基于总贡献系数和的客车噪声源识别∗

谢小平，曹远龙，王茜影，王晨辉，李 阳

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 2.常州湖南大学机械装备研究院，常州 213000)

基于总贡献系数和的客车噪声源识别∗

谢小平1，2，曹远龙1，王茜影1，王晨辉1，李 阳1

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 2.常州湖南大学机械装备研究院，常州 213000)

针对大中型客车中复杂噪声源对场点的贡献量不能完全代表该噪声源对车内整体噪声贡献量的问题，提出了一种衡量多输入对多输出贡献量的方法。首先对某型客车车内噪声进行频谱分析，得到车内噪声信号特征，计算怠速工况下不同噪声源对不同场点的偏相干函数。接着通过车内声学模态试验，分析了该客车车内空腔声学固有频率。最后，基于偏相干函数提出了“贡献系数和”和“总贡献系数和”两个新的评价参数，并结合声学模态特征，评价进排气、发动机和冷风扇等各关键噪声源信号对整车噪声的贡献量以及相互之间的影响，确定了主要的噪声源和需要改进的噪声频段，为有效降低车内噪声提供了指导方向。

客车；噪声源识别；偏相干分析；声模态分析；总贡献系数和

前言

车内噪声是使驾驶员和乘客疲劳、影响乘车舒适性的主要因素之一。对于噪声源识别问题，当声源之间存在弱相关时，偏相干函数是准确识别出噪声源、处理弱相关多输入系统的有效方法。它能将信号中与其他信号相干的部分去除，计算残余信号对输出的影响，对车内噪声控制有重要意义。

目前，对系统的偏相干分析，多采用多输入/单

∗国家自然科学基金(11232004)和中国新能源汽车产品检测工况研究和开发项目资助。

原稿收到日期为2016年5月31日，修改稿收到日期为2016年8月17日。

本文中针对客车内的大空腔，选取多个特征场点，同时考虑各声源激励对车内场点的影响，引入新的参数“贡献系数和”来衡量各噪声源信号与多响应峰值的相干程度，在此基础上，系统地提出多场点和新参数“总贡献系数和”与空腔声学固有频率共同确定多输入多输出系统贡献量的方法，并以某型客车为例，利用该方法对车内声场进行分析，依据试验得到的车内腔声学固有频率和偏相干函数，达到识别噪声源的目的。

1 基于总贡献量的偏相干函数

1.1 基本相干理论

设多输入多输出系统的输出Y1，Y2，…，Yj由输入X1，X2，…，Xi和测量干扰N相互作用叠加产生。其中，对于任意的i项，Xigl，2，...i-1表示X1，X2，…，Xi-1条件下的Xi，也就是从Xi中去掉与X1，X2，…，Xi-1相干部分的影响[3-4]。X2，3，...i，X1，3，...i，…，X1，2，...i-1表示非所求输入与对应所求输入X1，X2，…，Xi相干部分的影响，以X1，2，...i-1为例，其表示X1，X2，…，Xi-1与Xi相干部分的影响，如图1所示；以第j个输出为例，如果在图1中只考虑与其他输入不相干的部分的影响，则系统简化为单输入单输出等效系统，如图2所示。其中，Yjg2，3，..i为输出Yj扣除X2，…，Xi的影响后剩余的输出。

图1 多输入多输出系统

图2 仅保留剩余输入X1和输出Yj的等效系统

式中：Xlg2，3，...i-1和Yjg2，3，...i-1分别为依次扣除输入X2，为

式中：为输入X1和输出Yj的偏相干函数，其值表示输入X1对输出Yj的贡献系数，数值在0和1之间。

1.2 总贡献量分析

贡献系数和定义为某输入Xi对l个输出Y的偏相干函数中在关键频率下加权的贡献系数之和，根据所取的输出的重要性给定不同的加权系数，衡量不同频率下各输入对整个系统的影响，该输入的贡献系数和可表示为

式中：Pj为某频率下输入Xi对某输出Yj的偏相干函数中的峰值；λj为Yj的加权系数；l为输出的个数；H为关键频率的排序数。

客车车内空间较大，不同位置的声学特性有较大不同，因此，评价车内声学特征时，需要多个场点共同衡量整个空腔的声学特性。运用改进的偏相干分析方法，引入新概念“总贡献系数和”，衡量各输入在全频段内对车内声场的总影响。

总贡献系数和定义为某输入Xi对l个输出Y的贡献系数线性叠加，并以关键频率的贡献系数和占该关键频率下贡献系数总和的比重作为加权系数，将输入Xi对整个系统的贡献量进行加权求和，衡量输入对整个系统的影响。该输入对多个输出的总贡献系数和可表示为

式中：wH为第j个输出Yj的加权系数；为某输入Xi对某输出Yj在频率下的贡献系数和；n表示关键频率的总数。

2 客车噪声源识别

2.1 声腔试验模态的计算与分析

由于某型客车内空间大以及受到传声器数量的限制，试验共分为85组进行，每组4～14个不等，各测点之间的间隔为200～350mm，离内饰约50mm，传声器与座椅不接触。测量环境选择空旷、安静的位置，试验环境平均声压级为31.5dB。由图3可见，车内单点噪声与车外各测点环境噪声的相干系数在1 000Hz以内均低于0.1，认为环境对声模态试验的影响可以忽略。

图3 车内单点噪声与车外各测点环境噪声的相干系数

声模态试验采用单点激励、多点输出的方法[8]。测试过程中，不同试验组采用相同激励作为单输入，仅改变传声器测点的位置，模拟单激励下同时采集所有测点数据的情况，保持了不同组激励的强相干性。由LMS系统产生猝发随机信号，经功率放大器后通过中低频体积声源激励车内空腔，用多个传声器测量车内空腔的声压，利用LMS系统收集信号并计算输入信号与测点信号的传递函数，在模态坐标下对刚度、阻尼等模态参数进行拟合，最终获得声腔的模态频率和振型，声学模态试验过程与相关设备如图4所示。声源放在靠近发动机的位置，贴近实际情况；传声器的位置参考GB/T 18697—2002，并以乘客右耳为基准在不同高度间隔下测量各测点信号。图5为车内声模态测试分布示意图，其上标出了车的方向和车内座椅的位置。

图4 声学模态试验设备和过程

为确定分析频率的范围，首先对怠速工况下车内噪声在不同频率下的幅值进行分析。由于驾驶员位置信号具有典型性，本文中以驾驶员右耳处噪声信号为例进行分析，得到1/3倍频程功率谱图。如图6所示，在频率小于1 000Hz范围内，车内噪声随频率的增加而增加，并在频率上升过程中存在多个突出峰值，突出峰值的带宽中心频率分别为25，50，125，250和500Hz；在频率大于1 000Hz时，噪声值波动减弱，且整体呈下降趋势，无明显峰值。因此，本次客车内声腔模态分析以及该车内的噪声分析集中在1 000Hz以内。

图6 驾驶员耳旁的1/3倍频程图

图5 车内声模态测试分布示意图

声腔模态试验结果基于LMS Test.lab 9A模态分析软件，应用最小二乘复频域法(LSCF)进行试验模态分析。在稳态图7中，所有测点的FRF的SUM函数能显示所有模态峰值，有利于全面认识机构的模态，但是SUM函数不能总是有效地分辨清楚空间上的密集模态。另一个指示工具是多变量的模态指示函数，它能有效地识别空间上的密集模态，与SUM函数共同选择在给定精度内当假定计算模态数增加时频率响应函数频率、阻尼比、模态参与因子都保持稳定状态的点[9]，稳态程度最高的频率处标记“S”，其次标记“V”，根据标记的集中程度选择计算的声腔模态参数，具体的模态参数和振型描述如表1所示，X向为横向，Y向为纵向，Z向为垂向。图8为车内空腔部分声模态振型。

图8 车内空腔部分声模态振型

图7 车内声腔模态分析稳态图

通过车内空腔声模态试验，获取车内空腔的声模态频率，如表1所示，可指导偏相干函数的相干系数，即贡献系数的计算。当外界激励频率接近声模态频率时会产生共振噪声，严重影响乘客在车内的舒适性。计算试验声学模态可用于改善外界激励和声腔频率，避免与车身声腔固有频率产生耦合从而降低车内噪声，对改善车内声学特性有积极意义。

2.2 客车噪声源的偏相干分析

由于怠速工况下各点噪声数据基本上是稳态数据，符合以上偏相关分析的要求。以某型中型客车怠速工况下的测量数据为例进行分析。客车共7排座位，考虑声腔节点在乘客区5排附近，因此选择驾驶员右耳、乘客区1，3，7排乘客右耳处的4个噪声信号作为输出，代表车内整体噪声，选择进排气系统[10]、发动机上侧[11]、冷风扇的4个噪声信号作为输入，其排列顺序并不影响偏相干函数的结果，建立四输入四输出模型，如图9和图10所示。测量过程中，采用NI动态数据采集系统获得由多个MPA传声器采集的输入输出噪声信号，并对噪声信号进行滤波、加权等预处理和存储，然后对数据计算得到偏相干函数。待车辆稳定运行后采样，采样率为50kHz，采样时间为5s。

表1 声腔模态频率、阻尼比和模态振型

图9 四输入四输出模型

为分析单一频率下噪声源和全频段下噪声源对车内噪声的影响，根据给出的偏相干分析公式(式(1)～式(6))，以驾驶员右耳处噪声信号为例进行分析，计算不同激励源对驾驶员右耳处的偏向干函数，结果如图11所示。考虑到倍频程分析，对偏相干分析的频率范围进行截断，限制在1 000Hz以内。

图10 部分输出和输入及测试设备

参照文献[12]的分析方式，对四输入一输出系统的噪声测试数据进行分析，得到图11，进气与驾驶员右耳噪声偏相干函数在277Hz的相干系数最大，达到0.979，其他频率处的相干系数低于0.6，说明进气对驾驶员处噪声的贡献量主要集中在277Hz附近；发动机上部与驾驶员右耳噪声在311Hz的相干系数最大，为0.852，其次是频率为390和266Hz处，说明发动机上部对驾驶员处噪声的贡献量主要集中在266，311，390Hz左右；冷风扇与驾驶员右耳噪声在275Hz处的相干系数最大，为0.8；排气与驾驶员右耳噪声在0～350Hz和570～750Hz范围内有较大的相干系数，其中在280Hz处的相干系数最大，为0.82。

假设车内4个不同响应测点具有同等的重要性，则式(7)中加权系数均取为1，参考声模态频率，确定各关键频率的偏相干函数峰值；根据式(8)计算关键频率下各场点对应的加权系数。通过式(7)和式(8)计算得到各输入对输出的贡献系数和与总贡献系数和。值得注意的是，在计算过程中，由于存在声模态试验测量误差、噪声试验测量误差和测量干扰，部分偏相干函数峰值频率与声模态频率存在一定的误差，所以选取的贡献系数在声模态频率的±5Hz之内，且声模态频率下选值涵盖了大部分偏相干函数峰值，误差并不影响贡献系数和结果的计算，因此认为该方法可行。

表2为各输入在不同频率下的贡献系数和。由表2可见，在频率277Hz附近，进气对车内噪声特性的相干程度最高，达到3.17，可认为在277Hz下的车内噪声峰值主要由进气噪声贡献，且与其他值相比，进气噪声在数值上比其他输入噪声突出很多，后续优化中进气系统在该频率下须优先处理，以降低进气噪声对车内噪声的影响。

图11 各输入与驾驶员右耳噪声的偏相干系数

表3为各输入对输出的总贡献系数和。由表3可见，排气噪声对整车车内噪声的总贡献系数和最大，加权后达到6.56；排气在低频对车内噪声的贡献系数大一些，在驾驶员处的贡献系数大于其他位置，贡献系数达到2.16。可见在后续整车车内噪声控制的主要处理对象是排气噪声，且主要优化排气系统的低频部分；其次对车内噪声贡献量较大的为发动机上部噪声和冷风扇噪声，最小的是进气噪声。

表2 各输入在不同频率下的贡献系数和

表3 各输入对输出的总贡献系数和

3 结论

针对大空间客车采用多输入多输出的系统进行描述，结合试验声模态和偏相干理论得到以下结论。

(1)基于多输入多输出系统的偏相干分析方法对客车车内噪声源的识别有效可行。

(2)通过计算整车车内空腔声学模态，结合多输入多输出系统计算的偏相干函数，引入新的概念“贡献系数和”和“总贡献系数和”衡量各输入对系统的贡献量，实现了对主要噪声源的识别。在频率277Hz下，进气系统对车内噪声的贡献量最大；但对整个频率段而言，排气噪声对车内的贡献量最大；在后续优化中，主要针对277Hz附近的进气噪声和频段在100～350Hz和570～750Hz内的排气噪声。

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Identification of Bus Noise Source Based on Total Contribution Coefficient Sum

Xie Xiaoping1，2，Cao Yuanlong1，W ang Xiying1，W ang Chenhui1＆Li Yang1
1.Hunan University，State Key Laboratory ofAdvanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Changsha 410082；2.CZ-HNU Institute ofMachinery Equipment，Changzhou 213000

In view of that the contribution of complex noise source to the noise of field points can not completely represent the contribution of that noise source to thewhole interior noise of a large ormedium bus，amethology formeasuring contributions ofmulti-input tomulti-output is put forward.Firstly through spectrum analysis，the signal features of interior noise of a bus are obtained，and the partial coherence functions of differentnoise sources to different field points under idling condition are calculated.Then the natural frequency of interior cavity is analyzed by acousticmodal test.Finally，“contribution coefficient sum”and“total contribution coefficient sum”，as two new evaluation parameters based on partial coherence function are introduced，by which and combined with acousticmodal features，the contributions of noise sources such as air induction，exhaust，engine and cooling fan to the overall interior noise of bus，aswell as the influences of each other are evaluated，and themain noise sources and corresponding frequency bands needed tomodify are determined，providing a gaidance for the effective attenuation of inteior noise of bus.

bus；noise source identification；partial coherence analysis；acoustic modal analysis；total contribution coefficient sum

曹远龙，博士，E-mail：yuanlong0311＠163.com。输出的分析方式。文献[1]中推导了多输入系统中各输入对单输出贡献的计算公式，应用偏相干分析方法进行了装载机驾驶室噪声源识别的研究；文献[2]中针对燃料电池车本身的结构特点，利用偏相干方法实现了对多个噪声信号独立贡献量的计算分析；文献[3]中对在实际运行和怠速工况下振动较大的问题，通过对6个输入的偏相干分析，找出了主要振源，为实际降振提供了理论依据。但对于车内空间较大的车辆，单个场点往往无法代表整个空间的响应情况，同时不同激励与不同场点的相干程度不同，关键峰值频率下噪声源贡献量不能完全代表该噪声源对车内整体噪声特性的贡献量。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.014