电动汽车车内噪声仿真的可听化

导  读

统计能量分析（SEA：Statistical Energy Analysis) 1-2已发展成为中高频噪声和振动问题的最重要的模拟工具之一。SEA中的建模车辆表示为多个耦合子系统，其动力学模型由各子系统的输入、存储、传输和能量耗散四个子系统组成4。SEA已广泛应用于汽车工业中的空气传播噪声和结构传播噪声。SEA的典型结果是接收腔的平均声压级，例如1/3倍频程谱3-4。


源 - 路径贡献（SPC：Source Path Contribution）已广泛用于车辆NVH问题的故障排除，该方法适用于空气传播和结构传播噪声5。虽然有各种方法可以处理结构噪声，但空气噪声源的贡献主要是通过矩阵反演方法6来完成的。声源由一组点源建模，并在实验室环境中测量点源与附近指示传声器之间的传递函数。通过路面测量，用传递函数的逆矩阵乘以在频域内指示传声器处测得的声压，估计单极子源的声源强度。这个过程可以在时域中通过从逆传递函数矩阵6中设计等效有限脉冲响应（FIR）滤波器来实现。近年来，有人提出了一种不测量传递函数矩阵的方法，但该方法存在空气传播和结构传播贡献分离不准确的问题7。


虽然SEA在接收腔产生1/3倍频程谱的结果，但工程师无法主观体验结果。这可能会导致对正在研究的噪音问题的误解。出于这个原因，越来越需要双耳合成SEA结果。此外，在NVH驾驶模拟器中驾驶模拟车辆的可能性将有助于以交互方式评估原型车辆。此项研究不仅尝试直接听觉化SEA结果的1/3倍频程谱，还尝试将SPC测量结果与SEA测量结果结合起来，用于原型车辆的交互式驾驶模拟。


创新研究

本项工作研究了两种实现SEA结果双耳合成的方法。一个是直接来自SEA 1/3倍频程结果和测量的相干函数。另一种利用源 - 路径贡献（SPC）估计外部面板上的时间信号，然后将SEA结果作为一组有限脉冲响应（FIR）函数应用。这两种方法似乎都能产生真实的双耳信号以及接收器上正确缩放的声压级。该方法利用SPC结果，通过分解谐波和掩蔽噪声，为NVH驾驶模拟器生成输入数据。这意味着可以通过自由驾驶模拟车辆体验SEA结果。


图文快览


图1：双耳合成方法综述


图2：在Matlab中开发的SEA双耳合成工具


图3：用于测量的现代Niro电动汽车。线带区域显示了SEA面板


图4：测量的双耳信号与来自SPC双耳信号之间的比较，标记为“Ctb之和”


图5：比较右耳位置的空腔SPC值（左侧）和合成的SEA双耳信号（右侧）


图6：仅使用来自防火墙的贡献，在右耳位置合成SEA双耳信号


图7：SEA 1/3倍频程谱与双耳合成方法之间的比较。车辆以每小时40英里的速度行驶

结  论 

建立了一个完整的现代Niro电动汽车SPC模型，并采用矩阵反演方法对空气和结构的贡献进行分解。使用测量信号进行的初始验证与文献中的结果一致，即空气传播和结构传播在约500 Hz下的分离。在500Hz以上，空气传播的贡献与测量信号非常匹配，直到风噪声开始占主导地位。

从源到外部面板的单独传递函数测量用于SEA模拟输入。SEA模拟的结果被用作从外部面板到接收器位置的压力 - 压力传递率的一种形式。同时进行频域和时域合成。对于时域方法，根据传输率函数设计FIR滤波器。双耳合成的结果表明，所提出的方法扩展了SEA模拟的使用，使得能够在时域中进行详细研究，例如重建二阶分量的精度。由此产生的时间信号进一步用于构建NVH模拟器模型，其中不同面板设计之间的交互比较是可能的。

为了进一步验证所提议的方法，可能需要一组新的测量值。此类验证测量可能包括不同车辆类型的SEA建模，以及将物理变化应用于被研究车辆。


参考文献

1. R. H.Lyon, and G. Maidanik, “Power flow between linearly couple oscillators.”,Journal of the Acoustical Society of America, 34, 623 – 639, 1962.
2. P. W.Smith JR., “Response and radiation of structural modes excited by sound.”Journal of the Acoustical society of America, 34, 640 – 647, 1962.
3. K. S.Chae, J. H. Jeong, C. M. Park, and J. W. Yoo, “Prediction and Improvement ofHigh Frequency Road Noise of a Mid-Size Sedan”, SAE Noise and VibrationConference and Exhibition,paper nr. 2307,2007
4. J. A.Cordioli and S. Gerges, “Applications of the Statistical Energy Analysis toVibro-Acoustic Modeling of Vehicles”, 2004 SAE Brasil Congress and Exhibit,paper nr. 3352, 2004.
5. M. V.Seijs, “General framework for transfer path analysis: History, theory andclassification of techniques”, Mechanical Systems and Signal Processing 68-69,217-244, 2016.
6. A.Schuhmacher and D. Tcherniak, “Engine Contribution Analysis Using a Noise and VibrationSimulator”, International Conference on Noise and Vibration Engineering(ISMA2006) Vol. 43, 2006.
7. D.Tcherniak and A. Schuhmacher, “Application of decomposition-based technique inNVH source contribution analysis”, Proceedings of the IMAC-XXVII (Florida,USA), 2009.
8. K. S.Chae, B. H. Kim, J. H. Kim, and S. W. Lee, “Development and Application of aSimplified Simulation Program of Vehicle Insulation Performance”, Hyundai-KiaMotor Group Conference, 2016.
9. K. S.Chae and Y. H. Park, “Efficient SPL Load Measurment of SEA AirbornePrediction”,Hyundai-Kia Motor Group R&D Internal Report, 2018.
10. A. V.Oppenheim, and W. S. Ronald, “Digital Signal Processing”, Englewood Cliffs, NJ,Prentice-Hall,1975.
11. R.Williams, F. Henderson, M. Allman-Ward, G. Dunne, M. Cockrill, and S. Adlard,“Using an Interactive NVH Simulator for Target Setting and Concept evaluationin a New Vehicle Programme”, SAE Noise and Vibration Conference and Exhibition,2005.