作者 | 趙慶榮 王思明
編輯 | 冷棘宇
來(lái)源 |《汽車(chē)工程師》

摘要
某自主品牌轎車(chē)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在2擋全油門(mén)加速工況下車(chē)內(nèi)噪聲偏大，且同時(shí)伴有轟鳴聲。針對(duì)上述問(wèn)題，提出利用傳遞路徑分析（TPA）方法來(lái)分析引起車(chē)內(nèi)噪聲偏大的各條路徑貢獻(xiàn)量，確定了對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量最大的路徑為發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架。文章對(duì)懸置支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高其結(jié)構(gòu)剛度。經(jīng)優(yōu)化方案驗(yàn)證，優(yōu)化懸置支架后車(chē)內(nèi)噪聲明顯降低，轟鳴聲消失。

汽車(chē)噪聲、振動(dòng)及乘坐舒適性，即NVH（Noise，Vibration&Harshness）問(wèn)題，是衡量汽車(chē)好壞的一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，隨著顧客對(duì)汽車(chē)的舒適性要求越來(lái)越高，每個(gè)國(guó)家對(duì)噪聲污染的控制越來(lái)越嚴(yán)，NVH問(wèn)題受到了整車(chē)制造企業(yè)和零部件企業(yè)的普遍關(guān)注。車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲往往是由多個(gè)激勵(lì)經(jīng)過(guò)多條傳遞路徑到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)疊加而成的，如果能準(zhǔn)確地判斷出各主要激勵(lì)源和傳遞路徑的貢獻(xiàn)量，并對(duì)貢獻(xiàn)量大的激勵(lì)源和傳遞路徑作相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)，則NVH改進(jìn)的工作效率能得到大大的提高。這種識(shí)別方法即為傳遞路徑分析法TPA（TransferPathAnalysis），目前在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的研究與應(yīng)用。

1 傳遞路徑分析法基本原理

假設(shè)所研究的系統(tǒng)是線性時(shí)不變的，傳遞路徑分析將系統(tǒng)分為3部分：激勵(lì)源、傳遞路徑和響應(yīng)點(diǎn)。傳遞路徑分析模型，如圖1所示。車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的聲壓或振動(dòng)水平等于各激勵(lì)源以工作載荷激勵(lì)時(shí)，沿不同路徑傳遞到車(chē)內(nèi)的能量疊加。

車(chē)內(nèi)噪聲總體上可以分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲2種。二者的區(qū)別是傳遞路徑不同，結(jié)構(gòu)聲是外界激勵(lì)源直接激勵(lì)或傳遞到車(chē)身，引起車(chē)體及壁板件振動(dòng)，并與車(chē)內(nèi)聲腔耦合而產(chǎn)生的車(chē)內(nèi)噪聲，主要通過(guò)車(chē)身結(jié)構(gòu)的模態(tài)匹配進(jìn)行控制?？諝饴暿禽喬?、路面、進(jìn)排氣、發(fā)動(dòng)機(jī)本體等噪聲源通過(guò)空氣傳播路徑傳遞到車(chē)內(nèi)引起的噪聲，主要通過(guò)聲學(xué)包技術(shù)來(lái)控制。傳遞路徑分析認(rèn)為，目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)為所有結(jié)構(gòu)路徑及空氣路徑的貢獻(xiàn)量之和，即：

由式（4）可知，傳遞路徑分析的主要工作包括：1）路徑頻響函數(shù)的獲取。對(duì)于結(jié)構(gòu)聲，測(cè)量耦合點(diǎn)處每個(gè)自由度到響應(yīng)位置的頻響函數(shù)；對(duì)于空氣聲，測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)到聲源的頻響函數(shù)。2）工作載荷的獲取。對(duì)于結(jié)構(gòu)聲，工作載荷是各耦合點(diǎn)處每個(gè)自由度上的工作力輸入；對(duì)于空氣聲，工作載荷是聲源的體積速度$加速度。

傳遞函數(shù)是在初始條件為0的條件下，輸出的拉普拉斯變換除以輸入的拉普拉斯變換，傳遞函數(shù)是系統(tǒng)的固有屬性，只與結(jié)構(gòu)的本身屬性有關(guān)，與輸入特性無(wú)關(guān)。較常用的是通過(guò)互易性原理測(cè)得傳遞函數(shù)。

對(duì)于結(jié)構(gòu)力識(shí)別，主要包括直接法、復(fù)剛度法、驅(qū)動(dòng)點(diǎn)傳遞函數(shù)法和逆矩陣法。對(duì)于聲學(xué)載荷識(shí)別，主要有聲波輻射面逐點(diǎn)采集法、逆矩陣法、聲強(qiáng)推導(dǎo)法及單一源求逆法。

傳統(tǒng)TPA需要較多的參考點(diǎn)，測(cè)量任務(wù)量過(guò)大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。工作TPA，即OTPA（工況傳遞路徑分析法），避免了傳遞函數(shù)測(cè)試但不能保證分析結(jié)果的精度，所以目前廣泛應(yīng)用的是結(jié)合以上2種方法的優(yōu)點(diǎn)，在損失一定精度的基礎(chǔ)上，降低工作負(fù)荷，提高工作效率的方法，即OPAX法（擴(kuò)展工況傳遞路徑分析法）。

OPAX法的核心是參數(shù)化載荷模型，是基于已知的激勵(lì)源輸入及載荷模型參數(shù)，即可描述激勵(lì)源載荷，這種載荷描述方式的優(yōu)點(diǎn)在于所有參數(shù)是獨(dú)立的、不耦合的，極大地降低了問(wèn)題的復(fù)雜性，激勵(lì)載荷與聲學(xué)激勵(lì)載荷描述為：

求解方程，即可以識(shí)別載荷模型參數(shù)，獲得振源與聲源的載荷，識(shí)別的激勵(lì)源載荷乘以相應(yīng)的路徑傳遞函數(shù)即為路徑貢獻(xiàn)量，通過(guò)路徑貢獻(xiàn)量分析可以確定主要貢獻(xiàn)路徑，為車(chē)輛的NVH問(wèn)題解決提供參考。

2 應(yīng)用實(shí)例
2.1 問(wèn)題描述及分析

文章主要研究的是某款乘用車(chē)2擋全油門(mén)加速工況車(chē)內(nèi)噪聲大，且存在轟鳴聲的問(wèn)題，具體測(cè)試結(jié)果，如圖2所示。從圖2中可以看出，車(chē)內(nèi)司機(jī)右耳處存在220～280Hz的共振噪聲，對(duì)其進(jìn)行平均頻譜分析，結(jié)果如圖3所示，可見(jiàn)噪聲能量主要集中在250Hz左右。對(duì)該車(chē)進(jìn)行傳遞路徑分析，考慮到全油門(mén)加速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲為車(chē)內(nèi)噪聲的主要來(lái)源，包括結(jié)構(gòu)傳遞噪聲和空氣傳遞噪聲，其中結(jié)構(gòu)傳遞噪聲包括發(fā)動(dòng)機(jī)右懸置傳遞路徑和變速箱左懸置、后懸置傳遞路徑，每條路徑測(cè)試3個(gè)方向的加速度值，空氣傳遞噪聲包括動(dòng)力總成的6個(gè)表面噪聲，其中底面又分為發(fā)動(dòng)機(jī)底面和變速箱底面。故文章共分析16條傳遞路徑，使用的設(shè)備是LMSSCADASMobile數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，LMSTest.Lab12A軟件，具體試驗(yàn)分為以下2步。

第一步：工況數(shù)據(jù)測(cè)試。工況數(shù)據(jù)是指整車(chē)實(shí)際工作狀態(tài)下所有激勵(lì)源的輸入、目標(biāo)點(diǎn)和參考點(diǎn)的響應(yīng)。文章中測(cè)試工況為2擋全油門(mén)加速，測(cè)點(diǎn)為車(chē)內(nèi)司機(jī)右耳處噪聲，3個(gè)懸置主被動(dòng)端各3個(gè)方向的加速度，動(dòng)力總成外表面的7處噪聲，此外還需選取副駕駛右耳和后排中間位置作為參考點(diǎn)。
第二步：頻響函數(shù)測(cè)試。文章中采用互易法，在車(chē)內(nèi)司機(jī)右耳處放置體積聲源，主要關(guān)心的頻率在250Hz左右，所以應(yīng)選取低頻體積聲源，測(cè)試頻率范圍在20～800Hz，測(cè)試16條路徑處的響應(yīng)值，即可獲得頻響函數(shù)。重復(fù)以上操作，測(cè)試參考點(diǎn)到路徑的頻響函數(shù)。
利用OPAX法進(jìn)行傳遞路徑分析，可以得到各條路徑對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量，具體結(jié)果如圖4所示，因?yàn)楣舱衲芰恐饕性?50Hz左右，將光標(biāo)固定在該頻率附近，可以得出在該頻率附近對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲影響較大的路徑依次是左懸置Y向、左懸置Z向、右懸置Y向、發(fā)動(dòng)機(jī)左面等。




2.2 懸置支架優(yōu)化

通過(guò)以上傳遞路徑分析結(jié)果可知，對(duì)于250Hz左右共振噪聲影響較大的路徑為動(dòng)力總成左右懸置，進(jìn)一步檢查左右懸置的工況數(shù)據(jù)，如圖5所示，可以看出，左懸置的3個(gè)方向，以及右懸置的Y向均存在250Hz左右的共振帶。




鑒于以上測(cè)試結(jié)果，對(duì)左右懸置進(jìn)行優(yōu)化，采取措施為提高懸置支架固有頻率，消除或減弱250Hz左右的共振，具體優(yōu)化方案，如圖6和圖7所示。優(yōu)化前后車(chē)內(nèi)噪聲變化情況的試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，如圖8所示，可見(jiàn)懸置支架優(yōu)化后，車(chē)內(nèi)250Hz左右共振帶明顯減弱，對(duì)比優(yōu)化前后的總聲壓級(jí)（OA值），結(jié)果如圖9所示，聲壓級(jí)平均降低2dB（A）。通過(guò)主觀評(píng)價(jià)進(jìn)一步驗(yàn)證了車(chē)內(nèi)噪聲明顯降低，轟鳴聲消失。


鑒于動(dòng)力總成噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲也有較大影響，檢查動(dòng)力總成表面到車(chē)內(nèi)司機(jī)右耳的頻響函數(shù)FRF，具體結(jié)果如圖10所示。一般要求頻響函數(shù)應(yīng)控制在55dB以下，本例中大部分頻響函數(shù)不滿(mǎn)足要求，可以進(jìn)一步優(yōu)化，以降低車(chē)內(nèi)噪聲，可采取的方案有：加厚前圍隔熱墊、增加前圍金屬鈑金件厚度、改善過(guò)孔密封情況等。此問(wèn)題超出文章的研究范圍，將不做深入研究。

3 結(jié)論

文章主要是解決某款車(chē)型2擋全油門(mén)加速工況下，車(chē)內(nèi)噪聲大且存在轟鳴聲的問(wèn)題，在問(wèn)題的識(shí)別和解決過(guò)程中，得到以下結(jié)論：
1）根據(jù)2擋全油門(mén)加速工況下駕駛員右耳頻譜圖及其平均頻譜圖可知，導(dǎo)致車(chē)內(nèi)噪聲大且存在轟鳴聲的主要原因是在250Hz左右存在共振帶，應(yīng)用OPAX方法，分析得出引起該共振帶的原因是動(dòng)力總成左右懸置支架模態(tài)頻率也在250Hz左右。
2）為了消除或減弱共振帶可以采取的措施是提高懸置支架模態(tài)頻率，增加其剛度。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，懸置支架優(yōu)化后，車(chē)內(nèi)噪聲降低，主觀評(píng)價(jià)轟鳴聲消失。
3）頻響函數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示，動(dòng)力總成表面到駕駛員右耳之間的頻響函數(shù)不滿(mǎn)足小于55dB的要求，可進(jìn)一步優(yōu)化前圍部件，降低車(chē)內(nèi)噪聲。
4）在以上問(wèn)題的解決中，傳遞路徑分析方法起到了主要作用，只要能夠建立準(zhǔn)確的TPA模型，實(shí)施高質(zhì)量的測(cè)試，傳遞路徑分析方法就能準(zhǔn)確識(shí)別出貢獻(xiàn)量最大的路徑，為問(wèn)題的解決指明方向。