康 強，顧鵬云，李 潔，左曙光

（1.浙江汽車工程學院，杭州 310000； 2.浙江吉利汽車研究院有限公司，寧波 315000；3.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201800）

前言

隨著電池技術和智能網(wǎng)聯(lián)技術的發(fā)展，目前電動汽車已成為發(fā)展趨勢。與內(nèi)燃機相比，電驅(qū)動總成的噪聲和振動的幅值很小，但仍然存在一些問題需要考慮。內(nèi)燃機噪聲主要是低頻發(fā)火階次的機械和燃燒噪聲。汽車制造商對其內(nèi)燃機聲品質(zhì)已做了幾十年的研究。而電驅(qū)動總成噪聲則主要由電磁力和齒輪嚙合產(chǎn)生的高頻嘯叫階次噪聲，以及DC／AC脈寬調(diào)制產(chǎn)生的高頻傘狀噪聲［1］構(gòu)成。目前在電動汽車整車開發(fā)中仍然是用通常用的指標聲壓級來評價其噪聲，而對其聲品質(zhì)的研究不多。然而聲壓級并不能完全反映人對單調(diào)噪聲的主觀感受。由于沒有內(nèi)燃機工作噪聲的掩蔽，這些高頻單調(diào)噪聲在許多工況下會很顯著。同時純電動汽車行駛時仍然有路噪、胎噪和風噪等，因此既要考慮單調(diào)噪聲的聲壓級，也應關注其它噪聲的掩蔽效應和反映乘員的主觀感受。Zwicker等研究指出，為掩蓋一個單調(diào)音，掩蔽音頻率每倍頻程須增大10 dB。也即頻率越高，所需的掩蔽音幅值越大［2］。文獻［3］中研究了聲品質(zhì)參數(shù)PR（prominence ratio）和驅(qū)動電機單調(diào)音的閾值之間的關系，并得出不擾人的聲音為：800 Hz以上時PR小于3 dB，800 Hz以下時PR小于5 dB［3］。同時文獻［4］中建議對于單調(diào)噪聲可使用TNR（tone-to-noise ratio）和PR評價，但對于具有多個相近階次的噪聲，更加適合［4］。本文中對市場上一些不同品牌的純電動車的車內(nèi)階次進行了評價和分析，目的是分析主要階次噪聲的特征、最大聲壓級、頻率和TNR與主觀感受的關系，為電驅(qū)動總成噪聲的目標設定提供參考。

1 嘯叫聲的評價指標TNR

TNR是用于分析單調(diào)噪聲的一個心理聲學指標。它的定義為單調(diào)音的能量與單調(diào)音所處的臨界頻帶的其它噪聲能量的比值，其中后者是將臨界頻帶的能量減去單調(diào)噪聲的能量得到。在信息技術和通信設備行業(yè)的機電產(chǎn)品噪聲評價時，由于主要是單調(diào)噪聲，常采用TNR指標，其定義為

根據(jù)ECMA—74標準［5］：如果兩個音調(diào)很接近，那么將其中較弱者的能量加到較強者之上；如果兩個音調(diào)有顯著的距離，則將它們視為獨立的音調(diào)。這個標準也提供了評價一個單調(diào)噪聲是否顯著的判斷標準：對于頻率高于1 000 Hz，TNR限值為8 dB；對于頻率低于1 000 Hz，TNR限值為8 dB＋8.33·log10（1000／ftone）dB；超過上述限值的單調(diào)音為顯著的，如圖1所示。

圖1 TNR的評價限值標準

2 測試說明

選取了7臺近年來較暢銷的純電動車型，如表1所示。這7臺車分別來自中國、日本、美國和德國，可認為這些電動車具有典型的全球代表性。表中列出了其電驅(qū)動總成的主要性能參數(shù)，包括電機和減速器的主要階次。從表中可以看出，除Tesla采用感應電機外，其它車型都采用內(nèi)置式永磁同步電機。其電機主要階次分別為48，60和72階，等于電機的定子槽數(shù)。減速器輸入齒輪階次處于19～31階之間，減速器輸出齒輪階次處于7～10階之間。

由于全負荷工況（WOT）時動力總成噪聲最大，故均測試WOT工況下車內(nèi)駕駛員耳旁噪聲（由于Tesla加速太快，以部分負荷工況進行測試，使0～100 km加速時間控制在8 s左右）。試驗在光滑平直瀝青路面上進行，從靜止全負荷加速到120 km／h，跟蹤電機轉(zhuǎn)速并記錄噪聲數(shù)據(jù)。試驗采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)后處理采用5 Hz頻率分辨率。在實車評價時，專業(yè)評價人員采用整車主觀評價的10分制進行評價。另外，采用聲音回放與濾波，對主要階次噪聲進行主觀評分。

3 測試結(jié)果分析

3.1 聲壓級與TNR云圖分析

圖2～圖4示出其中3臺車的車內(nèi)聲壓級和TNR云圖。

表1 測試的純電動汽車參數(shù)描述

圖2 BMW I3 WOT工況下的車內(nèi)駕駛員耳旁聲壓級（左圖）和TNR（右圖）

圖3 Nissan LEAF WOT工況下的車內(nèi)駕駛員耳旁聲壓級（左圖）和TNR（右圖）

從聲壓級云圖可以看出，電動車車內(nèi)主要表現(xiàn)為電驅(qū)動總成的高頻階次噪聲。胎噪、路噪、風噪等噪聲隨車速增大其幅值和頻率寬度也增大。車速達到100～120 km／h時，這些寬頻主要頻率最高約達4 000～5 000 Hz。

圖4 Chevrolet BOLT WOT工況下的車內(nèi)駕駛員耳旁聲壓級（左圖）和TNR（右圖）

從TNR云圖可以看出，由于每臺車電驅(qū)噪聲與背景噪聲的不同，導致TNR的表現(xiàn)不同。I3的電機階次72階TNR非常顯著，而LEAF和BOLT的電機階次不顯著。這與主觀感受一致。但I3的電機階次聲壓級卻是三者中最小的，如圖5所示。因此，不能單從聲壓級的大小來衡量人對高頻嘯叫聲的主觀感受，并用一個固定的聲壓級數(shù)值來設定指標。比較圖2～圖4，I3噪聲的72階所處的背景噪聲最小，但TNR卻最大。

圖5 3款車的車內(nèi)電機階次對比

3.2 TNR與主觀評分對比

考慮整個加速工況中聲音最顯著的時刻，將所有車型各階次最大的TNR列出，如圖6所示。由于TNR越大，表示單調(diào)噪聲越顯著；而主觀評價分值越小，表示噪聲越顯著。因此，將10-主觀評價分與TNR進行對比。從圖中可以看出，各個階次的TNR的趨勢與主觀評分的趨勢基本一致。因此，可使用TNR指標來評價電動車高頻嘯叫噪聲。

3.3 最大的TNR和聲壓級及頻率分布

TNR的限值與頻率相關。為確定電動車嘯叫噪聲TNR指標的一般要求，將所有車型最大的TNR與對應的頻率和最大的聲壓級與對應的頻率列出，如圖7～圖9所示。

圖6 各車型主要階次TNR與主觀評分對比

從圖7左圖看出：電機階次TNR最大值頻率位于2-8 kHz之間，幅值大小為0～5 dB。其中BOLT和DENZA幅值最小，為0；其次是Geely，LEAF和Model X，分別為2和3 dB；最大的是QIN和I3，幅值為5 dB。從圖7右圖看出，聲壓級所反映的規(guī)律與TNR完全不同：LEAF和Model X的聲壓級是最大的，超過30 dB（A）。因此，目標設定時不能簡單地要求電機階次噪聲小于30 dB（A）。應該首先設定TNR的目標，再計算背景噪聲下對應的聲壓級。

從圖8左圖看出：減速器輸入齒輪階次TNR最大值頻率位于0.700-1.8 kHz之間，幅值大小為0～7 dB；其中BOLT和LEAF最小，分別為0和1 dB；其次是Model X，Geely和DENZA，分別為2和3 dB；最大的是I3和QIN，分別為5和7 dB。

從圖9左圖看出：減速器輸出齒輪階次TNR最大值頻率位于500-700 Hz之間，幅值大小為0～9 dB；其中LEAF和Geely最小，分別為0和2 dB；其次是Model X，I3和DENZA，分別為4，6和7 dB；最大的是QIN和BOLT，分別為8和9 dB。

圖7 各車型電機階次最大的TNR（左圖）和聲壓級（右圖）對比

圖8 各車型減速器輸入齒輪階次最大的TNR（左圖）和聲壓級（右圖）對比

圖9 各車型減速器輸出齒輪階次最大的TNR（左圖）和聲壓級（右圖）對比

圖8和圖9右圖聲壓級規(guī)律與左圖的TNR完全不同?？梢钥闯觯簻p速器齒輪噪聲聲壓級幅值較分散：輸入齒輪階次在42～49 dB（A）之間均有分布；輸出齒輪階次則分布在50～60 dB（A）之間。在設定齒輪階次目標時也不能簡單要求齒輪階次噪聲小于某一數(shù)值。

4 電動車電驅(qū)動嘯叫聲目標設定方法

根據(jù)上述分析，可歸納出電動車車內(nèi)嘯叫聲的一般評價標準，如圖10所示。電驅(qū)動總成的主要階次可按照它們所處的頻率范圍設定相應的TNR目標。如要達到完全無嘯叫，則要求TNR≤1 dB（f＞1 kHz）和TNR≤2 dB（f＜1 kHz）。

圖10 電動車嘯叫噪聲TNR一般評價標準

確定各嘯叫階次的TNR目標后，再參考原型車或樣車估計車輛的路噪、胎噪和風噪頻譜，即可確定各嘯叫階次的聲壓級目標。最后可根據(jù)空氣聲傳播函數(shù)和結(jié)構(gòu)聲傳播函數(shù)確定電驅(qū)動總成的單體NVH目標。其設計思路如圖11所示。

圖11 電驅(qū)動總成NVH目標設定方法

根據(jù)以上的分析，建議減速器輸入和輸出軸主動齒輪齒數(shù)盡可能選小一些，以便齒輪嘯叫聲頻率靠近路噪、胎噪和風噪頻率，從而能被有效遮蔽。

5 結(jié)論

本文中選取了7款市場上流行的純電動汽車，針對車內(nèi)電驅(qū)動嘯叫進行了測試評價和分析。對全負荷工況下的車內(nèi)聲壓級、TNR和主觀評分進行了對比，結(jié)果表明TNR與主觀感受是一致的，而聲壓級的大小并不能直接用來評價嘯叫的顯著度。根據(jù)電驅(qū)動總成3個主要階次的TNR分布，得出對應于電動汽車嘯叫顯著度的TNR數(shù)值范圍。最后總結(jié)了電驅(qū)動總成的NVH目標設定方法和建議。