汽车关门声音信号提取方法研究

赵建中，张瑞乾,2，宋洋勇，陈 勇,2

（1.北京信息科技大学，北京 100192；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100192）

0 引言

随着技术的发展，人们生活质量的提高，人们对汽车的各项性能也提出了更高要求。汽车的关门声音品质，也影响大家对汽车性能的评价，汽车厂已经开始逐渐重视对汽车关门声音品质的研究。因此，分析研究并改善关门声品质对提高汽车综合性能具有重要意义[1～3]。目前对改善车门关闭声音信号品质的研究仅仅是生产试验车之后，尚不能在工程设计阶段进行分析和优化，以达到改善汽车关门声品质的目的。2005年，Zhidong Zhang与Shaobo Young建立了车门的有限元模型与边界元模型，先利用有限元模型进行车门关闭碰撞分析提取设定测量点的响应速度，并将测得结果作为边界元模型的边界条件，最后进行分析计算出门板系统设定场点的声压信号[4]。杨川以降低关门碰撞能量为目标建立了优化模型，对比分析了优化前后关门声辐射声压级的大小，验证了该优化模型的对降低噪声声压级的有效性[5]。

本文根据某公司汽车关门声音品质改进专项，建立汽车关门碰撞及声辐射分析模型，并进行仿真分析提取汽车关门声音信号，在车型设计阶段关门声音品质进行分析。

1 基于有限元的关门碰撞分析

1.1 关门碰撞仿真分析理论基础

在基于车门关闭噪声的车门声品质研究中应用显式有限元法分析汽车车门关闭碰撞问题，就是把汽车车门关闭碰撞当作一般的接触—碰撞问题。

根据弹性力学理论，可得：

平衡方程为：

物理方程为：

边界条件为

初始条件为：

式中，σ为应力阵列；ε为应变分量；ρ为密度；μ为阻尼；V为体积；表示在Su域内弹性体的位移；是指在边界Sσ域内已知弹性体单位面积上作用的面积力。

1.2 关门碰撞仿真模型的建立与仿真

1）车门系统有限元模型

样车左前门车门系统总成结构如图1所示，左前门总成爆炸结构如图2所示，零件编号、名称和材料如表1所示。

车门结构的有限元模型如图3所示，模型中，饭金件与玻璃采用壳单元模拟，密封条、结构胶与铰链采用的是六面体单元模拟。

图1 车门系统总成图

图2 车门系统部件爆炸图

表1 车门系统零件编号、名称和材料

图3 车门结构的有限元模型图

2）部件连接

在左前门的有限元模型中，内板总成内部零件之间是点焊单元连接，抗凹加强板和门外板采用弹性六面体单元模拟结构胶，铰链与侧围采用铰链单元连接，密封条和侧围定义自动单面接触。

3）材料参数

车门结构材料主要是冲压钢板，其力学性能指标有屈服强度、抗拉强度、延伸率，模型中材料参数如表2所示。

表2 模型材料及参数

4）施加载荷与仿真分析

在车门关闭碰撞问题分析模型中，车门系统运动在门系统铰链处施加的角速度为1.2rad/s。碰撞分析测得车门外板与玻璃标记点位置的速度，并作为声辐射分析的边界条件，标记点位置如图4所示。

图4 关门碰撞分析标记点布置

对有限元模型进行分析计算，提取各标记点A～J的响应速度曲线。以A点为例，其响应速度曲线如图5所示。

图5 关门碰撞分析标记点A的速度曲线

2 基于边界元法的声辐射分析

2.1 声辐射分析理论基础

（1）边界元法

1）直接边界元法

对于模型的分析，首先建立系统方程：

式中，H和J是影响矩阵，p代表模型表面上的节点压力向量，vn代表模型表面法线方向上的节点速度向量。通过计算系统方程，能求得模型表面上的声压、速度和声强。

利用公式(7)计算任一场点处的声压Pp。

其中，aT表示声压系数矩阵，bT表示模型边界法线方向上的节点速度的系数矩阵。

2）间接边界元法

间接边界元法是对系统方程(8)的求解，

式中B，C为影响系数矩阵；D是耦合矩阵声；μ是速度跳动量；σ为压力跳动量；f，g为激励向量。

2）模态声传递向量

通过声传递向量（Acoustic Transfer Vector，ATV）可以计算模型所处空间中场点声压[8]，如公式(9)所示。

其中，p是场点声压向量，ATM（Acoustic Transfer Matrix）表示声传递矩阵，vn表示模型表面法线方向上的振动速度。

作角频率变换后，场点的声压：

式中，ATV是声传递向量；ω是角频率。

结构振动的位移响应能用线性组合获得，如下式，

式中，u表示结构的位移；Φ表示模态的矩阵；

是由模态系数组成的向量。结构的位移向量在其的法线方向上的取值称为结构振动速度，计算公式如下：

其中，Φn代表结构振动模态在其法线方向的分量矩阵，可得：

2.2 边界元模型的建立及板件声压级辐射分析

1）边界元模型的建立

由于要采集车门外的声音信号，所以此处仅将车门外板与玻璃离散成有限单元，建立边界元模型，网格大小为30mm，边界元模型如图6所示。设定介质为空气，声音速度为340m/s，密度为1.225kg/m2，响应场点坐标为（X:1600mm，Y:-1500mm，Z:1600mm）。

图6 门外板和玻璃边界元模型

2）声压级辐射分析

将关门碰撞获得的响应速度作为边界条件导入边界元模型，对其进行声辐射分析，图7为车门系统在200Hz处的速度云图。通过计算得出了速度边界上每一个点到设定场点的声传递向量，由此组成了声传递向量在响应频率范围内的云图，图8给出了设定场点200Hz处的声辐射传递向量云图。

图7 车门系统在200Hz处的速度云图

图8 设定场点200Hz处的声辐射传递向量云图

得到速度边界条件与声传递向量后，将边界上的速度与声传递向量代入式(9)即得到了场点声压。再根据声压级计算公式计算出场点声压级：

其中，p0是标准声压，大小为2×10-5Pa。

对计算出的声压级曲线与A计权修正曲线求和进行计权处理，最终得到设定场点计权声压级的频域曲线如下图。

图9 设定场点声压级

3 试验验证

3.1 车门关门声音信号的采集试验

车门关闭声压信号采集试验对环境要求非常严格，所以在同济大学静音房对样车进行声压信号样本采集。在采集声压样本时汽车应处于熄火状态，关闭所有车门、车窗及其它电器设备；尽量保持每次的关门力值近似相等。实验仪器设备有笔记本电脑一台、传声器一台与10米长的麦克风低噪音电缆、声压标定器一台、数据采集前端LMS SCADAS与能保证恒定关门力的关门机构。确认试验设备状态良好，均能正常工作。

在采集车门关门声音样本之前，需对设备设定相关参数[9]：关门机构的关门力设定为90N，以保持每次的关门力值近似相等；传声器安装在距汽车左前门外侧0.6m、高1.6m的正对门锁位置；用声压标定器对声压传感器进行标定后的灵敏度为49.34128mV/Pa。采集参数设置如下：采样时间为5s；分析频率为10240Hz；采样频率自动设置为20480Hz；频谱上相邻两点的间隔即谱线宽度为1Hz。

汽车关门声压信号采集试验的步骤为：

1）对传声器进行标定；

2）传声器放置在汽车左前门外正对门锁位置，按要求安装调试；

3）设定Test.Lab初始参数；

4）设定关门机构的关门力为90N，将车门从全开的状态关上，同时，采集关门声压信号样本。

按照以上步骤，测得车门关闭声音样本，如图10所示。

图10 样车关门声音信号声压波形

3.2 验证仿真结果

将试验采集到的声压信号进行傅里叶变换，验证仿真分析得到的声压信号，结果如下图所示。

图11 设定场点声音信号波形

图12 声音信号相对误差

从图中可以看出，声音信号仿真结果最大相对误差σmax为4.62%；为了更好的分析声音信号仿真结果的误差，计算得出声音信号的平均相对误差为3.04%。

4 结束语

本文针对汽车关门声音信号仅能在制造出样车后才能通过试验获得，建立了一套仿真分析方法。通过建立有限元模型和边界元模型，对汽车关门碰撞进行仿真分析，提取声音信号，并与试验结果对比，验证了该分析方法的有效性与可行性。

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[4] Zhidong Zhang,Shaobo Young.Low Frequency Transient CAE Analysis for Vehicle Door Closure Sound Quality[C]. In:Proceeding of the Noise and Vibration Conference,SAE International.Traverse City Michigan,USA,2000,No.2005-01-2339.

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