基于逆子结构传递路径分析方法的汽车车内噪声整改

莫愁,许辉勇

(1.欣旺达电子股份有限公司，广东深圳 518108；2.深圳普瑞赛思检测技术有限公司，广东深圳 518108)



基于逆子结构传递路径分析方法的汽车车内噪声整改

莫愁1,许辉勇2

(1.欣旺达电子股份有限公司，广东深圳 518108；2.深圳普瑞赛思检测技术有限公司，广东深圳 518108)

逆子结构传递路径分析方法可以重复利用部分数据，此特点在需要重复进行振动噪声传递路径查找的场合可以有效减少工作量。基于此方法对一款车内噪声超过标杆车的开发样车进行了两次振动噪声传递路径分析，然后对动力总成悬置进行了相应的整改，使车内噪声达到标杆车水平。

振动噪声；传递路径分析；逆子结构

0　引言

汽车在研发过程中经常需要进行振动噪声整改，整改的前提是找到影响目标点振动噪声的因素。目前振动噪声源查找主要方法有频谱分析[1]、声强分析[2]和声学成像[3]等几种。频谱分析过程中可能出现几个源点峰值频率相近以致难以确定主要振动噪声源的情况。声强测试时需要将探头贴近振动表面获取信号，操作不方便且工作量大。声学成像需要昂贵的设备且只能进行定性分析。

传递路径分析(Transfer Path Analysis，TPA)方法发展于近10年，是声源或振动源识别的有效工具，能够方便地识别系统内目标点的振动或噪声来源路径及各路径贡献量大小。各种TPA方法在不同的场合得到了应用，比如发动机正时链条噪声整改[4]、发动机悬置系统优化[5]等。文献[6]提出了一种逆子结构传递路径分析方法，作者用这种方法对一款车内噪声超过标杆车的研发样车进行噪声整改。

1　逆子结构传递路径分析方法概述

文献[6]给出的逆子结构传递路径分析方法分析传递路径贡献量流程如图1所示。

使用逆子结构技术计算悬置动刚度是该方法有别于其他TPA的主要特点，现结合文中要研究的案例对计算方法做解释。

动力总成、车内响应部件以及两者之间的振动传递路径可以描述为图2所示的二级结构模型，整个模型作为一个系统，称为一级结构。动力总成悬置之后的车身到车内响应点由于是刚性连接,可以简化成一个整体，文中视作子结构A。动力总成是主要激励源，文中视作子结构B。

图2中，作用于子结构B上的动态激励和在车内目标部件(子结构A)上的动态响应分别用i(b)和o(a)表示；子结构之间的悬置耦合点以c表示；整个系统上由激励点到响应点的频响函数(Frequency Response Functions, FRFs)用Hs表示，称作系统水平的FRFs;在非耦合状态下，各子结构上由激励点到响应点的FRFs用HA或HB表示;耦合体动刚度用Ks表示。文中假定动力总成由m个悬置支撑(即有m个耦合点)，每个频率下每个悬置均有X(汽车纵向)、Y(汽车横向)、Z(垂直方向)3个方向共3m动刚度值需要确定，而车内有n个响应点(每个点3个方向)需确定传递路径贡献量(Transfer Path Contributions, TPCs)。为计算动刚度Ks，先在系统水平上测量m个激励点到n个响应点的FRFs，得到一个3n×3m矩阵，然后，对应地测量部件水平FRFs:HA,o(a)c(a)、HB,c(b)i(b)、HA,c(a)c(a)、HB,c(b)c(b),分别得到3n×3m矩阵、3m×3m矩阵、3m×3m矩阵、3m×3m矩阵，基于所得FRFs，悬置动刚度Ks可由以下矩阵方程计算

(1)

由于m和n往往不相等，式中使用了伪逆矩阵，以上标“+”表示。得到了动刚度，依据式(2)即可计算载荷

(2)

式中： Kp(ω)为动刚度； abp(ω)为悬置主动侧(动力总成侧)振动信号； aap(ω)为悬置被动侧(车身侧)振动信号。再基于载荷，依据式(3)即可计算TPCs

(3)

式中： Y(ω)为振动或噪声总量；ω为圆频率； Hp(ω)为传递路径激励点到目标点的振动或噪声FRFs； fp(ω)为载荷；n为激励传递路径数量；p为传递路径序数。

2　基于逆子结构传递路径分析方法的振动源查找

2.1样车概况

一款研发用轿车怠速时驾驶员耳旁噪声达67.8 dB(A),比标杆车大近2 dB(A),其噪声频谱图见图3曲线1，需要整改。该样车动力总成前置前后左右各设置一个橡胶悬置，前轮驱动。

2.2数据采集

由于NVH故障工况为怠速，影响车内噪声的因素排除了路面激励、轮胎激励和空气噪声，并且根据经验，动力总成悬置匹配不合理是影响车内噪声的主要因素，故文中的整改首先从整改悬置着手。

采集工况数据时，在动力总成每个悬置的主、被动端各安装1个，共安装8个3D振动传感器测取信号作为传递路径输入信号。取驾驶员耳旁作为响应点，安装1个麦克风测取噪声信号。这样，整车“动力系统-车内噪声”振动模型就形成4×3=12个输入、1个输出的振动噪声系统。使动力总成怠速，采集振动信号，同时采集发动机转速信号。

测取系统水平FRFs时，由于动力总成安装在机舱内，空间狭窄，不好使用力锤施力，采用互逆法测量。选取曲轴左右两旁机体外壁前端、后端共4个点作为部件B的激励点，在每个点粘贴1个振动传感器。选择驾驶员座椅导轨作为响应点，在此处用力锤从X、Y和Z3个方向施力，测取所有传感器信号，由此求得一个3×12规模的系统水平FRFs矩阵Hs,o(a)i(b)。

测取子结构水平的FRFs时，将动力总成用尼龙绳悬吊，让其自由摆动。选取曲轴前端、后端左右两旁机体外壁共4个点作为子结构B的激励输入点，在每个点上粘贴1个振动传感器；保留工况数据采集时4个悬置的螺栓安装位置(动力总成侧)上的振动传感器。分别在机体外壁4个点和悬置位置4个点用力锤施力，测取所有传感器信号，由此求得两个12×12规模的子结构B的FRFs矩阵HB,c(b)i(b)和HB,c(b)c(b)。

相应地，保留工况数据采集时在4个悬置的螺栓安装位置(车身侧)上振动传感器作为子结构A激励点，以驾驶员座椅导轨作为子结构A响应点，布置1个振动传感器。在激励测点上用力锤施力，测取所有传感器信号，由此求得一个3×12规模的子结构A水平FRFs矩阵HA,o(a)c(a)和一个12×12规模的子结构A水平FRFs矩阵HA,c(a)c(a)。

为测取计算噪声贡献量所用频响函数，在整车状态下，在驾驶员耳旁布置体积声源，播放声压，测取动力总成悬置车身侧4个振动传感器的动信号，由此得到一个1×12规模的噪声频响函数矩阵。

2.3TPCs结果及分析

基于第2.2节工况数据和FRFs，依次使用式(1)、式(2)和式(3)可以计算悬置动刚度、载荷和TCPs，所得TCPs结果见图4。可见：动力总成前后左右4个悬置Z向振动路径对驾驶员耳旁噪声贡献最大，其余8条传递路径则明显比这4条小。图5显示出了400 Hz以下频段4个悬置各传递路径振动加速度均方根值，能直观地看到：各个悬置都是Z向值比其他方向大。所以，悬置优化方向应该是改善这4条路径的振动传递特性。

3　车内噪声整改

3.1优化方案确定

振动与悬置系统、车身结构动力特性有关，改变这两个子结构的特性即可达到控制车内振动的目的。改变车身子结构实际操作起来较为困难，而改变悬置系统特性则相对简单。悬置系统的参数中，安装位置和安装角度改变涉及动力总成舱结构变更。较小的悬置刚度可以降低振动传递率，进而降低响应点振动[7]，由第2.3节的分析可知悬置Z向振动对驾驶员噪声贡献最大，并且，悬置生产商一般会生产多个动刚度系列的悬置，故文中通过更换不同动刚度的悬置来降低车内噪声。

3.2优化过程与优化效果

更换上述4个Z向动刚度均降低10%的悬置，测试驾驶员耳旁噪声，声压级为66.7 dB(A),其频谱图见图3中曲线2。声压级未达到标杆车水平，有再次优化悬置的必要。

由于逆子结构传递路径分析方法有可以重复利用部分数据的优点，第2次优化再次使用此方法查找影响车内噪声的路径及其贡献量大小。由于第1次整改仅改动了悬置，再次进行TPA分析时仅需要测取整车水平的FRFs和目标工况下悬置主、被动端的振动。再次计算TCPs的结果见图6，可见：即使经过1次整改，4个悬置的Z向振动对驾驶员耳旁噪声贡献还是最大。

第1轮整改更换悬置后动力总成振动位移等指标没有超出设计限制，第2轮整改更换上述4个Z向动刚度均比原悬置降低20%的悬置。测量驾驶员耳旁噪声，声压级为66.1 dB(A),其频谱图见图3曲线3。此次整改后车内噪声达到了标杆车水平。

4　结论

使用逆子结构传递路径分析方法对一款驾驶员耳旁噪声比标杆车差的研发样车进行振动路径查找和贡献量分析，认为动力系统悬置Z向路径是影响目标点噪声的主要原因。更换了不同动刚度的动力总成悬置，验证了整改效果，车内噪声达到了标杆车水平，达到了整改目标。

由于逆子结构传递路径分析方法有可以重复利用部分数据的优点，文中案例再次分析传递路径贡献量时只需要重新测量部分参数，有效地减少了工作量。由此案例可见：使用逆子结构传递路径分析方法进行NVH整改方便有效。

【1】吴九汇.噪声分析与控制[M].西安:西安交通大学出版社,2011.

【2】李志远,陈慧,陈品,等.大型设备的声功率级声强测试方法[J].振动、测试与诊断,2013,33(2):311-314,344.

LI Zhiyuan,CHEN Hui,CHEN Pin,et al.Methods of Sound Intensity Measurement of Radiated Sound Power Level of Large-scale Equipment[J].Journal of Vibration Measurement,& Diagnosis,2013,33(2):311-314,344.

【3】王娟,冯青,吴仁彪,等.一种用于声学成像的稳健宽带恒定束宽波束形成方法[J].西安电子科技大学学报(自然科学版),2007,34(1):154-158.

WANG Juan,FENG Qing,WU Renbiao,et al.A Robust Wideband Constant Beamwidth Beamforming Method for a Coustic Imaging[J].Journal of Xidian University(Natural Science),2007,34(1):154-158.

【4】李静波,王宏伟,王晖,等.基于传递路径分析的正时链条阶次噪声优化[J].内燃机,2013,8(4):47-50.

LI Jingbo,WANG Hongwei,WANG Hui,et al.Optimization of Timing Chain Order Noise Based on Transfer Path Analysis[J].Internal Combustion Engines,2013,8(4):47-50.

【5】龙岩,史文库,梁天也,等.基于改进传递路径分析法的动力总成悬置系统优化及评价[J].汽车工程,2009,31(10):957-962.

LONG Yan,SHI Wenku,LIANG Tianye,et al.Optimization and Evaluation of Powertrain Mounting System Based on Improved Transfer Path Analysis Technique[J].Automotive Engineering,2009,31(10):957-962.

【6】莫愁,兰凤崇,陈吉清.逆子结构传递路径分析方法[J].吉林大学学报(工学版),2015,45(6):175-1756.

MO Chou,LAN Fengchong,CHEN Jiqing.Inverse Sub-structuring Transfer Path Analysis Method[J].Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition),2015,45(6):1751-1766.

【7】何海,周鋐,徐海卿,等.基于车身3自由度刚体模态计算的轻型载货汽车驾驶室悬置系统优化[J].汽车技术,2013(1):15-19.

HE Hai,ZHOU Hong,XU Haiqing,et al.Optimization of Light Truck Cab Mounting System Based on the Body Three Degrees of Freedom Rigid Body Modal Calculation[J].Automotive Technology,2013(1):15-19.

Rectifying the Interior Noise of a Car Based on Inverse Sub-structuringTransfer Path Analysis Method

MO Chou1, XU Huiyong2

(1.Sunwoda Electronic Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518108,China;2.Shenzhen Precise Testing Technology Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518108,China)

Partial data can be repeatedly used in inverse sub-structuring transfer path analysis. The character of the method produces an effective reduction of work load on the occasion that the vibration or noise transfer paths need to be analyzed repeatedly. The noise transfer paths were analyzed 2 times for a prototype car whose interior noise was higher than a benchmarking car, then the powertrain mounts were rectified corresponding each analysis. This work make the interior poise level of the prototype car meet that of the benchmarking car.

NVH；Transfer path analysis; Inverse sub-structuring

2016-06-12

广东省科技厅项目(2014B010125003)

莫愁(1978—)，男，博士，工程师，主要研究方向为电动汽车关键技术。E-mail：ymcmc@126.com。

U461.4

B

1674-1986(2016)07-011-04