通过噪声测试新技术及其工程应用

噪声污染一直是一个热门话题，越来越多的城市在努力改善居住环境，降低噪声水平是重中之重，而交通运输工具在城市环境中的噪声控制在其中将扮演着重要的角色。
本文将介绍汽车行驶通过噪声试验中最新的技术手段，包括：室内通过噪声试验方法、通过噪声的工程诊断手段、部件TPA技术在通过噪声预测工程中的应用，以及电动车/新能源车低速警示音的设计和验证。

如下图所示，自从上世纪 70 年代，第一个汽车行驶通过噪声标准发布至今，车辆排放噪声的限值要求已经降低了 12 dB！而且，到 2024 年，车辆噪声的限值将会进一步降低。


汽车通过噪声法规的趋势

那么，汽车制造商如何在接下来的几年里，如何才能保证在加速开发出新车型的同时，确保新车型能够符合新的标准要求呢？回答这个问题之前，我们先来谈谈当前通过噪声测试领域中的一些新方法。

01  室内通过噪声测试方法助力法规认证和工程分析

在露天场地（测试场地/试验路面）中执行外场通过噪声测试已经非常普遍。不幸的是，该技术高度依赖于天气条件。想象一下，如果可以在室内环境（半消声室）中执行相同的测试，就可以完全不受天气影响。那么实际情况如何呢？真的能够等效于外场测试吗？

汽车行业当前正在采用的一项创新试验方法就是“室内通过噪声测试”。在新的ISO362-3标准下，此方法现在不仅可以用于工程诊断与分析，还将能够用于认证测试。试验中，车辆在转鼓上运行，测试转鼓的转速，通过直径就可以换算得到车速。麦克风布置在车辆的一边或两边，工况测试条件与室外测试相同。通过在已知位置上分布的麦克风，可以重构通过噪声曲线，得到车辆虚拟位置的噪声水平。从阵列麦克风中重构通过噪声曲线，有赖于稳定、可靠的软件算法，目前经验证有效的算法有能量法和时间法。

为了在室内和室外噪声水平之间获得良好的匹配，应修正轮胎噪声，因为这在室内无法准确测量。建立轮胎噪声模型必须基于室外工况测试，然后将其“添加”到测得的室内通过噪声中。

现在，主机厂已经可以同时使用室外和室内通过噪声测试来验证车辆了。那么可能还有一个难题，如果新一代车辆开发周期结束时，没有达到官方车辆通过噪声的限值要求，该怎么办呢？又该如何尽可能避免这种风险？


室内通过噪声测试现场

02  通过噪声工程诊断技术加速车型开发

过去几年中，随着室内通过噪声测试技术的应用，一些工程诊断技术得以开发，用来进一步分析车辆总体通过噪声的贡献量。基本上，这些技术的目标都是分离由部件或子系统产生的贡献，进而进行故障排除。其中最典型的一项技术是声源量化（简称ASQ）。ASQ技术可以分离不同噪声源的噪声贡献并进行排序，还能用于为新产品提供子系统目标设定。

ASQ技术的原理是基于传递路径分析技术估计主要贡献子系统的声载荷。通常考虑发动机、进气、排气和轮胎。在每一个子系统周围，布置麦克风，称为指示点。在通过噪声测试中，指示点麦克风与通过噪声麦克风阵列同步进行测试。ASQ模型需要对通过噪声麦克风、指示点麦克风和子系统之间的传递函数进行测量，并利用指示点响应逆向识别出工况声载荷，然后将这些声载荷传递到车辆侧面的各个通过噪声的目标麦克风。获得良好的ASQ虚拟模型后，便能构建FIR滤波器，对每个目标麦克风处的各个声源贡献进行时域合成，估计出模型中各子系统对通过噪声的贡献，并对总的通过噪声水平合成结果与实测结果进行对比验证。

这种方法很容易在室内实现，因为所有的麦克风可以同时测量。也可以通过室外测试来实现，只是工作量更大一些。

随着越来越多的仿真和试验结合起来解决工程问题的趋势，ASQ技术中也可以用到3D仿真。因为并不是任何时候都可以获取到试验数据，而且试验通常比较耗时，且需要专业的试验设备。如果有经过验证的有限元模型，则可以基于虚拟模型计算传递函数，计算声源载荷，或者作为ASQ分析的输入数据。举个例子，在虚拟模型中，可以在原型车确定之前测试得到不同隔音结构的传递函数，或者根据目标设定选择更合适的部件或者子系统，这会显著加快车辆开发过程。

值得一提的是，获得一个完整的车辆或者通过噪声虚拟模型，也是很有挑战的，即使开发了一个完全虚拟的流程，也需要试验作为验证步骤来发挥重要作用。通过将测试和仿真相结合，可以最大限度地加速通过噪声认证，加快车型开发。


通过噪声工程诊断技术

03  基于部件TPA技术的通过噪声预测，前景广阔

我们来思考这样一个问题，假设我们对一辆汽车进行了ASQ工程分析，如果该车需要安装另一套排气装置，能不能在没有真正在汽车上安装新排气装置的时候，预测辐射噪声是多少呢？答案是可以。基于部件的传递路径分析（简称C-TPA）技术，为之提供了新的可能。

首先，排气系统只需在试验台架上识别其声载荷。然后，在初始ASQ车辆模型中使用这些声载荷替代原始排气声载荷，形成新的虚拟装配体。最后，进行新装配体NVH性能的预测，得到新的通过噪声量级，以及各个源的贡献量。很明显，这有助于评估几种子系统配置的效果，而不需要实际在整车中集成这些子系统。

通过噪声预测技术在一些公司已经成功应用，代表着主机厂和零部件供应商之间的关系达到了一个新的阶段水平。在这种新模式下，零部件供应商根据部件在台架上的测试结果，即可预测装配到整车上的通过噪声，并根据设定的目标对部件进行优化设计。当最终方案确定之后，给主机厂提供一个可靠的样件进行最终验证即可，而不再需要在每次优化后都苦苦等待主机厂的反馈。对于主机厂来说，可以根据前期项目和工程积累，或者对标车的ASQ分析，直接设定部件或子系统的通过噪声贡献目标。而且，只需供应商提供台架试验结果，即可预测不同部件虚拟装配到整车后的通过噪声，而不必再对同一平台下的不同零部件配置，重复装配，重复试验，大大降低试验数量，提高车型开发效率。这种新的工作模式无疑将大大提高试验效率和用户体验。


通过噪声预测技术

04  新能源车低速警示音的设计和验证

随着纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的兴起，车辆通过噪声水平大大降低，以致成为了一个安全问题：在低速行驶工况下过于安静，对路上行人构成了严重的安全隐患，因此法规强制要求电动车添加声音警示系统（简称AVAS），以便在低速行驶时能够给予行人声音提示。

几年前开始兴起的AVAS系统现在正向第二代系统过渡，主机厂认为这是重塑品牌声音的一个重要机会。AVAS系统产生的声音将不仅要符合最小辐射噪音的标准要求，而且还能与原车的声学特性相匹配，为最终用户产生一个愉快的声学感受，彰显自身品牌的特点与价值。这种AVAS声音设计的新技术我们称之为主动声音设计。

主动声音设计过程中可以引入各种车辆动态特性参数：车速、扭矩、油门开度、转速等。既可以在室内独立地完成声音的设计工作，也可以在样车或驾驶模拟器的动态驾驶工况下进行声音的设计。既可以预先将车辆动态特性参数预设定为驾驶文件，也可以通过直接接入车辆 CAN 总线实时的获取各项工况参数。

主动声音设计中应基于相关法规要求自动生成验证报告，主要法规包括：欧盟ECE R138 标准，美国FMV141标准，中国 GB/T 37153 及其他国家地区的相关衍生标准。在开发早期阶段，用户可以直观的查看不同工况下是否满足相应法规要求，从而帮助声音设计团队在早期研发阶段能够尽早地完成强制性法规要求的验证。


研发早期验证警示音是否满足相应法规

AVAS 声学设计过程中需要考虑AVAS扬声器安装位置，以及与其它类型噪声的结合，如轮胎噪声、动力总成噪声等。这样才能确保在最后的样车验证中声学系统满足法规要求。在集成了AVAS系统的整车原型设计好后，主机厂需要执行标准的室外或者室内通过噪声测试，进行整车通过噪声和最小辐射噪声的认证，这是投放市场前的最后一步。

现在我们可以回顾一下在本文的开头提出的问题，主机厂可以做些什么来确保新车符合新法规？介绍了最新的通过噪声工程技术及其优势后，相信现在可以回答出这个问题了，新技术大大有助于缩短开发周期，避免了开发延迟或者在开发周期的最后阶段进行故障排除。

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