分析，在公交车左侧出现的4.5 kHz频率左右的现峰值噪声要比右侧大9 dB。

上述分析结果表明：在车外噪声测量获得的噪声信号中出现了频率段为4.5 kHz左右的明显峰值；而且该噪声处于公交车的左端，也就是在发动机的排气侧。

4 噪声源分析及判定

根据车外加速噪声信号采集的结果，将两侧测量的噪声频域值按几个频率段进行RMS（Root Mean Square） 数据处理。根据处理的结果找出产生噪声的主要频率段及贡献的大小，数据处理的结果如表1所示。

表中取公交车的主要噪声频率范围为720 Hz～15.5 kHz。公交车车外加速噪声值：汽车右侧为81.91 dB，汽车左侧为87.08 dB，左侧比右侧高了5 dB。从各个频率段看，4.0～5.5 kHz频率范围内的噪声是整车通过噪声的绝对影响因素。

进一步进行数据处理，将4.0～5.5 kHz频率范围内的噪声影响剔除之后，则公交车两侧的噪声分别如下：

左侧通过噪声为81.91-77.45=80(dB)；右侧通过噪声为87.08-86.32=79(dB)。

这样，公交车的车外加速通过噪声的噪声值下降了7 dB（A）（按国家标准取两侧测量值中的较大值）。由此可见，该公交车在做车外加速噪声试验过程中，噪声值超过了国家标准的主要原因是存在频率为4.0～5.0 kHz的啸叫噪声。只要找出该频率段的主要噪声源，就可以解决公交车加速噪声超标的问题。

5 4～5 kHz频率噪声源的分析和判断

在公交车上测量发动机空负荷噪声时，虽然没有出现明显的4.5 kHz峰值，但是也出现了该频率的的较低峰值（明显低于3.0 kHz以下噪声幅值），所以不能够完全排除发动机噪声。为了获得进一步的试验数据，NVH工程师在试验室中对发动机的噪声进行测量。在试验室测量过程中，发动机输出端采用测功器为发动机增加负荷来模拟实际工况。

5.1 有负荷的发动机噪声特征

半消音室模拟测量发动机噪声时，对非柴油机声源如排气管、离合器等进行了有效声学处理。测量工况：柴油机外特性状态下，从950 r/min加速到额定转速2 200 r/min。采集的频谱图如图5所示，纵坐标为发动机转速，横坐标为采集的声音频率。该发动机的噪声频率主要在500～3 000 Hz范围内，与以往的试验结果是一致的。同时在4.5 kHz左右没有任何的峰值，即使是微弱峰值也不存在。所以在公交车上测出的噪声峰值并非是发动机噪声的直接来源。

5.2 柴油机表面振动测试

根据上述的分析数据及一些判断，NVH工程师有针对性地对柴油机某些部位的振动进行测量，主要在排气管侧位置。在测量过程中，发现蝶阀上测量的振动加速度出现了4 000～5 500Hz这一频率段的振动峰值。NVH工程师根据以上的各测量结果分析，公交车噪声源来源于与蝶阀相连接的波纹管。

通过与公交车厂的交涉，将公交车上波纹管拆除，发现啸叫声音消失。试验人员重新对汽车加速通过噪声进行测量，测量结果为81 dB(A)，低于标准84 dB(A)的要求，表2列出了整个频率及各频率段的噪声值。

6 结论

对于公交车出现的NVH问题，可以采用仪器对噪声频域信号特征进行采集。根据获得的频谱信号进行分析，同时结合各零件产生噪声的特性，能够有效地对噪声源进行排查。本文采用该方法能够科学地解决公交车的啸叫问题。

（1）噪声信号的一个基本特征为频域性，频谱分析法是辨识噪声源的基本手段之一。

（2）采用声学仪器对噪声的频率特性进行识别是获得噪声源的关键。

（3）解决噪声问题主要是通过降低噪声峰值来实现。

1 SiavoshaniS,Tudor J.ABA-New Generation of Vehicle Dashmats.SAE 2005-01-2277.

2 Brandl,FK,Schiffb?nkerH,Thien GE.,AConcept forDefinition of Subjective Noise Characer-A Basis forMore EfficientVehicle Noise Reduction Strategies [C].Proceedingsof the Internoise-89,NewportBeach (CA),Dec.4-6,1989:1279-1282.