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普信?聲學(xué)院：確保NVH品質(zhì)的車輛下線聲學(xué)測試與檢定方法

2020-03-10 00:47:10·  來源：Prosynx  
　
昨天識(shí)別車輛內(nèi)部令人不安的噪聲源的標(biāo)準(zhǔn)方法是試駕，由駕乘人員確定汽車是否正常。但是，這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：試駕人員的測試主觀性，所需的時(shí)間和測試行程較長
識(shí)別車輛內(nèi)部令人不安的噪聲源的標(biāo)準(zhǔn)方法是試駕，由駕乘人員確定汽車是否正常。但是，這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：試駕人員的測試主觀性，所需的時(shí)間和測試行程較長，汽車損壞的風(fēng)險(xiǎn)以及隨之而來的很高的成本。我們提供了各種方法和技術(shù)，用于在車輛制造過程中終端測試期間檢定聲學(xué)問題，包括全自動(dòng)和半自動(dòng)化的方法和技術(shù)。

一種方法是利用噴閥在要測試的汽車上移動(dòng)，將空氣吹到汽車上，以模擬行駛過程中的氣流。閥口在關(guān)鍵點(diǎn)停下，聲學(xué)測量系統(tǒng)記錄了車內(nèi)每個(gè)麥克風(fēng)的聲學(xué)頻譜，并將其與參考頻譜進(jìn)行比較。另一種方法是在風(fēng)洞中使用類似的測量系統(tǒng)，從而獲得更多參數(shù)，例如：可以應(yīng)用不同的吹氣角度。第三種方法是結(jié)合聲音源使用手持式聲學(xué)相機(jī)。

我們提出了一種結(jié)合這些方法的過程，以便在最終車輛下線質(zhì)量保證控制期間檢測、定位和解決車輛中的聲學(xué)問題。

介紹

如今，設(shè)計(jì)和監(jiān)控汽車的聲音品質(zhì)已納入汽車制造商的重要研制流程。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音衰減功能正在改善，而具有靜音引擎的電動(dòng)汽車變得越來越有吸引力，現(xiàn)在，預(yù)期的聲學(xué)設(shè)計(jì)比轎車內(nèi)部的引擎聲音能給予駕乘人員更深的印象。因此，至關(guān)重要的是在生產(chǎn)線末端監(jiān)控每輛組裝汽車的噪聲質(zhì)量。

除輪胎噪音外，氣流以一定速度撞擊汽車外表面，在行駛超過一定速度時(shí)，汽車內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生明顯的聲音。密封條上的泄漏（例如門和A柱之間的泄漏）或暴露在氣流中的松散外部零件會(huì)擾亂汽車周圍的設(shè)計(jì)氣流，并引起特征性的噪音，例如嘯叫或吱吱、嘎嘎和咔咔等異響聲。

為了確保在組裝好的車輛中不存在這種意想不到的和可避免的噪聲源，幾種方法是可行的。試駕的經(jīng)典方法具有主觀性，難以復(fù)制，耗時(shí)且隱含著高成本以及損壞汽車的風(fēng)險(xiǎn)，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

因此，需要更自動(dòng)化和更安全的方法。要求是將系統(tǒng)無縫集成到生產(chǎn)線中作為生產(chǎn)線末端測試。整個(gè)測試必須非常快，并且不能成為制造過程的瓶頸。聲學(xué)檢查必須在封閉的車門內(nèi)進(jìn)行，并且必須根據(jù)先前的要求非常迅速地安裝和拆卸。

如果發(fā)生故障，準(zhǔn)確、快速、輕松且可靠地確定故障的位置至關(guān)重要。此步驟不應(yīng)干擾生產(chǎn)過程。因此，它根本不應(yīng)該占用生產(chǎn)系統(tǒng)，或者不應(yīng)占用很長的時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們打算介紹可結(jié)合全向聲源處理各種聲學(xué)環(huán)境的聲學(xué)相機(jī)的應(yīng)用。

在本案例中，我們展示了完整的工作流程和原理，從在風(fēng)洞或噴閥中測量汽車到利用先進(jìn)的聲學(xué)設(shè)備調(diào)查發(fā)現(xiàn)的問題。
  
END-OF-LINE測試臺(tái)

這種測試臺(tái)的兩種不同方法是風(fēng)洞或噴嘴閥。在這兩種情況下，聲學(xué)測試設(shè)備都放置在要測試的車輛內(nèi)部，并且從技術(shù)角度來看基本上是相同的，而測試程序及其準(zhǔn)備工作卻不同。

聲學(xué)裝備

該系統(tǒng)主要由兩部分組成：車內(nèi)的麥克風(fēng)組以及車外的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，后者還負(fù)責(zé)處理原始數(shù)據(jù)，并通過OPC服務(wù)器與測試臺(tái)控制單元進(jìn)行交互，執(zhí)行由測試臺(tái)觸發(fā)的聲學(xué)測試，并通知系統(tǒng)測量結(jié)果是“正常”還是“不良”，或者是否發(fā)生任何類型的錯(cuò)誤。此外，它可以將測量數(shù)據(jù)提供給內(nèi)部工廠數(shù)據(jù)庫?；赑C的分析系統(tǒng)安裝在測試艙壁的內(nèi)部。

圖1：所開發(fā)的無線麥克風(fēng)。麥克風(fēng)盒是MTG的MK255駐極體盒。前置放大器的設(shè)計(jì)功耗非常低，發(fā)送器是6號線XD-V75數(shù)字無線系統(tǒng)的發(fā)送器組件。整個(gè)裝置與一個(gè)電池組一起工作8小時(shí)（一個(gè)工作班次）。

提供各種換能器陣列配置，并可以適應(yīng)客戶需求。通常，麥克風(fēng)安裝在門上，一整套包括八個(gè)麥克風(fēng)，每個(gè)門兩個(gè)。為了快速安裝麥克風(fēng)，每個(gè)門支架上將兩個(gè)麥克風(fēng)連接在一起（圖2）。

圖2：在前門（左和右）測量的兩個(gè)麥克風(fēng)（紅色圓圈）的門支架。

為了避免從采集系統(tǒng)到麥克風(fēng)的任何電纜妨礙安裝步驟，必須要有穩(wěn)定、可靠的無線信號傳輸。我們通過匹配的麥克風(fēng)，前置放大器和無線發(fā)送器-接收器組合來滿足這些具有挑戰(zhàn)性的要求。 我們將預(yù)極化的駐極體1/2英寸麥克風(fēng)盒（MTG的MK255）與專門設(shè)計(jì)（由德國SINUS制造）的低功耗前置放大器相結(jié)合，適用于發(fā)送器及其低功耗輸出。“XD-V75數(shù)字無線”信號傳輸系統(tǒng)（發(fā)送器/接收器）不對傳輸信號進(jìn)行任何壓縮或?yàn)V波；這是強(qiáng)制性的，以便對接收信號進(jìn)行可靠的頻率分析。這種發(fā)送器－傳感器設(shè)置的功耗非常低：在需要更換發(fā)送器電池之前，它能夠工作8小時(shí)（一個(gè)典型的工作班次）。

圖3：聲學(xué)通信設(shè)置的框圖。無線麥克風(fēng)通過2.4 GHz加密，無濾波器的無線電鏈路將其信號發(fā)送到接收器。接收器安裝在SwingStation旁邊，其信號通過電纜傳輸?shù)絻?nèi)部的Apollo卡。整個(gè)設(shè)置已被修改并調(diào)整為產(chǎn)生非常低的輻射輸出，從而避免干擾工廠的任何其他WLAN基礎(chǔ)架構(gòu)。

信號接收器通過端子支架連接到我們的Apollo-PCIe卡（在本案例中為8通道），該卡安裝在工業(yè)PC內(nèi)。它配備有不間斷電源（UPS），以在出現(xiàn)突然斷電的情況下保持恒定的電源并平穩(wěn)地暫停測量系統(tǒng)（圖3）。

風(fēng)洞

圖4：LTG Airtech Systems AG5為布拉迪斯拉發(fā)的大眾工廠建造的風(fēng)洞（VAF 2240）方案。在測量室上方的樓層中產(chǎn)生了風(fēng)，這使整個(gè)結(jié)構(gòu)非常緊湊。

風(fēng)洞的優(yōu)勢在于它可以產(chǎn)生非常接近實(shí)際駕駛情況的氣流。如果裝有轉(zhuǎn)盤，則可以在不同的風(fēng)入射角下對汽車進(jìn)行測試。我們配備了聲學(xué)設(shè)備的風(fēng)洞是由LTG Airtech Systems AG設(shè)計(jì)和建造的。該裝置是典型的風(fēng)洞，除了將風(fēng)力發(fā)生裝置（風(fēng)扇、消音器和空氣加熱器）放置在測量室上方，還將要檢查的汽車放在轉(zhuǎn)盤上，并朝著排氣噴閥旋轉(zhuǎn)90°。系統(tǒng)使用的典型風(fēng)速約為140 km / h（最大160 km / h）。

實(shí)施這種風(fēng)洞所需的大量空間以及高昂的成本使得某些制造場所無法進(jìn)行安裝，因此，另一種節(jié)省空間的方法是必要的。

噴嘴閥

保時(shí)捷3發(fā)明了一種不需要風(fēng)洞那么大空間的裝置，并對此進(jìn)行了描述。這個(gè)想法是通過噴嘴閥將氣流施加到要測試的汽車的某些零件上。為此，噴嘴閥口在車輛上方移動(dòng)并停在預(yù)定位置。

圖5：與汽車有關(guān)的氣流控制部件的圖紙（背景中的機(jī)艙）。紅色箭頭顯示了樞軸噴嘴的可能位置，以將氣流從任何必要的方向施加到轎廂表面。

整個(gè)測試臺(tái)安裝在尺寸緊湊的機(jī)艙中，風(fēng)力被放置在機(jī)艙屋頂?shù)耐饷?。如在風(fēng)洞中一樣，使用的典型風(fēng)速約為140 km / h。

一體化測試程序

在這兩種情況下，PLC都會(huì)控制整個(gè)測試過程。工廠可以運(yùn)行OPC服務(wù)器，該服務(wù)器將車輛信息傳送到PLC，例如型號和序列號，或者用戶手動(dòng)輸入這些參數(shù)。對于噴嘴閥口，PLC必須知道車輛的尺寸和噴嘴的測量位置（在配置步驟中定義）。 因此，PLC控制噴漆房的大門，噴嘴的角度和位置以及氣流。 對于風(fēng)洞，不必知道噴嘴參數(shù)和轎廂尺寸。 從這個(gè)角度來看，風(fēng)洞更容易設(shè)置，因?yàn)樗鼪]有太多不同的測試參數(shù)。

此外，PLC為聲學(xué)子系統(tǒng)提供所有必要的信息，以便根據(jù)汽車ID選擇正確的觸發(fā)設(shè)置。它為已達(dá)到子系統(tǒng)測量條件的狀態(tài)而相應(yīng)設(shè)置，即噴嘴閥處于正確位置或風(fēng)洞達(dá)到最高速度時(shí)。 通常，PLC在自動(dòng)模式下運(yùn)行，但也可以在手動(dòng)模式下使用它，以調(diào)整測量位置，對故障狀態(tài)做出反應(yīng)或使用測試臺(tái)進(jìn)行故障調(diào)查。

測試與分析工作由SAMURAI軟件完成。它讀取Apollo-PCIe卡接收到的聲學(xué)數(shù)據(jù)，并對每個(gè)通道執(zhí)行實(shí)時(shí)1/3倍頻程、1/48倍頻程或FFT分析。隨后，將這些頻譜與參考頻譜進(jìn)行比較，并據(jù)此生成觸發(fā)事件（例如，測量的頻譜是否在公差范圍內(nèi)）。通常，對于噴嘴閥方法，不同的參考頻譜數(shù)是噴嘴閥位置數(shù)乘以麥克風(fēng)數(shù)。由于風(fēng)洞中只有一個(gè)位置，因此在這種情況下，每個(gè)麥克風(fēng)只有一個(gè)參考頻譜，這在設(shè)置整個(gè)測試臺(tái)時(shí)也有很大的不同。

圖6：左-分別在前門左側(cè)（綠色）和右側(cè)（藍(lán)色）測得的“OK”和“notOK”頻譜的典型A加權(quán)1 /24n倍頻程頻譜。紅色和黑色顯示了兩個(gè)類似的手動(dòng)生成的參考頻譜，但具有不同的偏移量。在此案例中，紅色圓圈標(biāo)記了測量頻譜與參考頻譜交叉的區(qū)域。它將產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)事件，表明已超過上限，因此右前門的測試將失敗。右-典型的SAMURAI顯示屏顯示包括參考頻譜在內(nèi)的8個(gè)通道。

風(fēng)洞和噴閥之間的另一個(gè)區(qū)別是將汽車帶入測量室所需的工作量。與風(fēng)洞相比，噴嘴閥更容易操作：要測試的車輛從一側(cè)進(jìn)入測試臺(tái)，在另一側(cè)退出，這為這種方法在過渡階段節(jié)省了時(shí)間，并且整個(gè)安裝可以更容易地集成到組裝/最終測試線中。但是，對于每次測量而言，噴嘴閥需要在一定的時(shí)間內(nèi)在不同的位置移動(dòng)和停止，這就意味著該時(shí)間的好處將減少。在兩種情況下，安裝麥克風(fēng)的時(shí)間是相同的：這可以在幾秒鐘內(nèi)完成。

因此，這兩種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，很難評價(jià)哪一種更好。兩者都易于自動(dòng)化，并且可以集成到對時(shí)間要求嚴(yán)格的生產(chǎn)過程中。

故障定位

如果聲學(xué)最終測試沒有成功通過，則可能意味著工廠在生產(chǎn)中或供應(yīng)商的供應(yīng)零件方面存在一些問題。如果不迅速發(fā)現(xiàn)，這將花費(fèi)數(shù)百萬歐元。因此，至關(guān)重要的是迅速而準(zhǔn)確地定位故障，以便能夠消除其根本原因。如果聲學(xué)相機(jī)滿足某些要求，它可能是完成此任務(wù)的理想工具：它必須輕巧且具有足夠小的尺寸，以便可以在汽車中輕松操作，但是可能的頻率范圍（通常由陣列尺寸決定）必須足夠?qū)挘院w所有敏感和所關(guān)注的噪聲類型。另外，它需要使用在整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有合理動(dòng)態(tài)范圍和高分辨率的魯棒算法。

AC100完全滿足了這些要求（圖7）。典型的測量程序是在車內(nèi)將攝像機(jī)重新啟動(dòng)噴閥或風(fēng)洞測量。通過自動(dòng)分析故障測試的頻譜，操作員可以知道故障的大致位置，并可以專注于車輛的那一部分。

圖7：AC100和連接的平板電腦用作手持式聲學(xué)相機(jī)-汽車的外部（左側(cè)）和內(nèi)部（右側(cè)）。

整個(gè)過程也可以在車外進(jìn)行。在這里，穩(wěn)健的自適應(yīng)波束形成算法的非常有效的噪聲抑制可以顯示出其與其他算法相比的優(yōu)越性，并使相機(jī)也可以在非常響亮和回蕩的環(huán)境中使用。

泄漏檢測的第二種方法是使用放置在車內(nèi)的全向聲源（圖8）。攝像機(jī)記錄是從外部進(jìn)行的，因此對于我們的系統(tǒng)而言，不需要專用的環(huán)境。除了自適應(yīng)波束形成具有最高的分辨率這一事實(shí)外，還可以通過使用超聲波來提高此測量的分辨率：這還具有另一個(gè)優(yōu)勢，即整個(gè)測量過程不會(huì)受到常見聲源或它們的反射的干擾，該聲源可能接近于測量，反之亦然，汽車中產(chǎn)生的聲音不會(huì)干擾周圍環(huán)境。

圖8：照片顯示了在測試過程中使用的全向聲源及其放置位置。

應(yīng)用-泄漏檢測

圖9：車外測量結(jié)果。聲源（圖8）位于內(nèi)部。左上方：在車外記錄的頻譜-激活源，有無泄漏。右上方：副駕駛員側(cè)車門上的Audi A4，門密封處的少量人為泄漏。左下：AC100記錄無泄漏。右下：AC100記錄有泄漏。有趣的是，在這兩種情況下，視鏡都會(huì)發(fā)出超聲波，這清楚地表明了汽車內(nèi)部的泄漏路徑。

在所示的案例中，我們使用了寬帶白噪聲超聲源（20k–25kHz，圖8），并從外部記錄了有無故障的情況，同時(shí)激活了聲源。我們準(zhǔn)備了一些故障，例如門密封件泄漏（圖9），車窗密封件泄漏（圖10-左）和門松動(dòng)關(guān)閉，從而保持細(xì)縫打開（圖10-右）。所有圖像均顯示泄漏的精確位置，而不管泄漏是直線還是多個(gè)點(diǎn)源。

圖10：記錄的AC100圖像（在車內(nèi)激活了噪聲源），左圖：在車窗玻璃和其頂部密封之間準(zhǔn)備好的泄漏處的噪聲源分布，右圖：由于副駕駛室門未關(guān)緊，噪聲通過縫隙泄漏。

結(jié)果和討論

我們已經(jīng)安裝并實(shí)施了一個(gè)聲學(xué)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)已完全集成到風(fēng)洞和噴閥測試臺(tái)、工廠過程控制和IT基礎(chǔ)架構(gòu)中。它可以滿足所有具有挑戰(zhàn)性的要求，例如使整個(gè)測試過程保持盡可能短的時(shí)間，現(xiàn)在已成為保時(shí)捷和本特利工廠生產(chǎn)過程中最終質(zhì)量保證和測試過程的重要組成部分。此外，對于最終測試故障的情況，利用AC100聲學(xué)攝像機(jī)的小尺寸、高分辨率和強(qiáng)大算法，提出了一種快速可靠的程序來調(diào)查故障的根本原因，使用放置在車內(nèi)的全向聲源并從外面用AC100進(jìn)行錄音可以有效的來檢定泄漏。

本案例提出的工作流程將有助于保持生產(chǎn)的汽車的高音質(zhì)，并支持對發(fā)生的問題進(jìn)行檢定，而無需進(jìn)行任何復(fù)雜的設(shè)置。
 
 
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