基于台架的真空泵车内噪声计算方法研究

李登山 汤乐超 赵伟 胡杰宏 陈曦

摘  要：真空泵噪声问题是电动汽车突出问题之一，如何基于台架噪声预测真空泵车内噪声成为一项重要的研究课题。基于台架噪声声源转换，结合声传函（Acoustic Transfer Function，ATF）测试结果，推导了真空泵车内噪声的计算公式，并进行试验验证。试验结果表明，该计算方法准确有效，与试验误差在1.5dB（A）左右。该计算方法对车辆噪声子系统目标分解选型具有重要参考价值。

关键词：真空泵;台架噪声;声源转换;声传函;车内噪声预测

中图分类号：U461.4    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2020）03-0016-06

Abstract： Vacuum pumps noise is one of the major problems in electric vehicles. How to precisely predict interior noise induced by vacuum pump has become a research point. Bench noise source conversion combined with Acoustic Transfer Function test results， the formula for calculating the interior noise can be derived. After the test verification， the results show that the calculation method is accurate and effective， which predictive error is about 1.5dB （A） .It provides important reference for target decomposition and selection of vehicle noise subsystem.

Key Words： Vacuum Pump; Bench Noise; Source Conversion; Acoustic Transfer Function; Interior Noise Prediction

引   言

随着汽车技术的发展和国家政策的引导，电动化已成为汽车行业发展的重要特征之一，因没有传统发动机的掩蔽效应，真空泵等辅助系统噪声问题更加明显[1]。随着开发周期缩短和试验物理样车减少，如何在早期预测真空泵车内噪声变得更为迫切。

当前国内外的研究人员一般是通过仿真的方法计算车内噪声，但在工程应用中有很多局限。汽车噪声通常为宽频噪声，需要结合有限元、边界元、统计能量法等多种建模方法进行混合建模[2-5]，需要输入大量的内外饰材料参数与多项试验调试，需要大量的数据积累且对试验资源占有较高。此外，一些车内噪声仿真的关键细节仍难以模拟，如车身孔隙分布、隔音垫贴合情况和过孔的细节等。基于实际或相近车型的声传函，计算附件系统的车内噪声更具现实意义。

本文通过试验的方法计算车内噪声，需进行声源载荷识别和传递路径识别。声源载荷识别可分为实车近场测量和台架噪声测量[6-8]。实车近场测量时有两个问题难以解决：一是输入信号之间相互影响，容易造成计算结果偏大，需要进行修正[9];二是声源附近的声压受到周围环境空腔模态和吸声性能的影响，此部分影響在传递路径识别中已经涵盖而被重复计算。本文采用消声室环境下的台架噪声测量，无上述问题。

传递路径识别可分为空气传播噪声和结构传播噪声。中高频噪声如风噪声、电磁噪声等，主要是空气传播噪声;中低频噪声如钣金振动噪声、路面噪声等，主要是结构传播噪声[10]。本文中真空泵与电机总成之间通过橡胶衬套隔振，电机总成和车身之间通过悬置隔振，所以真空泵两级隔振后辐射的结构传播噪声很小，可认为真空泵车内噪声主要为空气传播噪声，传递路径中仅测量声传函。本文中为避免声源布置空间的限制采用逆向法进行测试[11-13]，即乘员舱布置声源，机舱布置传声器。

汽车真空泵台架噪声和声传函通常局限于与对标车单独比较，没有用来预测其车内噪声。本文通过声源转换将两者有效结合起来，并通过试验验证了计算方法准确有效。该方法增加了项目开发的可控性，对车内噪声子系统目标分解与选型具有重要意义。

1    真空泵车内噪声频谱特征及传递路径

真空泵是一个常见的电动车辅助系统声源，当真空助力器真空度不足时，真空泵会接入蓄电池电源向外泵气，泵气过程一般持续约15秒，期间会产生空气动力性噪声、内部机构运转振动的机械性噪声和电机的电磁性噪声。当电动车踩下制动踏板刚要启动时，车内真空泵噪声很明显。

真空泵发声时，车内前排后排等不同位置的响应有所差异，本文选择用车内的驾驶员内耳位置作为代表进行研究。将测试车辆置于半消声室内，关闭汽车空调等设备，测出驾驶员内耳背景噪声，再让真空泵工作，实测驾驶员内耳噪声及其背景噪声见图1：

一般噪声超出背景噪声6dB（A）后，人可以明确感知。从图1中可以看出，真空泵车内噪声2500Hz以上的频段声压级与背景噪声差距不足6dB（A），本文不进行研究，而主要研究三分之一倍频程315～2500Hz。

真空泵空气传播噪声向车内传递可以将声音能量分为3部分，如图2所示：第一部分为直接传入声，声音直接通过车身壁板或缝隙传递到车内，此部分能量主要取决于与乘员舱隔声性能;第二部分为间接传入声，声音在传播过程中被地面纵梁等物体反射，最终间接传入到车内，此部分能量主要取决于机舱吸声性能;第三部分声音在传递过程中不断衰减，被声学材料吸收或散失到大气中。

2    真空泵台架噪声测试与声源转换

2.1   台架噪声测试

消声室中将真空泵悬吊起来，通过导线接入稳压电源，保证台架真空泵工作电压与在整车上工作电压一致。参考GB/T 1859，在真空泵“上、下、前、后、左、右”6個方向各布置一个传声器。为了构建标准的球形辐射面，本文中以真空泵中心而不是真空泵表面为参考布置传声器，传声器距离真空泵中心0.5m，如图3所示：

测试结果见图4：

2.2    声源转换

真空泵近似于一个圆柱体，底面直径约94mm，高度约137mm，在电机舱中的安装位置见图5：

通常真空泵表面辐射不均匀，为简化计算，本文中将其平分为6个辐射面，假设每个辐射面内噪声辐射均匀。这样可以将台架中真空泵等效为6个六分之一球面声源。假设真空泵右侧因紧靠电机壁面而导致右侧声音全部反射到其他方向，反射能量按照“上、下、前、后”辐射的声功率比例分配，根据能量守恒定律可将6个面声源转换为5个面声源。假设这5个面声源均通过真空泵附近对应方向的点辐射噪声，可将5个面声源转换为5个等效点声源。最终，声源转换过程如图6所示：

本文中假定声源辐射方向的变化产生的影响可忽略，主要有两个原因：一方面，真空泵附近存在前纵梁、前围板、电驱总成和机舱护板等多个壁面，声音会在这些壁面间来回反射而近似形成一个混响场，削弱了声音指向性的影响;另一方面，真空泵尺寸相对于传递路径来说不到十分之一。

3    等效点声源至车内声传函测试

本文把激励源为中高频体积声源，可直接测出声音体积加速度，激励信号为猝发随机白噪声，激励点为驾驶员内耳。我们以驾驶员视角为参考，定义方向“上、下、前、后、左、右”，因为真空泵右侧紧靠电机无法布置传声器，所以只在机舱真空泵附近的“上、下、前、后、左”5个点布置传声器作为测点，传声器距离真空泵表面10cm，见图7：

本文公式中“上、下、前、后、左、右”分别用“1、2、3、4、5、6”表示。本文中声传函用测点声压与激励点的体积加速度的比值转换为分贝表示，见公式（1）。

m=1，2，3，4，5  （1）

式中：Hm为（400～1250）Hz真空泵附近各测点到驾驶员内耳声传函，pm为各测点声压，Q 激励点体积加速度。

声传函测试结果见图8：

4    车内噪声计算和验证

①声压级A计权转换见公式（2）、（3）：

式中：LpAk为真空泵台架测试各测点A计权声压级;Lpk为各测点声压级;A为A计权的参数;LpAi为预测的驾驶员内耳处A计权声压级，Lpi为预测的驾驶员内耳处声压级。

②声压级与声压关系见公式（4）、（5）：

式中：pk 为台架各测点声压，pi 为预测驾驶员内耳声压。

③台架测试的消声室可看作自由声场，则测点的声强在声音传播方向上的大小可采用公式（6）计算：

式中：Ik 为台架各测点的声强在声音传播方向上的大小;ρ 为空气密度;c 为声速。

④将距离真空泵中心R的球形辐射面平分为6部分，假设各部分内声音辐射均匀，即将真空泵声源转化为6个面声源，则可按公式（7）计算出各辐射面的声功率：

式中：Wk 为台架测试中各辐射面声功率。

⑤通过声源转换分析，声传函各测点声功率见公式（8）：

式中：Wm为转换后的声传函各测点声功率。

⑥自由场中，点声源声功率与体积加速度关系见公式（9）：

式中：Qm为真空泵附近各点体积加速度。

⑦汽车行业中声传函测试一般采用逆向法，假设汽车中的声音的传递路径是线性系统，A点声激励下的B点响应等于B点声激励下A点响应，即声源和和接受者是可逆的[11-13]。因此，真空泵附近某点到驾驶员内耳处的声传函等于驾驶员内耳处到真空泵附近某点的声传函，即为公式（10）：

式中：pm 为真空泵附近各等效声源发声时驾驶员内耳对应的响应。

⑧本文中假设各等效声源在车内的响应是独立的，将其各个响应能量求和，即是预测的驾驶员内耳总响应，见公式（11）：

⑨将公式（1）、（2）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9）、（10）、（11）代入公式（3），可得公式（12）：

公式（12）消除了计权参数A和空气传播噪声音传播速度c等参数，R为0.5m，空气密度ρ 为1.17kg/m3（0.1MPa，25℃），将图4和图8数据代入公式（12），可求出相应频率下的预测值 LpAi ，预测计算的结果和图1中实测的结果对比见图9：

预测频谱曲线和实测频谱曲线吻合良好，研究频段的各三分之一倍频程相差1.5dB（A）左右，说明预测方法准确有效。

5    结论

本文介绍了车内噪声预测的现状及目前仿真方法的局限性。本文分析了某电动车机舱内真空泵噪声传递路径，基于能量守恒定律把自由场环境下真空泵台架噪声近似转换为5个独立的点声源，结合声传函的互逆特征，推导了真空泵车内噪声的计算公式，并进行了试验验证，结论如下：

（1）车内噪声计算公式计算结果与试验差异约1.5dB（A），计算方法准确有效;

（2）以空气传播噪声为主的声源，可根据周围环境基于辐射能量进行声源转换;

（3）该计算方法对车内噪声子系统目标分解与选型具有重要意义，可结合台架噪声目标达成情况及时调整声传函目标，评估真空泵安装在不同位置的车内噪声等。

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