費 翔，蔣偉康，朱志勇，楊文華

（1.上海交通大學(xué)振動、沖擊、噪聲研究所，上海 200240；2.亞普汽車部件股份有限公司，揚州 225000）

燃油箱油液晃動聲的測量技術(shù)研究

費 翔1，蔣偉康1，朱志勇2，楊文華2

（1.上海交通大學(xué)振動、沖擊、噪聲研究所，上海 200240；2.亞普汽車部件股份有限公司，揚州 225000）

為了排除汽車燃油箱臺架實驗中臺架本身振動信號對油箱晃動噪聲的影響，設(shè)計了臺架測試實驗并提出一種信號處理的方法，通過建立多輸入、單輸出系統(tǒng)模型，進行偏奇異值分析辨識獨立聲源和典型振動測點，并對振動和噪聲信號進行相干分析計算，從噪聲信號中分離出油箱燃油晃動噪聲時域信號。提出了得到聲壓級修正曲線的方法，能快速實現(xiàn)燃油箱臺架實驗噪聲評價結(jié)果的修正。該信號處理方法能夠有效剔除臺架實驗中其他環(huán)境噪聲的干擾，得到僅由燃油晃動引起的噪聲信號。

燃油晃動噪聲；偏奇異值分解；相干分析

隨著轎車整體噪聲水平的降低和旅客對乘坐舒適性要求的提高，對降低轎車車內(nèi)噪聲的要求也更為迫切。車輛在急剎工況下，燃油在油箱中晃動引起箱壁振動產(chǎn)生的噪聲傳遞至乘客艙內(nèi)，嚴重影響乘坐舒適性。而汽車油箱燃油晃動噪聲的評價對于產(chǎn)品前期設(shè)計開發(fā)和提高競爭力具有重要意義。國內(nèi)外對于燃油晃動噪聲研究主要集中于CAE分析，一般通過流體動力學(xué)參數(shù)對噪聲進行間接判斷［1－2］，而臺架實驗則能夠在研發(fā)初期對燃油箱噪聲性能做出相對準確的預(yù)測，作為零部件級別的測試，其具有重復(fù)性高、試驗相對簡單易行的特點，能夠簡化整車燃油晃動噪聲性能的開發(fā)難度［3－4］。

測試時臺架本身的振動對燃油箱噪聲評測有較大的影響，影響噪聲評價結(jié)果的準確性。國內(nèi)外對這方面的研究很少，本文利用偏奇異值分解辨識獨立聲源和典型振動信號［5］，在噪聲源識別研究中具有廣泛運用的偏相干分析修正噪聲頻譜［6－7］，通過信號處理計算得到排除臺架振動干擾的燃油晃動噪聲A聲級時域信號，成功分離出油箱燃油晃動噪聲。

1 工程問題的提出

1.1 臺架測試系統(tǒng)

在進行油箱臺架試驗時，需要模擬車輛急剎產(chǎn)生燃油晃動噪聲的工況，需找到一種給油箱加速和減速的方法，理想狀況下，臺架本身在測試過程中不產(chǎn)生噪聲。圖1表述了一種油箱噪聲測試臺架，臺架由滑軌、滑臺和基座組成。油箱由尼龍綁帶固定在滑臺上與之一起運動，用滑軌傾斜角度控制油箱運動最大速度，兩根金屬剎桿和滑臺底部剎車皮控制剎車，實驗在半消聲室中進行。

圖1 燃油箱噪聲測試臺架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of fuel tank noise test stand

1.2 工程難點

臺架本身是鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，滑臺與臺架基座由金屬滾輪、導(dǎo)軌相連，測試過程中臺架本身會產(chǎn)生較大振動，發(fā)出噪聲，導(dǎo)致測得的噪聲信號中既有燃油晃動噪聲也有臺架本身的振動噪聲信號，影響燃油晃動噪聲評價結(jié)果的準確性。臺架振動有兩個來源：一方面油箱隨滑臺加速下滑到達制動點繼而減速為零的過程中，導(dǎo)軌滑輪滾動摩擦產(chǎn)生振動傳遞至臺架本身，油箱減速為零，該振動在采集系統(tǒng)開始采集晃動噪聲信號時仍未足夠衰減；另一方面，油箱減速為零后油液晃動拍打油箱導(dǎo)致壁面振動，該振動通過滑臺與臺架基座間的剛性接觸傳遞至臺架本身，產(chǎn)生振動。所以需要一種方法，能夠排除臺架本身振動對噪聲評價結(jié)果的影響，獨立出燃油晃動噪聲，使得臺架試驗結(jié)果更加準確可靠。

2 分析方法

針對該工程問題，本文提出基于信號處理的降噪技術(shù)方法，降低臺架試驗中除油箱燃油晃動聲以外其他聲源發(fā)出的噪聲，單獨分離出油液晃動噪聲。先將測試系統(tǒng)簡化為多輸入單輸出系統(tǒng)，如圖2所示，圖中｛Xi｝（i＝1，2，…，n）為油箱和臺架振動輸入信號xi（t）的傅氏變換，Y是輸出噪聲信號，輸入信號之間可相干也可不相干。

在該模型的基礎(chǔ)上利用奇異值分析辨識獨立聲源，對多個噪聲源輸出通道進行奇異值分解，奇異值的大小作為信號能量的量度，信號能量高則認為其具有較大的獨立成分。利用相同的方法確定油箱上和臺架上的典型振動輸入信號。

對輸入信號和輸出信號進行相干性分析［8］。相干分析是在總噪聲的頻譜下分析出峰值的頻率與各振動源特征頻率之間的關(guān)系，確定振動源對總噪聲級的影響。相干分析所用的主要依據(jù)是相干函數(shù)，用以判別輸入輸出信號的內(nèi)在關(guān)系，辨識信號之間的相關(guān)程度。在本文的分析中涉及重相干分析和偏相干分析。

重相干函數(shù)定義為：

圖2 多輸入/單輸出模型Fig.2 Multi-input/single-outputmodel

其中：Hi（f）為頻響函數(shù)，Syi（f）是輸入輸出信號的互功率譜，Syy（f）為輸出信號的自功率譜。根據(jù)重相干系數(shù)是否大于0.8判斷輸入信號是否已經(jīng)足夠表征系統(tǒng)的輸入狀況［8］，認為臺架和油箱上分別具有一個典型振動信號，所以振動信號的數(shù)量必須大于兩個。

偏相干函數(shù)定義為：

其中：S2Y·1（f）是排除了x1（t）影響的x2（t）與輸出y（t）的互功率譜，S22·1（f）和SYY·1（f）是排除了x1（t）影響的信號自功率譜。偏相干系數(shù)表征各個振動源對總噪聲級輸出的貢獻量大小，通過計算臺架振動信號與噪聲信號的偏相干系數(shù)并利用式（3）對測量得到的噪聲信號頻譜SYY（f）進行修正，得到排除臺架噪聲干擾的燃油晃動噪聲頻譜S′YY（f）。

3 臺架試驗

設(shè)計臺架試驗，在臺架上距離油箱表面50 cm處的位置布置4個傳聲器，如圖3所示。在主要振動方向布置振動傳感器，油箱表面法向為主要振動方向，臺架主要振動方向為滑臺行進方向，傳感器位置如圖4和圖5所示，共計10個加速度傳感器，滿足振動信號輸入遠大于兩個的要求。試驗時測量燃油量為油箱額定容積（54 L）的25%，50%，80%，100%，加速度－1.4 m/s2，－2.7 m/s2共計八種工況。為簡化分析，本文以燃油充滿度25%，加速度－2.7 m/s2工況為例進行分析。

噪聲信號奇異值分解的結(jié)果如圖6所示。奇異值分解結(jié)果只關(guān)注最上方曲線代表的信號。臺架噪聲主要集中在低頻500 Hz以下，兩個信號能量差別達10倍以上則可認為能量較高的信號獨立性高，Mic1傳聲器采集的噪聲信號能量較高，并在低頻段獨立性好，以該噪聲信號為輸出信號，與所有振動信號作重相干分析，如圖7所示，觀察重相干系數(shù)基本都大于0.8，則可以判斷所有振動信號的輸入已經(jīng)能夠代表系統(tǒng)的輸入特性。對臺架振動信號和油箱振動信號分別做奇異值分解，如圖8和圖9，其中Acc2和Acc9傳感器采集的振動信號能量最高，在低頻段獨立性高，作為偏相干分析的典型振動信號。

圖3 傳聲器布置示意圖Fig.3 Diagram of arranged microphones

圖4 臺架振動傳感器布置示意圖Fig.4 Diagram of arranged accelerometers on stand

圖5 油箱振動傳感器布置示意圖Fig.5 Diagram of arranged accelerometers on tank

圖6 噪聲信號偏奇異值分解Fig.6 Singularvalue of noise signals

圖7 重相干分析Fig.7Multi-coherence analysis

圖8 臺架振動信號偏奇異值分解Fig.8 Singularvalue of standvibration signals

圖9 油箱振動信號偏奇異值分解Fig.9 Singularvalueof tank vibration signals

圖10 Mic1修正前后A聲級頻譜Fig.10 Original and revised spectrum ofMic1

圖11 Mic2修正前后A聲級頻譜Fig.11 Original and revised spectrum of Mic2

圖12 Mic3修正前后A聲級頻譜Fig.12 Original and revised spectrum of Mic3

對臺架典型振動信號與所有噪聲信號作偏相干分析得到偏相干系數(shù)，利用式（3）對所有噪聲信號頻譜修正并計算修正前后的總A聲級，如圖10～圖13所示。觀察修正前后的A聲級頻譜可以發(fā)現(xiàn)，臺架振動對噪聲的影響主要集中在低頻500 Hz以下，也驗證了奇異值分結(jié)果的準確性。

偏相干分析是基于頻域的方法，而工程上需要得到噪聲的A聲級時域信號。根據(jù)聲級計快檔0.125 s為單位樣本，由于0.125 s的樣本長度頻率分辨率太低，以某時段為中心，前后各延拓0.125 s，以0.375 s樣本長度，樣本重疊率66.7%，然后按同樣方法計算下個0.125 s的聲級。將樣本長度的數(shù)據(jù)在頻域內(nèi)計算返回修正后的總A聲級，以此類推得到修正后的總A聲級時域信號，對四個噪聲信號取包絡(luò)線，得到A聲級時域信號如圖14，排除了臺架振動噪聲干擾，成功分離出燃油晃動噪聲信號。曲線趨勢上并沒有改變，在原曲線的基礎(chǔ)上，下移一定的dB數(shù)，利用式（4）計算臺架本身的振動噪聲信號，如圖15所示，臺架振動噪聲在油箱減速為零后1 s內(nèi)能量較高，隨后很快衰減，在后2 s內(nèi)臺架振動信號波動主要是由燃油晃動引起。其中：SPL1為修正前的噪聲信號，包括臺架振動噪聲信號和燃油晃動噪聲，SPL2為修正后的噪聲信號僅為燃油晃動噪聲信號，SPL3為臺架噪聲信號。

由于油箱臺架試驗臺是較復(fù)雜的工程對象，缺乏直接驗證臺架振動噪聲源信號分離誤差的手段，但是本文采用的偏相干分析方法分離復(fù)雜聲源的方法和精度已經(jīng)過驗證［9－10］，因此直接采用該方法分離得到的臺架振動噪聲信號的結(jié)果是可信且能夠滿足工程要求的。

圖13 Mic4修正前后A聲級頻譜Fig.13 Original and revised spectrum ofMic4

圖14 修正前后A聲級時域信號Fig.14 Original and revised time-domain SPL（A）

圖15 臺架噪聲A聲級時域信號Fig.15 Time-domain SPL（A）of stand

圖16 聲壓級修正曲線Fig.16 Correction curve of SPL（A）

4 聲壓級修正量曲線

針對不同油箱不同工況臺架測試的復(fù)雜性，提出聲壓級修正量對噪聲時域信號進行快速修正。

油箱和滑臺下滑至最大速度時具有一個最大動量值（mv，單位為kg·m/s），而油箱和滑臺減速為0時的動量為0，這個階段油箱和滑臺的動量變化量是由臺架對油箱滑臺的沖量造成的，而臺架對油箱的激勵與油箱對臺架的激勵，沖量的大小相等，方向相反。最大動量在數(shù)值上等于滑臺對測試系統(tǒng)整體產(chǎn)生的沖量。

該物理量既能反應(yīng)油箱內(nèi)部燃油容積，也通過反應(yīng)最大速度間接表征了滑軌傾斜角度，其中滑軌傾斜角度大導(dǎo)致油箱速度和加速度都大，反之則小。計算不同工況下油箱滑臺具有的最大動量和聲壓級修正量的平均值，獲得散點圖，如圖16所示，通過最小二乘法在對散點圖進行最小二乘法進行擬合時發(fā)現(xiàn)得到的曲線近似于一次曲線，故采用線性回歸算法擬合直線y＝ax＋b，式中x為滑臺和油箱實驗過程中的最大動量，y為聲壓修正量，并利用復(fù)相關(guān)系數(shù)R來判定擬合結(jié)果是否滿足一次曲線的假設(shè)。

線性回歸計算得到式（5），復(fù)相關(guān)指數(shù)R＝0.82，復(fù)相關(guān)指數(shù)大于0.8則認為線性回歸模型中的自變量（最大動量）和因變量（聲壓級修正值）可用線性關(guān)系式來近似表達兩者之間的關(guān)系。通過式（5）能夠?qū)崿F(xiàn)對噪聲評價結(jié)果快速修正，最大誤差為±0.4 dB。

5 結(jié) 論

通過油箱臺架實驗對噪聲和振動信號進行偏奇異值分解和相干性分析，本文提出了一種信號處理的方法并成功分離出油箱燃油晃動噪聲和臺架振動噪聲信號，排除了臺架振動噪聲對噪聲評測結(jié)果的影響。

本文以各工況下滑臺和油箱具有的最大動量作為表征該工況下系統(tǒng)所受激勵的物理量，提出了得到聲壓級修正曲線的方法，對臺架實驗噪聲評價結(jié)果的修正提供參考。研究表明，隨著滑臺和油箱最大動量的增加，聲壓級修正量也增加，可以使用線性關(guān)系來近似表達兩者之間的關(guān)系。

［1］Frank E，Moon C，Rae J，et al.Optimization of test parameters and analysismethods for fuel tank slosh noise［J］.SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems6，2013，6（2）：1306－1312.

［2］Koli G C，Kulkarni V V.Simulation of fluid sloshing in a tank［J］.WCE 2010-World Congress on Engineering，2010（2）：1028－1033.

［3］董彧.汽車燃油箱降噪的穩(wěn)健設(shè)計優(yōu)化［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

［4］Masashi K，Junichi H，Wataru fukasawa and takaomi makino.establishment of a method for predicting and confirming fuel tank slosh noise［J］.SAE Technical Paper Series，2007，01－1538.

［5］蔣偉康，陳治光.偏奇異值分析在非自由聲場聲源解析中的應(yīng)用［J］.振動工程學(xué)報，2000，13（4）：644－649.

JIANG Wei-kang，CHEN Zhi-guang，Partial singular value decomposition with its application in studying noise sources within an acoustic enclosure［J］.Journal of Vibration Engineering，2000，13（4）：644－649.

［6］趙海瀾，汪鴻振.偏相干分析識別噪聲源的計算［EB/OL］.http：//www.cnki.net，2005.

［7］宋晶.利用偏相干函數(shù)法識別汽車噪聲源的研究［D］.成都：西華大學(xué)，2005.

［8］方同.工程隨機振動［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995.

［9］萬泉，蔣偉康.用于循環(huán)平穩(wěn)信號分析的偏相干方法［J］.機械工程學(xué)報，2005，41（7）：174－179.

WAN Quan，JIANG Wei-kang.Partial-coherence method applied in cyclostationary signal analysis［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2005，41（7）：174－179.

［10］余桐奎.基于多輸入/輸出模型的噪聲源分離方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

A signal processingmethod for car fuel tank sloshing noise

FEIXiang1，JIANGWei-kang1，ZHU Zhi-yong2，YANGWen-hua2
（1.State Key Laboratory of Vibration，Shock and Noise，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China；
2.YAPPAutomotive Parts Co.，Ltd.，Yangzhou 225000，China）

To exclude the effect of bench vibration signals on a car fuel tank sloshing noise in its benth vibration test，a signal processingmethod was proposed.By using a multi-input/single-output system method，independent sound sources and typical vibration measuring points were identified with the singular value decomposition（SVD）.The coherences of typical vibration and noise signalswere calculated by using the coherence analysismethod.The car fuel tank sloshing noise was separated from combined signals of environment noises.To quickly correct the results of the fuel tank sloshing noise bench test evaluation，a method was proposed to get the sound pressure level correction curve.This signal processingmethod could be used to effectively eliminate the interference from other environment noises in the bench vibration test.

fuel tank sloshing noise；singular value decomposition（SVD）；coherence analysis

TB53

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.031

2013－08－29 修改稿收到日期：2013－12－12

費翔男，碩士，1988年8月生

蔣偉康男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1961年8月生