中高频振动引起车内噪声分析研究

刘　辉，罗伟宾，赵克刚

(华南理工大学广东省汽车工程重点实验室，广东 广州 510640)

Study and Analysis of the Automotive Interior Noise Caused by Medium and High Frequency Vibration

LIU Hui，LUO Weibin，ZHAO Kegang

(Guangdong Key Laboratory of Automobile Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)



中高频振动引起车内噪声分析研究

刘辉，罗伟宾，赵克刚

(华南理工大学广东省汽车工程重点实验室，广东 广州 510640)

Study and Analysis of the Automotive Interior Noise Caused by Medium and High Frequency Vibration

LIU Hui，LUO Weibin，ZHAO Kegang

(Guangdong Key Laboratory of Automobile Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

摘要：为解决某车型车内噪声问题，在发动机振动引起车内噪声问题分析方法的基础上，确定横摆中高频振动是引起车内噪声的主要原因,并提出解决方案。在发动机怠速状态下测量输油管道的振动状态，根据汽车噪声、振动和声振粗糙度基本理论，通过模态分析和频谱分析，得出输油管道横摆中高频振动引起的车身底板振动向车内辐射噪声。采用加装胶垫的方法降噪，改进后的实车试验结果表明，车内声压峰值从32 dB下降到24 dB，横摆中高频振动得到有效控制。

关键词：车内噪声；输油管道；横摆；降噪

0　引言

随着时代的进步，人们对汽车的各项性能指标要求也日益提高。汽车的噪声、振动与声振粗糙度(NVH)，是衡量汽车制造质量的一个综合指标，车辆NVH是各大整车企业及零部件企业非常关注的问题[1-3]。在低端车型上，关于发动机振动引起车内噪声的问题研究较多的是发动机的Z向振动，对车内噪声问题的改善也主要集中在低固有频率振动的相关分析与方法上[4-6]。

而对于高端车型，发动机扭转振动传递到车身等结构造成的中高频振动得到越来越多的关注[7-11]。某高端乘用车试制阶段普遍存在车内噪声，针对这一问题，首先通过传递路径分析方法找到输油管道是噪声源；然后初步判断车内噪声产生原因是发动机变速箱总成的振动传递到输油管道，产生了中高频率的横摆振动，通过理论分析与试验验证，证实了激振频率与输油管道的固有频率[12]较为接近，导致输油管道共振进而产生噪声；最后在输油管道和油管夹之间加软胶垫，改变输油管道固有频率并吸收和隔断输油管道的振动。

1　噪声产生机理的研究

1.1输油管道的模态分析

建立图1所示坐标系。

图1　输油管道模型

取长度为L的输油管道作为研究对象，根据Hamilton原理可得输油管道振动方程为：

(1)

m为单位长度管道质量；m0为单位长度油液质量；v为油液流速；E为管道材料的弹性模量；I为管道横截面惯性矩；P为管道内油液的压强；A为油液截面面积。

结合输油管道的约束条件可以解得前3阶固有频率为：

(2)

利用SolidWorks插件Simulation对管道整体进行模态计算，可得输油管道可能发生大幅度振动的区域为图2所示的A、B两支撑之间的区域，其他振型类似。该位置所对应的管道前3阶固有频率分别是137.95 Hz，214.66 Hz，304.92 Hz。

图2　模型仿真结果振型示意(一阶振型)

1.2输油管道振动的频谱分析

管道Y方向，即横向的振动信号频谱分析如图3所示。

图3　输油管道Y方向振动信号频谱分析

从功率谱可知，主要频率成分为125 Hz，130.2 Hz，146.3 Hz和150 Hz。由上述频谱分析结果，可以推断出引起输油管道强烈振动的主要频率成分是Y方向的130～150 Hz(130.2 Hz，146.3 Hz和150 Hz)的激振频率，而这个范围内的频率正好和输油管道的固有频率137.95 Hz很接近。

结合主观评价、仿真结果、理论分析和实验数据频谱分析的结果得到结论：发动机的振动传递到车身，引起输油管道在Y方向上共振，该振动通过油管夹与车身固定螺柱传递到车底板板件，而底板板件振动向车内辐射噪声。

2　降噪方案的确定

发动机怠速时，输油管道产生共振，振动通过油管夹及车身连接点传递到车身板件，所以解决问题的方法是避免振动传递至车身板件。该车油管夹为ABS硬质塑料，输油管道是钢制材料，两者相当于刚性耦合，当两者不协调时，油管夹的附近易产生噪声。当激振频率ω与输油管道的固有频率ωi相离时，其振幅y(x，t)就会减小。因此，减少噪声的基本思路为改变输油管道的固有频率，使其远离激振频率130～150 Hz。通过在油管夹A与输油管道间增加软胶垫，将油管夹A改为软支撑，改变管道的固有频率，同时吸收与隔断输油管道的振动，从而达到减振效果。

根据振型仿真结果，在A处的油管夹与输油管道间增加了软胶垫后，输油管道可能发生大幅振动的区域与图2所示的A、B两支撑之间区域相同，位置上没有变化，其对应的油管前3阶频率为112.39 Hz，186.78 Hz，264.79 Hz，避开了激振频率130～150 Hz。

油管夹垫胶降噪结构设计，要求设计简单、易实现。在保证相关零件尺寸及位置不变的前提下，达到同样的紧固效果和良好的热稳定性及化学性质稳定性。

3　试验结果分析

采用了油管夹垫胶降噪措施后，在实车上再次对输油管道进行振动信号采集与频谱分析，管道Y方向振动信号频谱分析如图4所示。

图4　输油管道Y方向振动信号频谱分析

对比图3和图4，计算功率谱幅值衰减幅度，各主要频率成分均有大幅降低，结果如表1所示。

表1各频率功率谱幅值衰减幅度

频率/Hz125.0130.2146.3150.0功率谱幅值衰减幅度/dB24233119

从频谱分析可以看到，油管夹A进行垫胶降噪处理后，管道传递至车身的振动能量有很大的下降。为验证其实际效果，使用DS2000噪声测量仪对车内的噪声进行测量，对比结果如图5所示。在油管夹垫胶后，在130～150 Hz频率范围的车内声压有一定程度降低，声压峰值由32 dB下降到24 dB。

图5　油管夹垫胶前、后的车内噪声对比

为进一步确定该降噪方法的有效性，再次组织了主观评价，人耳已无法分辨出发动机怠速时的管道振动造成的车内噪声。至此，该车型车内噪声问题已得到有效解决。

4　结束语

针对某乘用车内出现的噪声问题，分析汽车振动的形式，确定噪声源。

对输油管道进行模态分析，确定了其振动的固有频率，并通过频谱分析，确定了引起输油管道振动的激振频率，激振频率和输油管道固有频率很接近，导致输油管道横摆中高频振动。

采用增加软胶垫这种结构优化的方法，有效地解决了车内噪声问题，对基于汽车舒适性的新车型开发与研究有一定的借鉴意义，具有较大的工程实用价值。

参考文献：

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[4]叶志刚，王理周，李传兵.乘用车车身结构噪声测量分析及控制[J].汽车工程，2001，23(2)：130-133，126.

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[11]吴光强，栾文博.汽车传动系相关NVH 问题的动力学研究论述[J].机械工程学报，2013，49(24)：108-116.

[12]刘延安.流固耦合管道固有频率及参数灵敏度分析[J].机械科学与技术，2012，31(3)：498-501，506.

Abstract：In order to solve the interior noise problem of a certain vehicle type and based on analytic techniques identifying noise problems caused by engine vibrations, a transverse swing having medium and high frequencies is established to be the primary cause; solutions to the problem are proposed. The transverse swing of the pipeline having medium and high frequencies causes vibrations of the baseplate, which radiates noise to the interior according to the fundamental theory of the vehicle NVH (noise, vibration and harshness). This is concluded as a result of modal analysis and frequency spectrum analysis, wherein the vibration state of the pipeline was measured while the engine is idling. Actual vehicle tests were conducted wherein a rubber cushion was attached for noise reduction. The test results using this improvement showed that the peak value of the automotive interior sound pressure declined from 32 dB to 24 dB, and the transverse swing having medium and high frequencies was effectively controlled.

Key words：interior noise；pipeline；transverse swing；noise reduction

作者简介：刘辉(1988-)，男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向为汽车系统动力学及电子控制；罗伟宾(1976-)，男，广东高州人，硕士研究生，研究方向为车辆振动噪声测控技术及故障诊断；赵克刚(1977-)，男，上海人，副教授，工学博士，研究方向为电动汽车、汽车传动。

收稿日期：2015-02-05

文章编号：1001-2257(2015)06-0020-03

文献标识码：A

中图分类号：U46