NVH技术干货 | 汽车零部件调制音问题分析研究

引言

        在实际工程中，越来越多的汽车零部件（带小电机、螺杆等）会出现调制现象，如波浪音、沙沙音、哒哒声等，会给人不悦的感觉，本文结合实际工程案例，讨论零部件出现调制音问题的主要原因和分析方法，并从后期整改端和前期设计端给予一定的经验分享。

调制音问题分析 

        一般NVH问题可以简化为“源-路径-接受者"模型，针对调制音问题分析，我们采用逆向思维“接受者-源-路径"。首先针对“接受者"即实际产品的调制问题进行测试分析，研究调制音产生的频带以及导致调制现象产生的调制频率。

调制频带分析

        工程上我们通常喜欢采用基于短时傅里叶变换的时频分析进行声学问题研究，短时傅里叶变换（STFT）基于傅里叶变换，将信号分为多个短时窗口，然后对每个窗口内的信号进行傅里叶变换。通过在不同时间位置上应用傅里叶变换，可以得到信号在时间和频率上的局部特征。其频谱是通过滑动时窗来计算的，故而时频分辨率会受到 Heisenberg 测不准原理的限制，即利用短窗口时，时间分辨率高，频率分辨率较低；而利用长窗口时，频率分辨率较高，时间分辨率较低。一旦 STFT 确定了窗函数，则与之相应的时频分辨率也确定。因此可以看出，STFT 是一种依赖于窗函数选择的单一分辨率的分析方法，STFT提供信号在时间和频率上的局部信息，时域和频域分辨率之间存在折衷。

        而调制问题一般表现为局部特征明显，STFT主要用于信号的整体特征研究，因此不太适合进行调制分析。小波变换使用小波基函数对信号进行分解，得到不同尺度和频率的成分。通过调整小波基函数的尺度和平移参数，可以实现对信号的多尺度分析。小波变换优于傅里叶变换的一点在于它可以显示信号的局部特征，具有较好的局部化特性，可以在时频域上实现较好的分辨率，因此在进行调制音分析时建议采用基于小波包变换的时频分析。

(a)基于STFT的时频分析 

(b) 基于小波包的时频分析

图1 某零部件声学信号时频图

调制频率分析

        通常调制音在基于小波包的时频图中会呈现“块状"特征，因此先基于小波包的时频分析，找到调制音的频带，然后基于高级滤波回放技术进行该频带声音回放，确认为现场感知的调制音（如波浪音、沙沙音、哒哒声等），最后进行调制谱分析，即选择调制音“块状"频带，在此频带内进行调制谱分析（Modulation spectrum），找到引起调制音问题的调制频率。

（a）**产品小波包时频图

（b）**产品小波包时频图

图2零部件调制音现象的“块状"特征示例

（a）**产品调制谱图

（b）**产品调制谱图

图3零部件调制谱分析示例

        如图2（b）中450-500Hz之间存在“块状"特征，以450-500Hz为分析带宽进行调制谱分析得到图3(b)中的调制谱曲线，由调制谱曲线可以得到调制深度最大的调制频率为117.2Hz，也就是说导致该产品在450-500Hz带宽内存在调制的调制频率为117.2Hz，因此下一步需要进行源分析，找到117.2Hz的来源。

激励源确认

        前期可以先理论分析（初步分析，理论转速与实际转速可能存在差异），基于转速、齿数等进行激励频率计算，一般建议分析到20倍频。

        图4为图3(b)激励源激励特性结果，由图3(b)中的调制谱曲线可知调制频率为117.2Hz，与电机基频吻合，由此可以初步判断调制现象产生的源头为电机。

图4某零部件激励源激励特性表

路径分析

        NVH路径一般为空气路径和结构路径，以图4产品为例，空气路径为激励源（电机和螺杆）本体空气声辐射，结构路径为激励源（电机和螺杆）引起产品结构振动对外产生的声辐射。

        针对激励源本体的空气路径可以进行单体声辐射测试以明确本体是否存在明显的调制音问题；

        就目前工程而言，大部分是由于结构路径导致，因此本文重点从结构路径角度进行调制音放大原因分析。

        a. 首先测试产品激励源安装点处的加速度，获取安装点的振动激励谱；

        b. 进行声学成像测试或者互相关分析，锁定调制音大概来源区域；

        c. 基于锁定的区域进行局部模态测试，确认固有频率；

        d. 分析调制音主要结构区域的固有频率与激励源激励频率是否耦合，发生局部共振进而放大调制音（目前工程上大部分由于此原因导致）。 

图5 某产品的安装点处振动激励频谱  

图6 某产品的调制音声学成像

图7 某产品局部FRF曲线

        对图6基于声学成像得到的调制音来源区域进行局部模态测试，得到该区域的局部模态参数，由图5和图7可知，该局部区域在1547Hz处存在固有频率与激励频率（1547Hz）吻合，发生局部共振，进而把调制音放大，导致人耳更容易感知。

调制音改善建议

        1）假设调制音由激励源本体空气路径导致（透射出来），建议直接更换低噪音激励源（小电机、螺杆等），这是由于调制音一般是中低频声音，传统的吸音隔音手段对中低频效果不佳，另外如果激励源本体出现轴系不对中、磨损严重等情况也会出现碰撞音，哒哒音等，且优化的方法有限，因此建议直接从源头更换；

        2）由结构路径产生的调制音主要是结构局部共振引起，一般在不改变激励源转速的前提下，建议对局部位置进行加强，在前期设计阶段，假设激励源选型和转速已确定，建议先按照理论计算激励源激励频率，一般需要计算到20倍频，然后基于CAE仿真计算结构在20倍频内的所有模态，若在某一频率处激励频率与固有频率接近，建议对此区域进行刚度加强。

小结

        本文结合实际工程案例简述了调制音分析流程、产生的原因和优化建议，就目前碰到的案例，大部分是由于结构局部区域与激励频率发生共振引起调制音被放大，导致人耳更容易感知，后期可以往此方向进行调制音分析与规避。

关于广电计量

        广电计量搭建了一站式NVH技术研究平台，为各行业客户提供标准及非标的NVH测试、评价与分析服务；针对N（噪音超标，异响问题等）、V（振动过大或者振动断裂问题等）和H（声音不好听等声品质问题），提供专业的技术分析及解决方案；针对行业内存在的NVH共性问题，为客户提供专业的基础课题研究，如声品质主客观统一评价研究、高里程NVH性能研究等；为客户定制开发NVH检测及分析设备，基于振动与声学信号的故障监测与诊断系统等。目前，广电计量已为汽车、船舶、轨道交通、航空、电力等国家战略性行业提供综合的NVH技术服务，协助客户提升产品NVH品质。