FW : 辛勤兴: 小型车振动噪音路况测试与侦错技术

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小型车振动噪音路况测试与侦错技术
■ 辛勤兴

一、前言
随着国内汽车工业发展进步与车厂制造技术的提升，对于车辆的行驶性、安全性、耐久性与舒适性已达到相当的水平。就国内汽车制造厂而言，除了在设计生产能力的提升外，对于消费者的需求重点，也是成为新车开发阶段时所需考虑的因素。国内汽车市场的调查显示，消费者对于车辆静肃性的质量要求是相当高，且已成为评价汽车优劣的指标之一，因此，要如何降低车辆的噪音，又不会影响车辆安全与增加成本，将是各车厂在解决车辆振动噪音防制所要面临的课题。
就现阶段而言，国内车厂在进行车辆的振动噪音防制方面，大部份借助国外母厂之技术协助，而国外母厂的设计构想与产品定位上，往往以符合国外环境需求，作为设计考虑的条件；而国内车厂在吸取这些技术后，也依此标准而修正符合本地环境产品。由于引擎等机械噪音已受到良好抑制，因此，路面所造成的噪音逐渐受到重视；为了要能够了解路面对车内噪音的特性，势必将影响各车厂产品开发时程与成本，有鉴于此，小型车振动噪音测试应用技术之建立就变得非常重要了。
二、与路面相关的车内噪音介绍
在探讨小型车行经各种路面时，所引发车内噪音机制，系因车辆在行驶中，路面对轮胎以及悬吊系统进行激发，而有振动及噪音的发生。这些振动噪音经由结构或者空气的传导而进入车内，成为所谓的车内噪音，然而有哪些是引发汽车振动噪音的主要激发来源呢？
(一) 对悬吊系统的激发
针对悬吊系统的噪音，可分为两个部份来讨论: 避震器弹簧与油压系统。车子在稍微粗劣的路面行驶时，避震器弹簧的行程变换时发生的压力变动使活塞杆振动，经由悬吊塔上的绝缘体传递给车身，进而激发车身各部位的结构件或板件，产生共振以及车内噪音。而在路面凹凸起伏较大时，避震器内的作动油在油路中的节流机构，形成高速喷流，压力下降后融入油中的气体成为气泡，此气泡来到下游，压力再度增高，因而产生崩坏、消灭。在气泡的发生、消灭过程中，所发生的高压脉冲会产生咻咻的噪音。此外，当通过路面接缝、人孔或龟裂等单发性凹凸时，会产生冲击性的振动噪音，称之为harshness(参考文献八)；其主要能量集中在100Hz以下。
由于电子技术的进步，对于悬吊系统的电子控制技术也蓬勃发展，主要的机能如控制主弹簧常数、控制衰减力、控制车高及控制侧滚平衡等，可有效兼顾操控性与成员舒适性；对于因路面激发悬吊所造成的车内噪音问题，也更能有效掌握。
(二) 对轮胎的激发
与轮胎有关的噪音特性，以发生机构来看，可以分为轮胎与路面相互作用所造成的型式噪音、轮胎本身振动所引起的弹性振动音、搅乱轮胎附近气流所引起的风切音。以下分别讨论:
1. 胎纹噪音(Pattern noise)
一般所谓的轮胎噪音大都是指胎纹噪音，其又可分为空气泵音及打击音，皆与轮胎的胎纹型式有密切关系，因此总称为胎纹噪音。当轮胎胎纹接触地面之际，轮胎的胎纹会变形，将胎纹沟槽内的空气挤压而排出沟外；而离开地面之际，沟槽容积复原，又吸入一些空气来。这种胎纹沟内空气进出的现象，造成轮胎周围的空气振动并且形成噪音，便称之为空气泵音。胎纹的设计型式会影响空气在沟槽内压缩和进出的难易度，通常直肋轮胎较棱纹轮胎的泵音大，而放射状结构较斜式结构的空气泵音小，因为后者接地部的胎纹动作大。而如果胎纹以规则排列的方式设计，则空气泵音将为单纯且刺耳。因此，近来汽车轮胎的胎纹设计多朝向胎块随机大小变化及沟槽间距随机变化的方式，以在频率上分散纯音成份。但这种方法很难降低整体的噪音程度，必需再针对轮胎材质、胎层衬套结构及外廓轮弧形状等进行匹配，才比较能有效果。
2. 道路噪音
胎纹噪音是由轮胎表面凹凸所引起的，而道路噪音则是由道路表面凹凸引起的噪音。轮胎通过路面小的凹凸之际，空气进出凹凸胎纹所产生的空气泵作用，将产生噪音。一般铺装路面的纹路是没有规则的，所以其噪音与白色噪音近似。
3. 胎体振动音
胎体振动音是轮胎不均匀、橡胶胎块的刚性变动或路面的凹凸因素，使轮胎受到不平衡力及强制振动，因而产生的声音。其噪音频率常为轮胎转速频率或其轮胎频率的2~3倍频，是相当低频的声音。但经由振动的结构传递，悬吊、车壳等的共振频率也有可能放大此现象。因多在200Hz以下，由于人类听觉关系，对轮胎弹性振动音的感受很小。
4. 风切音
这种声音与路面没有直接关系，由于轮胎和轮圈的转动，搅动周围空气所产生，一般中低速时，这种声音可予以忽视。
造成车内噪音的因素有很多，除了与路面激发较有相关的轮胎与悬吊系统外，还包括了引擎本身燃烧爆炸所产生的振动及噪音及外围辅机，例如驱动皮带振动。以及进排气系统所形成的气流音与脉冲音，所可能造成车厢内共鸣音的发生。对于传动系统方面，传动轴、差速器与变速箱所产生齿轮噪音，而冷却系统中，压缩机的共振模态也会引起的振动噪音问题，就这些噪音的来源，虽然随着汽车设计与生产技术精进而有所改善，但所产生的噪音也是难以避免。
另外，风切音、车厢空间共鸣等，也都对车内噪音占有一定的比重。就本文内容，主要藉由不同路面改变激发特性，其目的不仅要研究轮胎、悬吊系统或各种路面所产生的噪音特性；也期望藉由不同道路测试结果的比对，能将路面所激发的噪声源作有效的界定。

三、车内振动噪音量测技术
在探讨各种路面对于目标车所引发车内振动噪音问题前，首先需对于路面的特性加以区分，接下来再施以适当的量测方法，进行不同路况比对测试，并且利用汽车底盘动力计与车辆半无回音室等设备，进行模拟实车路试，将所量测振动噪音讯号利用频谱分析仪进行分析，藉以探讨路况所引发车内振动噪音之相关性，以了解车厢声场的特性。
(一) 测试方法
就振动噪音测试方法包括以下两项：
1. 实车路试：以定速、急加速条件行驶，量测车内振动噪音稳态与瞬时讯号。
2. 车辆半无回音室：以汽车底盘动力计模拟行车路阻，后轮固定状态，量测定速、及急加速车内噪音与振动讯号。
(二) 量测位置与测试条件
对于车内噪音的量测方面，以麦克风仿真人耳位置；而就车体振动方面，则以车体结构可能产生激发力的位置上装设加速规，以获取激发力的响应。另外，在进行测试之前，必须对目前测试车的车况进行了解，以确定车辆行驶是否正常，以及是否在同一标准的条件下进行测试，如此才不会因为以下的因素，造成量测结果上的误判。
(三) 测试环境条件
环境条件限制是为了避免其它外在因素影响，所要量测的车内噪音。
1. 背景噪音须小于量测噪音之10dB。
2. 距地面高度1.2m处风速小于5m/sec。
3. 路面保持干燥且无巨大反射物体。
(四) 量测仪器设备
振动与噪音量测设备配置(如图3-1)，麦克风或加速规量测噪音、振动讯号经前置处理器(Front End)记录磁带记录器(DAT recorder)中；再将录制完成的讯号重现，配合频谱分析仪进行相关的频谱分析。
(五) 讯号量测方法
1. 稳定讯号量测方法
主要就平坦路面特性所进行的量测方法，量测声压、振动与转速讯号一段时间后，记录于ＤＡＴ磁带记录器上，再以频谱分析仪进行频谱分析。
2. 非稳定讯号量测方法
特别针对振幅路面引发车内瞬间振动噪音所建立量测方法。以光电遮断器(Photocell)通过断差路面时所产生触发讯号(Trigger)，将同步量测之瞬时讯号记录于磁带记录器中，再利用频谱分析仪与磁带记录器重现量测讯号，进行瞬时频谱分析。
四、噪声源侦错技术
针对小型车振动噪音的问题，进行车内噪声源侦错与分析，藉以探讨因结构传递噪音(Structure borne noise)，包括引擎运转时所导致车体振动的噪音，以及轮胎与路面接触，造成悬吊系统所激发的噪音等，以了解车体振动激发源与车内噪音之关联性，作为日后改善对策的参考依据。
有关本研究所执行噪声源侦错方式，包括阶次追踪分析与振动噪音相关性测试。
(一) 振动噪音阶次追踪测试
1. 基本原理
阶次定义：转动件如引擎、轮胎因不平衡等因素，造成每转一圈产生一次周期性变化，此一周期性变化即称为基础频率(fundamental frequency)或称第一阶次(first order)，若每转产生两次变化时其频率即为第二阶次(second order)，依此类推第三阶次、第四阶次等等。
追踪定义：在进行频谱分析时，取样频率随转速变化而改变，以确保转速分辨率在高低转速相同。
阶次追踪分析主要依据基础频率，改变取样周期如图4-1所示，以每转取样数维持固定，再依频谱分析相关运算进行快速傅立叶转换，既可得阶次频谱分析。
就一般车辆而言，第一阶次振动所产生原因主要为重心偏移或是不平衡，如轮胎动平衡力不佳、引擎曲轴不平衡，对于四行程四缸引擎，由于点火燃烧爆炸周期为每两转四缸依序点火燃烧输出动力，因此形成第二阶次为振动噪音问题主要阶次，若以四行程六缸引擎，则主要阶次为第三阶次。
2. 测试与分析
在进行加速行驶测试时，记录转速计所撷取引擎转速讯号，作为周期参考单位，同步量测车内噪音与车体加速度讯号，并以阶次分析频谱特征与大小。
图4-2~4-5为车辆半无回音室内进行测试所量测的阶次追踪分析结果，显示车内的噪音主要来自转速第二阶次，因测试车为四行程四缸引擎，所以第二阶次为振动噪音问题主要阶次。通常振动噪音将随着转速提高而加大，因此对于在加速过程中频谱所反应异常突起峰值，将是产生异音的来源。
有关车厢内共鸣或是车体结构共振频率的侦错工作，将运用阶次分析之瀑布图进行侦错，从量测数据中频率、转速与声压值所构成之声压频谱丘(如图4-6与图4-7所示)，可发现随转速改变时，在某些频率会保持声压值高起的情形。而从频率域分析结果，在各转速变化所产生声压能量总和(如图4-8与图4-9)，噪音频谱会有峰值产生。针对此现象，即表示频谱峰值是与转速无关的噪音，可能是车厢共鸣与其它零组件共振。         
(二) 振动噪音相关性测试
针对车内噪音的产生，可分为因车体振动所引发结构传递噪音(Structure borne noise )包括引擎运转所产生不平衡力，以及路面凹凸，使轮胎接触地面时所产生的激发力，造成悬吊机构振动而引发噪音；此外，轮胎转动与路面磨擦所发出的轮胎噪音，进气与排气所产生的气流音，这些属于空气传递噪音(Air borne noise)部份，可经由空气传递穿透至车厢内。若是单就结构传递噪音(Structure borne noise )部份，因外力导致车体振动而压缩车厢内空气产生噪音，可以藉由频谱分析，追踪部份激发源或传递路径响应与车内噪音的关联性。
1. 基本原理
有关测试的方法，主要应用振动与噪音彼此间响应，并以频谱分析关联性函数(Coherence Function)比较各讯号之一致性，以确认各振动源与噪音关联性之成份。如此，既可表示噪音频谱中峰值产生的主要来源。
2. 测试与分析
测试目的主要针对可能造成结构传递路径进行评估(如图4-10)。经由测试结果如图4-11所示，在比较各激发响应的相关性函数(Coherence Function)后，可发现噪音峰值与那些激发振源是有关联性，例如在前一节所提到的共鸣或共振频率，就可藉由此分析找出主要路径。      

五、实车路试
针对振动噪音测试道所包括的路面状况与特性，可分为低振幅路面、高振幅路面与噪音路面三类。而所属每一类中则有数种不同路形(Road profile)之路面，如表5-1所列。为了藉由这些路面特性，以凸显引发车内噪音的来源，因此对于所拟定测试方法，在低振幅与高振幅路面以定速进行测试，两者除了行驶车速不同外，皆同样以量测车内噪音与车体振动之非稳定讯号；而就噪音路面，以定速与急加速进行测试，量测车内噪音与车体振动之稳定讯号。
于一般沥清路面与本中心综合性能测试道，所获得到的测试结果比较如图5-1说明，在定速行驶条件，一般沥清路面行驶时，车厢内各麦克风所量测车内声压，皆高于综合性能测试道之测试值。由此可得知，一般沥清路面所引发的车内噪音较高，而其中在高频范围900Hz至1600Hz，车内噪音有显著变化。针对这样的现象，经由比较轮胎噪音频谱特征如图5-2所示，可发现在这频率范围内，轮胎噪音对车内噪音会有较大贡献量。
对于路况测试结果(图5-3)与前一章节噪音侦错方法，可发现在综合性能测试道进行测试，来自引擎噪音的频谱峰值，能够藉由测试条件，凸显引擎噪音对车内噪音的影响，而对于一般沥清路面，则可评估轮胎噪音对车内噪音的贡献。
此外，就人孔路面测试结果，车内噪音特性可由图5-4频谱分析说明，在低频范围约400Hz以下，会造成声压能量集中现象，此现象主要是轮胎撞击人孔盖时，所形成加振力，经由悬吊机构传递车身，造成车身振动，而引发车体板件振动所衍生的结构音。   
六、结论
针对目标车所发生振动噪音问题，不论是在实车路试或车辆半无回音室所进行测试结果，可藉由相关侦错与诊断工作，并找出噪声源之问题所在，以研拟改善对策。就车辆的振动与噪音问题，通常振源与噪声源是一致的，因此经由振动噪音相关性测试，可找出那些振源是构成车内噪音主要来源；如此，消除或降低了振动发生的原因后，往往也会同时解决噪音问题；另外，由于振源与噪声源所产生的振动或噪音，也会导致车体结构的共振与车厢空间的共鸣，而使问题更加恶化，因此找出共振位置或是发生共鸣的频率，将可有效运用吸音材或是减振材进行改善，另外一方面，藉由实车路况测试比对，与稳定讯号与非稳定讯号量测方法，将所量测车内噪音与振动数据，透过讯号频谱分析，可了解如何运用路面的特性，将那些汽车组件所引发噪音特性表现出来，以作为车厂在解决路面上所引发噪音问题的参考数据。

七、参考文献
[1] Sound Level For Truck Cab Interior.，SAE，1988，J336 1988-10
[2] Measurement of Interior Sound Levels of Light Vehicles.，SAE，1986，J1477 1986-01
[3] Acoustic-Measurement of noise inside.，ISO，1980，5128-1980(E)
[4] Sung-Ping Cheng, David Griffiths, P. Perry Gu and Cuiping， Chassis Dynamometer Simulation of Road Noise.，SAE，1997，971893
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[8] 赖耿阳，汽车悬吊装置总览，复汉出版社，P188-P189.

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