电动汽车电驱动高频啸叫噪声评价方法研究

康 强，顾鹏云，李 洁，左曙光

（1.浙江汽车工程学院，杭州 310000； 2.浙江吉利汽车研究院有限公司，宁波 315000；3.同济大学新能源汽车工程中心，上海 201800）

前言

随着电池技术和智能网联技术的发展，目前电动汽车已成为发展趋势。与内燃机相比，电驱动总成的噪声和振动的幅值很小，但仍然存在一些问题需要考虑。内燃机噪声主要是低频发火阶次的机械和燃烧噪声。汽车制造商对其内燃机声品质已做了几十年的研究。而电驱动总成噪声则主要由电磁力和齿轮啮合产生的高频啸叫阶次噪声，以及DC／AC脉宽调制产生的高频伞状噪声［1］构成。目前在电动汽车整车开发中仍然是用通常用的指标声压级来评价其噪声，而对其声品质的研究不多。然而声压级并不能完全反映人对单调噪声的主观感受。由于没有内燃机工作噪声的掩蔽，这些高频单调噪声在许多工况下会很显著。同时纯电动汽车行驶时仍然有路噪、胎噪和风噪等，因此既要考虑单调噪声的声压级，也应关注其它噪声的掩蔽效应和反映乘员的主观感受。Zwicker等研究指出，为掩盖一个单调音，掩蔽音频率每倍频程须增大10 dB。也即频率越高，所需的掩蔽音幅值越大［2］。文献［3］中研究了声品质参数PR（prominence ratio）和驱动电机单调音的阈值之间的关系，并得出不扰人的声音为：800 Hz以上时PR小于3 dB，800 Hz以下时PR小于5 dB［3］。同时文献［4］中建议对于单调噪声可使用TNR（tone-to-noise ratio）和PR评价，但对于具有多个相近阶次的噪声，更加适合［4］。本文中对市场上一些不同品牌的纯电动车的车内阶次进行了评价和分析，目的是分析主要阶次噪声的特征、最大声压级、频率和TNR与主观感受的关系，为电驱动总成噪声的目标设定提供参考。

1 啸叫声的评价指标TNR

TNR是用于分析单调噪声的一个心理声学指标。它的定义为单调音的能量与单调音所处的临界频带的其它噪声能量的比值，其中后者是将临界频带的能量减去单调噪声的能量得到。在信息技术和通信设备行业的机电产品噪声评价时，由于主要是单调噪声，常采用TNR指标，其定义为

根据ECMA—74标准［5］：如果两个音调很接近，那么将其中较弱者的能量加到较强者之上；如果两个音调有显著的距离，则将它们视为独立的音调。这个标准也提供了评价一个单调噪声是否显著的判断标准：对于频率高于1 000 Hz，TNR限值为8 dB；对于频率低于1 000 Hz，TNR限值为8 dB＋8.33·log10（1000／ftone）dB；超过上述限值的单调音为显著的，如图1所示。

图1 TNR的评价限值标准

2 测试说明

选取了7台近年来较畅销的纯电动车型，如表1所示。这7台车分别来自中国、日本、美国和德国，可认为这些电动车具有典型的全球代表性。表中列出了其电驱动总成的主要性能参数，包括电机和减速器的主要阶次。从表中可以看出，除Tesla采用感应电机外，其它车型都采用内置式永磁同步电机。其电机主要阶次分别为48，60和72阶，等于电机的定子槽数。减速器输入齿轮阶次处于19～31阶之间，减速器输出齿轮阶次处于7～10阶之间。

由于全负荷工况（WOT）时动力总成噪声最大，故均测试WOT工况下车内驾驶员耳旁噪声（由于Tesla加速太快，以部分负荷工况进行测试，使0～100 km加速时间控制在8 s左右）。试验在光滑平直沥青路面上进行，从静止全负荷加速到120 km／h，跟踪电机转速并记录噪声数据。试验采用LMS数据采集系统，数据后处理采用5 Hz频率分辨率。在实车评价时，专业评价人员采用整车主观评价的10分制进行评价。另外，采用声音回放与滤波，对主要阶次噪声进行主观评分。

3 测试结果分析

3.1 声压级与TNR云图分析

图2～图4示出其中3台车的车内声压级和TNR云图。

表1 测试的纯电动汽车参数描述

图2 BMW I3 WOT工况下的车内驾驶员耳旁声压级（左图）和TNR（右图）

图3 Nissan LEAF WOT工况下的车内驾驶员耳旁声压级（左图）和TNR（右图）

从声压级云图可以看出，电动车车内主要表现为电驱动总成的高频阶次噪声。胎噪、路噪、风噪等噪声随车速增大其幅值和频率宽度也增大。车速达到100～120 km／h时，这些宽频主要频率最高约达4 000～5 000 Hz。

图4 Chevrolet BOLT WOT工况下的车内驾驶员耳旁声压级（左图）和TNR（右图）

从TNR云图可以看出，由于每台车电驱噪声与背景噪声的不同，导致TNR的表现不同。I3的电机阶次72阶TNR非常显著，而LEAF和BOLT的电机阶次不显著。这与主观感受一致。但I3的电机阶次声压级却是三者中最小的，如图5所示。因此，不能单从声压级的大小来衡量人对高频啸叫声的主观感受，并用一个固定的声压级数值来设定指标。比较图2～图4，I3噪声的72阶所处的背景噪声最小，但TNR却最大。

图5 3款车的车内电机阶次对比

3.2 TNR与主观评分对比

考虑整个加速工况中声音最显著的时刻，将所有车型各阶次最大的TNR列出，如图6所示。由于TNR越大，表示单调噪声越显著；而主观评价分值越小，表示噪声越显著。因此，将10-主观评价分与TNR进行对比。从图中可以看出，各个阶次的TNR的趋势与主观评分的趋势基本一致。因此，可使用TNR指标来评价电动车高频啸叫噪声。

3.3 最大的TNR和声压级及频率分布

TNR的限值与频率相关。为确定电动车啸叫噪声TNR指标的一般要求，将所有车型最大的TNR与对应的频率和最大的声压级与对应的频率列出，如图7～图9所示。

图6 各车型主要阶次TNR与主观评分对比

从图7左图看出：电机阶次TNR最大值频率位于2-8 kHz之间，幅值大小为0～5 dB。其中BOLT和DENZA幅值最小，为0；其次是Geely，LEAF和Model X，分别为2和3 dB；最大的是QIN和I3，幅值为5 dB。从图7右图看出，声压级所反映的规律与TNR完全不同：LEAF和Model X的声压级是最大的，超过30 dB（A）。因此，目标设定时不能简单地要求电机阶次噪声小于30 dB（A）。应该首先设定TNR的目标，再计算背景噪声下对应的声压级。

从图8左图看出：减速器输入齿轮阶次TNR最大值频率位于0.700-1.8 kHz之间，幅值大小为0～7 dB；其中BOLT和LEAF最小，分别为0和1 dB；其次是Model X，Geely和DENZA，分别为2和3 dB；最大的是I3和QIN，分别为5和7 dB。

从图9左图看出：减速器输出齿轮阶次TNR最大值频率位于500-700 Hz之间，幅值大小为0～9 dB；其中LEAF和Geely最小，分别为0和2 dB；其次是Model X，I3和DENZA，分别为4，6和7 dB；最大的是QIN和BOLT，分别为8和9 dB。

图7 各车型电机阶次最大的TNR（左图）和声压级（右图）对比

图8 各车型减速器输入齿轮阶次最大的TNR（左图）和声压级（右图）对比

图9 各车型减速器输出齿轮阶次最大的TNR（左图）和声压级（右图）对比

图8和图9右图声压级规律与左图的TNR完全不同。可以看出：减速器齿轮噪声声压级幅值较分散：输入齿轮阶次在42～49 dB（A）之间均有分布；输出齿轮阶次则分布在50～60 dB（A）之间。在设定齿轮阶次目标时也不能简单要求齿轮阶次噪声小于某一数值。

4 电动车电驱动啸叫声目标设定方法

根据上述分析，可归纳出电动车车内啸叫声的一般评价标准，如图10所示。电驱动总成的主要阶次可按照它们所处的频率范围设定相应的TNR目标。如要达到完全无啸叫，则要求TNR≤1 dB（f＞1 kHz）和TNR≤2 dB（f＜1 kHz）。

图10 电动车啸叫噪声TNR一般评价标准

确定各啸叫阶次的TNR目标后，再参考原型车或样车估计车辆的路噪、胎噪和风噪频谱，即可确定各啸叫阶次的声压级目标。最后可根据空气声传播函数和结构声传播函数确定电驱动总成的单体NVH目标。其设计思路如图11所示。

图11 电驱动总成NVH目标设定方法

根据以上的分析，建议减速器输入和输出轴主动齿轮齿数尽可能选小一些，以便齿轮啸叫声频率靠近路噪、胎噪和风噪频率，从而能被有效遮蔽。

5 结论

本文中选取了7款市场上流行的纯电动汽车，针对车内电驱动啸叫进行了测试评价和分析。对全负荷工况下的车内声压级、TNR和主观评分进行了对比，结果表明TNR与主观感受是一致的，而声压级的大小并不能直接用来评价啸叫的显著度。根据电驱动总成3个主要阶次的TNR分布，得出对应于电动汽车啸叫显著度的TNR数值范围。最后总结了电驱动总成的NVH目标设定方法和建议。