NVH技術(shù)干貨 | 汽車(chē)零部件調(diào)制音問(wèn)題分析研究

在實(shí)際工程中，越來(lái)越多的汽車(chē)零部件（帶小電機(jī)、螺桿等）會(huì)出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，如波浪音、沙沙音、噠噠聲等，會(huì)給人不悅的感覺(jué)，本文結(jié)合實(shí)際工程案例，討論零部件出現(xiàn)調(diào)制音問(wèn)題的主要原因和分析方法，并從后期整改端和前期設(shè)計(jì)端給予一定的經(jīng)驗(yàn)分享。

調(diào)制音問(wèn)題分析

一般NVH問(wèn)題可以簡(jiǎn)化為“源-路徑-接受者”模型，針對(duì)調(diào)制音問(wèn)題分析，我們采用逆向思維“接受者-源-路徑”。首先針對(duì)“接受者”即實(shí)際產(chǎn)品的調(diào)制問(wèn)題進(jìn)行測(cè)試分析，研究調(diào)制音產(chǎn)生的頻帶以及導(dǎo)致調(diào)制現(xiàn)象產(chǎn)生的調(diào)制頻率。

調(diào)制頻帶分析

工程上我們通常喜歡采用基于短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻分析進(jìn)行聲學(xué)問(wèn)題研究，短時(shí)傅里葉變換（STFT）基于傅里葉變換，將信號(hào)分為多個(gè)短時(shí)窗口，然后對(duì)每個(gè)窗口內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。通過(guò)在不同時(shí)間位置上應(yīng)用傅里葉變換，可以得到信號(hào)在時(shí)間和頻率上的局部特征。其頻譜是通過(guò)滑動(dòng)時(shí)窗來(lái)計(jì)算的，故而時(shí)頻分辨率會(huì)受到 Heisenberg 測(cè)不準(zhǔn)原理的限制，即利用短窗口時(shí)，時(shí)間分辨率高，頻率分辨率較低；而利用長(zhǎng)窗口時(shí)，頻率分辨率較高，時(shí)間分辨率較低。一旦 STFT 確定了窗函數(shù)，則與之相應(yīng)的時(shí)頻分辨率也確定。因此可以看出，STFT 是一種依賴(lài)于窗函數(shù)選擇的單一分辨率的分析方法，STFT提供信號(hào)在時(shí)間和頻率上的局部信息，時(shí)域和頻域分辨率之間存在折衷。

而調(diào)制問(wèn)題一般表現(xiàn)為局部特征明顯，STFT主要用于信號(hào)的整體特征研究，因此不太適合進(jìn)行調(diào)制分析。小波變換使用小波基函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，得到不同尺度和頻率的成分。通過(guò)調(diào)整小波基函數(shù)的尺度和平移參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的多尺度分析。小波變換優(yōu)于傅里葉變換的一點(diǎn)在于它可以顯示信號(hào)的局部特征，具有較好的局部化特性，可以在時(shí)頻域上實(shí)現(xiàn)較好的分辨率，因此在進(jìn)行調(diào)制音分析時(shí)建議采用基于小波包變換的時(shí)頻分析。

(a)基于STFT的時(shí)頻分析

(b) 基于小波包的時(shí)頻分析

圖1 某零部件聲學(xué)信號(hào)時(shí)頻圖

調(diào)制頻率分析

通常調(diào)制音在基于小波包的時(shí)頻圖中會(huì)呈現(xiàn)“塊狀”特征，因此先基于小波包的時(shí)頻分析，找到調(diào)制音的頻帶，然后基于高級(jí)濾波回放技術(shù)進(jìn)行該頻帶聲音回放，確認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)感知的調(diào)制音（如波浪音、沙沙音、噠噠聲等），最后進(jìn)行調(diào)制譜分析，即選擇調(diào)制音“塊狀”頻帶，在此頻帶內(nèi)進(jìn)行調(diào)制譜分析（Modulation spectrum），找到引起調(diào)制音問(wèn)題的調(diào)制頻率。

（a）**產(chǎn)品小波包時(shí)頻圖

（b）**產(chǎn)品小波包時(shí)頻圖

圖2零部件調(diào)制音現(xiàn)象的“塊狀”特征示例

（a）**產(chǎn)品調(diào)制譜圖

（b）**產(chǎn)品調(diào)制譜圖

圖3零部件調(diào)制譜分析示例

如圖2（b）中450-500Hz之間存在“塊狀”特征，以450-500Hz為分析帶寬進(jìn)行調(diào)制譜分析得到圖3(b)中的調(diào)制譜曲線(xiàn)，由調(diào)制譜曲線(xiàn)可以得到調(diào)制深度最大的調(diào)制頻率為117.2Hz，也就是說(shuō)導(dǎo)致該產(chǎn)品在450-500Hz帶寬內(nèi)存在調(diào)制的調(diào)制頻率為117.2Hz，因此下一步需要進(jìn)行源分析，找到117.2Hz的來(lái)源。

激勵(lì)源確認(rèn)

前期可以先理論分析（初步分析，理論轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速可能存在差異），基于轉(zhuǎn)速、齒數(shù)等進(jìn)行激勵(lì)頻率計(jì)算，一般建議分析到20倍頻。

圖4為圖3(b)激勵(lì)源激勵(lì)特性結(jié)果，由圖3(b)中的調(diào)制譜曲線(xiàn)可知調(diào)制頻率為117.2Hz，與電機(jī)基頻吻合，由此可以初步判斷調(diào)制現(xiàn)象產(chǎn)生的源頭為電機(jī)。

圖4某零部件激勵(lì)源激勵(lì)特性表

路徑分析

NVH路徑一般為空氣路徑和結(jié)構(gòu)路徑，以圖4產(chǎn)品為例，空氣路徑為激勵(lì)源（電機(jī)和螺桿）本體空氣聲輻射，結(jié)構(gòu)路徑為激勵(lì)源（電機(jī)和螺桿）引起產(chǎn)品結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)外產(chǎn)生的聲輻射。

針對(duì)激勵(lì)源本體的空氣路徑可以進(jìn)行單體聲輻射測(cè)試以明確本體是否存在明顯的調(diào)制音問(wèn)題；

就目前工程而言，大部分是由于結(jié)構(gòu)路徑導(dǎo)致，因此本文重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)路徑角度進(jìn)行調(diào)制音放大原因分析。

a. 首先測(cè)試產(chǎn)品激勵(lì)源安裝點(diǎn)處的加速度，獲取安裝點(diǎn)的振動(dòng)激勵(lì)譜；

b. 進(jìn)行聲學(xué)成像測(cè)試或者互相關(guān)分析，鎖定調(diào)制音大概來(lái)源區(qū)域；

c. 基于鎖定的區(qū)域進(jìn)行局部模態(tài)測(cè)試，確認(rèn)固有頻率；

d. 分析調(diào)制音主要結(jié)構(gòu)區(qū)域的固有頻率與激勵(lì)源激勵(lì)頻率是否耦合，發(fā)生局部共振進(jìn)而放大調(diào)制音（目前工程上大部分由于此原因?qū)е拢?/p>

圖5 某產(chǎn)品的安裝點(diǎn)處振動(dòng)激勵(lì)頻譜

圖6 某產(chǎn)品的調(diào)制音聲學(xué)成像

圖7 某產(chǎn)品局部FRF曲線(xiàn)

對(duì)圖6基于聲學(xué)成像得到的調(diào)制音來(lái)源區(qū)域進(jìn)行局部模態(tài)測(cè)試，得到該區(qū)域的局部模態(tài)參數(shù)，由圖5和圖7可知，該局部區(qū)域在1547Hz處存在固有頻率與激勵(lì)頻率（1547Hz）吻合，發(fā)生局部共振，進(jìn)而把調(diào)制音放大，導(dǎo)致人耳更容易感知。

調(diào)制音改善建議

1）假設(shè)調(diào)制音由激勵(lì)源本體空氣路徑導(dǎo)致（透射出來(lái)），建議直接更換低噪音激勵(lì)源（小電機(jī)、螺桿等），這是由于調(diào)制音一般是中低頻聲音，傳統(tǒng)的吸音隔音手段對(duì)中低頻效果不佳，另外如果激勵(lì)源本體出現(xiàn)軸系不對(duì)中、磨損嚴(yán)重等情況也會(huì)出現(xiàn)碰撞音，噠噠音等，且優(yōu)化的方法有限，因此建議直接從源頭更換；

2）由結(jié)構(gòu)路徑產(chǎn)生的調(diào)制音主要是結(jié)構(gòu)局部共振引起，一般在不改變激勵(lì)源轉(zhuǎn)速的前提下，建議對(duì)局部位置進(jìn)行加強(qiáng)，在前期設(shè)計(jì)階段，假設(shè)激勵(lì)源選型和轉(zhuǎn)速已確定，建議先按照理論計(jì)算激勵(lì)源激勵(lì)頻率，一般需要計(jì)算到20倍頻，然后基于CAE仿真計(jì)算結(jié)構(gòu)在20倍頻內(nèi)的所有模態(tài)，若在某一頻率處激勵(lì)頻率與固有頻率接近，建議對(duì)此區(qū)域進(jìn)行剛度加強(qiáng)。

小結(jié)

本文結(jié)合實(shí)際工程案例簡(jiǎn)述了調(diào)制音分析流程、產(chǎn)生的原因和優(yōu)化建議，就目前碰到的案例，大部分是由于結(jié)構(gòu)局部區(qū)域與激勵(lì)頻率發(fā)生共振引起調(diào)制音被放大，導(dǎo)致人耳更容易感知，后期可以往此方向進(jìn)行調(diào)制音分析與規(guī)避。

關(guān)于廣電計(jì)量

廣電計(jì)量搭建了一站式NVH技術(shù)研究平臺(tái)，為各行業(yè)客戶(hù)提供標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)的NVH測(cè)試、評(píng)價(jià)與分析服務(wù)；針對(duì)N（噪音超標(biāo)，異響問(wèn)題等）、V（振動(dòng)過(guò)大或者振動(dòng)斷裂問(wèn)題等）和H（聲音不好聽(tīng)等聲品質(zhì)問(wèn)題），提供專(zhuān)業(yè)的技術(shù)分析及解決方案；針對(duì)行業(yè)內(nèi)存在的NVH共性問(wèn)題，為客戶(hù)提供專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課題研究，如聲品質(zhì)主客觀統(tǒng)一評(píng)價(jià)研究、高里程N(yùn)VH性能研究等；為客戶(hù)定制開(kāi)發(fā)NVH檢測(cè)及分析設(shè)備，基于振動(dòng)與聲學(xué)信號(hào)的故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)等。作為國(guó)內(nèi)第三方NVH技術(shù)的服務(wù)先行者，目前，廣電計(jì)量已為汽車(chē)、船舶、軌道交通、航空、電力等國(guó)家戰(zhàn)略性高端行業(yè)提供綜合的NVH技術(shù)服務(wù)，協(xié)助客戶(hù)提升產(chǎn)品NVH品質(zhì)。