项目编号：? 1728?

面向中国用户典型路面的整车声学虚拟开发和主动控制技术

Vehicle acoustic virtual development and active control technology for typical roads of Chinese users

 

项目研制单位：同济大学? 上汽大众汽车有限公司

主要研制人员：张立军 ?曹诚 ?张帅 ?皮雄飞 ?冯鹏醒 ?张超 ?高赟海 ?束元

赵野 ?张孟浩

 

主题词：道路噪声主动控制 ?虚拟样机开发 ?声固耦合模型 ?参考信号选取

一、研究内容介绍

研究目的与意义：

本项目将主动噪声控制技术引入道路噪声控制领域，充分发挥了主动噪声控制低频降噪效果好，成本低的特点，是未来汽车NVH控制的发展趋势，具有很强的前沿性，使得企业在相关技术领域走在行业前列。同时，本项目为企业实现了面向中国用户典型路面整车声学虚拟开发能力的建设，积累了相关开发经验，可以帮助企业缩短产品开发周期、节省设计成本。

关键技术：

实现路面-底盘-车身-车舱声学环境多个部件的联合仿真，从而建立悬架振动-车身振动-声固耦合声场的联合预测方法。

通过试验的方法，基于主成分分析和多重相干技术，对道路噪声主动控制系统的参考信号的布置位置和数量进行选取。

利用车内自带的扬声器，建立道路噪声的主动控制系统，并运用自适应滤波算法，实现对宽频噪声的控制。

技术路线和方法：

项目的研究方案是：首先进行中国用户典型路面的道路噪声采集和半消声室转鼓试验，对噪声特性进行分析。利用试验数据，从道路噪声预测虚拟样机与道路噪声主动控制两个层面着手，对车辆道路噪声进行优化。道路噪声虚拟样机方面，利用道路谱模型、声固耦合有限元仿真等手段建立虚拟样机，实现对道路噪声的仿真预测。利用灵敏度分析与板件贡献分析的方法分别对车内道路噪声进行影响因素分析；噪声主动控制方面，建立基于自适应滤波的噪声主动控制仿真模型，使用遗传算法对系统参数进行优化，基于主成分分析和重相干理论，对参考信号的数量和位置进行选取。最后，利用dSPACE建立道路噪声主动控制原型车，在典型路面及典型工况下进行道路试验，验证系统的可行性。

图1 技术路线

成果技术水平：

1、中国典型路面道路噪声与转鼓试验

1）搭建了道路噪声的试验测量系统，在小方砖路面、粗沥青路面等进行了噪声采集试验，测量了车内乘员位置的声压级信号，编制了中国用户典型路面的道路谱特性分析报告。结果显示，车内道路噪声主要由轰鸣声（75-100Hz和120-140Hz）和轮胎空腔共鸣声（210-240Hz）组成。轰鸣声主要由路面引起的悬架振动以及车身板件与车内声腔的相互耦合造成。轮胎空腔共鸣噪声主要是轮胎空腔共振经悬架传递到车身引起。因此，在参考信号选取和噪声主动控制中，应着重关心75-140Hz和210-240Hz频带内的噪声。

图2 道路噪声特性

2）在消声室转鼓上进行了道路噪声再现试验，结果显示，消声室试验和道路试验具有一致性，说明转鼓试验可以再现整车道路试验下的车内噪声。消声室转鼓具有路面一致、干扰较少、缺少风噪和发动机噪声等优势，可以用转鼓试验评价车辆的车内噪声。

2、道路噪声预测样机开发与优化

1）建立了整车有限元模型、整车声腔有限元模型和整车声固耦合有限元模型；

图3 整车声固耦合有限元模型

2）使用随机响应理论，在小方砖路面80km/h滑行至20km/h的工况下，计算了车内驾驶员和乘员耳旁的声压响应以及悬架位置的振动响应。通过不同工况下的试验结果对比，所建立的有限元模型有效。

图4 仿真与实验结果对比

3）基于整车声固耦合有限元模型进行了道路噪声的激励源影响分析以及板件贡献量分析。前排乘员耳旁声压板件贡献度主要与前门、前围板有关，后排乘员耳旁声压板件贡献度主要与后排地板有关。

3、主动噪声控制系统建模与仿真

1）基于主成分分析和多重相干理论，提出了一套道路噪声主动控制系统参考信号的选取方法。首先通过常相干分析在36个初始加速度信号中选择了18个最相干的信号，使用主成分分析的方法确定了参考信号的数量为6个。然后以多相干函数为优化目标，从18个参考信号中选择了多相干函数最大的6个信号作为参考信号组合。在关心频带内，重相干函数均达到了9以上。

图5 参考信号的选取方法

2）推导了多通道道路噪声主动控制系统的算法，基于此算法搭建了单通道和多通道道路噪声主动控制系统的仿真模型，使用实验测得的数据进行了离线仿真，取得了较好的降噪效果，验证了算法的正确性。

3）使用sobol法对系统的参数进行了灵敏度分析，结果发现对最大降噪量的影响程度从大到小依次为：收敛系数、滤波器阶次和信号增益。使用正交表及综合平衡法确定了三个参数的优水平和优化区间。使用多目标遗传算法对系统的收敛系数、滤波器阶次、信号增益进行了优化。优化后的最大降噪量比优化前取得了明显的提升。

图6? 遗传算法参数优化前后降噪量对比

4、主动噪声控制系统硬件在环试验

1）对道路噪声主动控制系统的硬件进行了匹配，基于这些硬件信息，搭建了道路噪声主动控制系统原型车，并对该系统进行了试验分析，表明系统的实时性、输出准确性、计算可靠性都较好。

2）使用6个加速度信号、2个声压信号、原车扬声器、功率放大器、dSPACE以及信号调理仪等设备，搭建了基于dSPACE的道路噪声主动控制系统硬件在环实验平台。

3）进行了道路噪声主动控制系统的台架激励试验，在单频、扫频和白噪声的激励下均取得了良好的降噪效果，最大降噪量可达30dBA。进行了道路试验，在小方砖路面、粗沥青路面、平滑沥青路面等路面上进行了道路噪声控制与采集，均取得了较好的降噪效果，最大降噪量可达9dBA。

图7? 粗沥青路面60km/h的降噪效果

二、技术创新点

1、建立了车身声固耦合有限元模型，基于此声固耦合模型，使用随机响应分析理论，实现了对道路不平度引起车内噪声的仿真预测。基于此方法，对车内道路噪声的影响因素及板件贡献量进行了分析。

2、推导了多通道道路噪声主动控制算法，建立了单通道、多通道道路噪声主动控制系统仿真模型，使用实验测得的数据，均取得了良好的降噪效果。基于此仿真模型，使用多目标遗传算法，对模型的参数进行了优化设计。

3、提出了一套道路噪声主动控制系统参考信号的选取方法，使用主成分分析和多重相干分析的方法，对道路噪声主动控制系统的参考信号布放位置和数量进行了选取，在关心频带的相干度均可达到9以上。

4、搭建了道路噪声主动控制系统样车，进行了台架试验（单频激励、扫频激励、白噪声激励）和道路试验（小方砖路面、粗沥青路面），台架试验的降噪量最大可达30dBA，道路试验的最大降噪量可达9dBA。

三、专利/论文/获奖情况

1、论文：

• 张立军,皮雄飞,曹诚,束元,赵野,张梦浩,孟德建.基于自适应滤波的车内道路噪声主动控制系统[J],《振动测试与诊断》,已录用
• Cao C , Meng D , Zhao Y , et al. Prediction and Optimization of Full-Vehicle Road Noise Based on Random Response Analysis[J]. Journal of Physics Conference Series, 2021, 1828(1):012166.（EI收录号：20211310154654）

2、发明专利：

• 发明专利（已申请）：

专利名称：一种道路噪声主动控制系统次级通路建模准确性的在线验证方法

发明人：张立军? 皮雄飞? 孟德建? 曹诚? 束元? 赵野? 张孟浩

专利权人：同济大学、上汽大众汽车有限公司

四、成果应用及经济效益预测预测

成果应用：

随着新能源汽车的发展，汽车的动力学噪声越来越轻，汽车的道路噪声将成为主要的低频噪声源，本项技术大大改善了汽车的道路噪声。通过两年多的研究，搭建了两台样品车，在不同路面不同车速下均实现了良好的降噪效果。

经济效益：

本项目虚拟样机设计，提升了上汽大众的自主研发能力，提升产品设计的效率，减小产品设计周期，并且降低产品下线后用户抱怨的概率，提升产品的质量。该技术为企业节约大量研发成本。

长期以来，车内噪声主动控制系统一直受到国外企业的垄断，导致系统价格居高不下。本项目噪声主动控制的研究，打破了这一领域的垄断，使得企业采用这一技术的成本大大降低，具有很强的经济效益。