整车电气部件啸叫问题分析与整改

练添生，马 谦

（吉利汽车研究院 （宁波）有限公司，浙江 宁波 315336）

随着人们生活水平的提高，汽车技术的发展，对于汽车的舒适性问题也越来越重视，收音机的啸叫是用户能轻易并明显感知的，对于客户的使用舒适性影响非常大，整车电磁兼容 (EMC)的干扰是目前导致收音机啸叫极其重要的一个原因。尽管已经有比较完善的整车和零部件电磁兼容测试标准，但仍然不能保证整车在通过电磁兼容标准测试之后就不会再出现电磁兼容性的问题，整车在常规的EMC试验过程中没有出现异常，但在整车的其他试验中发现啸叫问题，通过初步排查认为是由于EMC干扰引起，主要来源于整车搭铁的影响以及零部件本身的啸叫。

1 整车啸叫的类型

1.1 零部件本身器件啸叫

在整车试验中发现车内异响，排查并非经过扬声器进行发声，而是来源于机器本体发出的啸叫，比如多媒体主机/行车记录仪等，同时发现啸叫的声音在车速和发动机转速不同的时候会出现不同频率的啸叫，比如车速100 km/h，转速3500 r/min，加油门时，机舱尖锐哨音啸叫。

1.2 整车搭铁干扰引起的啸叫

在整车试验过程中发现从扬声器中出现了啸叫声音，比如：电扬声器有“滋滋”类似电流声，踩制动扬声器发出″嗒嗒″声，整车怠速和不同转速下扬声器发出啸叫声。操作不同的功能都有可能会出现啸叫，这种啸叫频率会比较一致，不会有明显频率的变化。

2 啸叫的形成机理

2.1 由电容电感器件本身的振动导致的啸叫

在啸叫出现后对整车进行排查，发现啸叫的来源为单件本身，并非从扬声器输出，最终定位为电容和电感的本身啸叫；整车在正常运动过程中发电机发电给12 V蓄电池充电，同时给整车用电器供电，发电机发电中包含了交流成分，输出电压如图1所示。

图1 发电机输出电压

由于电压电流波动会在周围产生磁场，通电电感线圈会在磁场中受力振荡产生啸叫。拆开扼流电感线圈内部磁环，磁环采用的是金属卷绕成环，如果卷绕较松，缝隙较大，周期性电流经过电感线圈，产生交变磁场，该电感线圈在交变磁场作用下产生振动而发出声音，层与层之间会振动发声，引起啸叫，正是这种磁致伸缩效应引起了这样的环直径随脉动电流大小、频率产生相应变化而发声，此发声即人耳听到的啸叫。同时电压波动对单件内部的滤波电容产生影响，此现象是陶瓷电容器的一个固有特征，当施加到电容器的电压达到一定的值后，如果向高介电常数型的电容器施加交流电压，由于电致伸缩效应，会造成多层电容器芯片伸缩)。由于陶瓷的强介电性引起的压电效应，叠层电容在施加交流电之后会向叠层的方向发生伸缩。即与电路板平行的方向也会发生伸缩，结果导致电路板表面产生振动并能够听到声音。通常情况下，因为这种振动频率远远高于人耳可听频率范围 (20 Hz～20 kHz)，所以即使向单体电容器施加人耳可听频率范围的信号电压，也不会形成人耳可闻程度的声音 (啸叫)。但是，如果将电容器封装于基板，那么该振动会传导至基板，振动就会放大(谐振)。其结果是人耳可以感知到类似于“吱吱”的声音。虽然芯片和基板的振幅仅为1 pm～1 nm左右，但其声音却大到人耳轻易识别的程度。

使用示波器实测车辆电池发现，电源处会有很强的多次谐波干扰信号，谐波频率会随发动机转速变化而不同，此干扰信号正好为音域频率20 Hz～20 kHz之间，其叠加到电源电池上，随转速噪声幅值增大而增加，经过转速反复测试比对，此噪声刚好与电源LC滤波电路形成正反馈共振，导致内部滤波电容形成“压电效应”产生振动而发出啸声，所以在加油后转速上升导致噪声频率增加使声音变得尖锐。

2.2 车身搭铁导致啸叫

EMC干扰的耦合主要通过辐射和传导的方式进行耦合，其中公共阻抗传导耦合是其中一个重要路径，公共传导耦合是指噪声通过印刷电路和机壳的搭铁线/设备的安全搭铁线以及搭铁网络中的公共搭铁阻抗产生公共节点阻抗耦合，噪声通过电源的公共电源阻抗产生公共电源阻抗耦合，整车车身作为一个公共搭铁，车身上走了各种电器件的电源搭铁线和信号搭铁，同时车身也不是绝对的导体，存在一定的阻抗，导致车身搭铁存在电压波动。车身搭铁电压波动如图2所示。

图2 车身搭铁上采集的信号

波动电压经过天线金属底座到屏蔽线屏蔽层进入到导航主机，流经主机Tuner&DSP到功放传到扬声器发出，如图3所示。

3 整改方案

3.1 由于器件本身导致的干扰改善方案

由于正常发动机怠速是没有异常的，是在车速及转速增大时才产生，应该从电压干扰方面来入手分析。采集发电机纹波，发现纹波在设计要求范围内，那么应该是期间本身选型不合理导致的异常。

目前关于电容和电感的整改主要是通过提高电源的品质和改善本体本身的性质来解决此类问题，主要的整改方案如下。

图3 典型的电磁干扰传播途径

1)更换同等容量、不同封装的电容器件改善电感的工艺，能更好地滤除发动机对电源的干扰，解决本身压气效应产生尖锐哨音现象，提高单件的抗干扰能力及性能，所以，EMC方面不会有任何影响，功能不会存在任何风险。比如将电容类型从陶瓷电容更换为钽电容。钽电容的构造和陶瓷电容不同，不会产生电容啸叫。

2)将电容/电感上大幅度变化的电压信号消除或者将其频率搬到人耳能听得到的范围以外，避免出现周期性的方波群落入音频的范围，从而避免电感的啸叫。或者在纹波允许范围内，适当降低纹波幅度，必要的话多加一级滤波。

由于车内所使用电网的交流成分主要来源于发电机，发电机的输出大小和频率会根据发动机转速变换而变化，所以采用的解决方案1)能更加简洁地解决当前问题，将47 uF电解电容替代2颗22 uF陶瓷电容。如图4、图5所示。

图4 电容改善前电路

图5 电容改善后电路

同电容啸叫的解决方案一致，车内电源系统的改善会较为困难。若选用固体铁粉磁芯电感扼流线圈，可以有效避免啸叫发生。升级BOM，选用固体铁粉磁芯扼流电感线圈，以避免由于内部磁芯材料在磁场中受力振荡产生啸叫，如图6、图7所示。

图6 电感改善前电路

图7 电感改善后电路

3.2 由车身搭铁导致的干扰改善方案

由于搭铁线导致的问题主要的处理方案为：改善地平面或者变更耦合路径，针对怠速、踩转速、踩制动、上电等情况，扬声器的啸叫和杂音整改。由于各种电器件的搭铁都直接或间接地搭铁走向车身，导致车身搭铁不稳定存在压差和波动，改善车身搭铁上的干扰会比较困难，所以通过对导航主机的搭铁线进行优化，可以有效滤除车身上的波动对扬声器造成的影响，消除啸叫、杂音。让干扰信号不经过放大器，不进行放大可以有效减少干扰信号的影响，如图8、图9所示。

4 结论

1)不同车型，发动机及相关部件在电源中产生的干扰度不同，严重度也不同，只有将不同电子部件进行加强优化改善，有针对性改善，才能更好解决实际问题，积累更多的经验。

图8 改善前电路

图9 改善后电路

2)对于电容/扼流电感线圈的选型，需要知晓其内部工艺/材料/磁环存在卷绕成环与固体铁磁芯两种不同的工艺。单件的各项功能的验证必需以实车为基准。

3)遵循就近搭铁原则，避免单件的搭铁线过长导致的车身搭铁上的干扰导入到单件中带来的EMC问题。