基于传递路径分析的关门声贡献量研究

卢明洋，周 毅，靳 畅，李冰杰

（1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.同济大学 新能源汽车工程中心，上海 201804）

基于传递路径分析的关门声贡献量研究

卢明洋1，周 毅2，靳 畅2，李冰杰1

（1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.同济大学 新能源汽车工程中心，上海 201804）

为了改善汽车关门声品质，研究不同部件对汽车关门噪声的贡献量，采用了传递路径分析（TPA）方法。根据TPA的基础理论，车门和车身发生碰撞的部位均为激励源，由于激励源为环状，进行了离散化处理，建立了汽车关门的传递路径模型，并对某款车进行了关门噪声试验。通过试验验证了离散化处理和所建模型的准确性，同时得到车门、车身和门锁对关门噪声总体以及不同频率下的贡献量。根据试验结果，车门的噪声贡献主要集中在中频和高频，车身主要是低频和中频的噪声贡献，而门锁在低、中、高频都具有较大贡献量。

关门声；传递路径；分析贡献量

0 引言

随着汽车产业的发展，人们对汽车的NVH性能（Noise Vibration Harshness）关注度越来越高。关门声品质即属于汽车NVH性能之一。顾客在买车时，通常会把汽车的关门声作为衡量汽车质量的标准之一[1]。在研究关门声的文献中，往往是对关门声进行仿真或者采集整体的关门声，而少有关于不同部件对关门声贡献方面的试验研究。汽车在关门过程中，会产生一系列的冲击噪声，包括车门门板、车身板件以及门锁（锁体和锁扣）振动所产生的噪声。因此关门声可看作是一系列机械部件产生的冲击噪声的集合[2]。为了研究不同部件对关门声的贡献，本文采取了传递路径分析（TPA）方法。利用LMS Testlab/TPA模块，可以有效地获得每个路径对关门声的贡献量，并可以对结果进行验证。本文建立了汽车关门过程的传递路径分析模型，通过试验数据采集和LMS软件计算，得到不同部件对关门噪声声压大小和不同频率下的贡献量，为后续改善关门声品质提供数据基础。

1 TPA基础理论

TPA的基本思想来源于线性系统的思想。对于一个线性系统，输入与输出的关系可表示为其中h(t)为系统的传递函数。对于N个输入单个输出的系统，则输入与输出的关系为在研究汽车的噪声与振动时，系统是输入称为“源”，源通过汽车内的不同结构板件以及空气传递振动与噪声信号，称为“路径”，在所感兴趣的地方布置传感器采集振动或者声音信号，这些地方称为“接收点（目标点）”。通过计算每个激励源通过每条路径传递到接收点的响应，将这些响应叠加，便可得到接收点的总响应。将用该方法计算得到的接收点响应与实际用传感器测得的该接收点的响应进行比较，可以判断TPA的模型构建的是否准确。通过采用传递路径分析，可有效识别不同激励源对目标点的贡献量，为降低或改善噪声与振动提供基础[3～5]。

需要强调的是，TPA与普通的线性现象有所不同。当输入为带有相位的频谱时，传递路径分析需要进行矢量的叠加。在进行分组试验时，需要一个共同的参考点，以进行相位的叠加。

为了计算得到激励源到目标点的响应，需要知道激励源的信号以及源通过不同路径传递到目标点的传递函数。

1.1 激励力

在试验过程中，虽然激励源的信号输入有多种形式，但在分析汽车振动噪声问题时，最常采用的还是力输入。结构传递路径分析中常采用的激励力识别方法有：直接测量法、矩阵求逆法、动态复刚度法、单路径求逆法和激励点反演法等。本论文中采用的是矩阵求逆法，因此仅对该方法进行简介。

对于一个线性的振动系统，当有激励力F1，F2，…，FN存在时，存在响应（通常为加速度响应）A1，A2，…，Am。由系统方程得：

因此激励力可用下式估计：

或者简写为：

其中，{F(f)}为激励力组成的向量；{A(f)}为响应向量。本文中，在激励源附近粘贴加速度传感器，这些粘贴的点被称为参考点。加速度传感器测量1到3个平动自由度的加速度，因此A1，A2，…，Am为参考自由度。Hij为输入Fj到响应Ai的传递函数。

1.2 振动传递函数

在结构传递路径中，激励为振动，参考点和目标点的响应可能为振动或者声音，因此振动传递函数有两种形式：振-振传递函数和振-声传递函数。通常采用以下两种方法获得振动传递函数：力锤激励法和互易法。本文仅涉及力锤激励法。

当在激励源施加力锤激励信号时，激励信号通过各条路径传递到目标点。正如上文中所提到的，试验过程中会在激励源附近选取参考点并粘贴加速度传感器。因此激励力会同时引起参考点和目标点的响应。在本文所研究的关门声问题中，目标点放置的是采集声音信号的麦克风。因此激励点到参考点的传递函数即为振—振传递函数，即上文中的 ；激励点到目标点的传递函数为振—声传递函数，这里记为

图1 力锤激励法识别振动传递函数

设目标点的个数为q，则有：

由式(2)和式(4)可得：

试验过程中，激励力、加速度和声音信号均为已知，因此可以得到振—振传递函数[H(f)]m×N和振—声传递函数[T(f)]q×N。在实际工况中，根据式(5)，便可由参考点的加速度信号拟合出目标点的声音信号，同时得到各个激励源对目标点的声音贡献量。

2 TPA建模与试验

汽车在关门过程中，车门与车身、锁体和锁扣均会发生碰撞。因此认为汽车关门噪声的源为车门与车身发生碰撞的一圈结构（分别位于车门和车身上）、锁扣和锁体的碰撞点（分别位于锁扣与锁体上）。而实际上，车身与车门之间存在密封条，二者并不是直接碰撞。由于密封条具有明显的非线性特性，且难以用力锤激励，因此在试验中，力锤的激励点位于车门里侧和车身上密封条内部和附近的金属板件。锁扣和锁体的碰撞点也难以用力锤进行激励，因此试验过程中，激励源选在碰撞点附近的位置。再者，车门与车身发生碰撞的为一个环状结构，而力锤激励只能激励单个的点，因此需要进行离散化的处理。即虽然车门和车身的激励源分别只有一个，但不是传统的点激励源中的点，而是环状。因此把该环状激励源分解为若干段，当作同时存在的若干个点激励源。实际试验中，在车门与车身上分别选取了一些较好的点作为力锤激励点（激励源），这些激励点即为传递路径的起点（传递路径的终点为目标点）。

这里需要讨论一下以上的处理对试验结果准确性的影响。首先是密封条的非线性特性对试验的影响。根据TPA的基础理论，传递路径的分析仅涉及源（路径的起点）、路径和目标点（路径的终点）。在关门过程中，虽然车门与密封条碰撞，密封条的振动再引起车身的振动。但是车身上激励点的振动通过板件和空气的振动最终传递到目标点，传递路径上不会经过密封条，因此认为这些传递路径基本是线性的（这样处理就相当于认为密封条的振动不会引起噪声，对试验结果具有一定的影响）。其次是离散化处理对试验的影响。以本文中的车门为例，如果车门整个系统是完全线性的，即车门上不同点的振动始终存在线性关系，根据TPA的基础理论，仅一个激励点就能代表车门的振动，即能拟合出车门的噪声贡献。而实际上，车门不是完全线性的，因此选取足够数目的激励点能够较好的保证试验结果的准确性。

根据以上分析，并参考文献[2]，在车门里侧选取了9个激励点，仅考虑车门的Y向（整车坐标系，下同）振动，共有9条传递路径。由于要保证m≥2N，在车门外侧粘贴了18个单向加速度传感器（即为参考点）。对于车身，选取了8个激励点，考虑到车身上X，Y，Z三个方向都具有较为明显的振动，在车身上选取了16个参考点，粘贴三向加速度传感器。锁扣和锁体考虑激励源X，Y，Z三个方向的振动，因此分别具有三个传递路径，各需要6个参考自由度，即粘贴两个三向加速度传感器。如图9所示，为本文关门声试验的所有激励点和参考点的大致位置。

图2 测点模型

图3 加速度传感器布点位置

整个试验在半消声室内进行。使用的加速度传感器为PCB公司的ICP压电晶体加速度传感器，图3为实际试验中某些加速度传感器的布点位置。力锤采用PCB公司的ICP力锤。数据采集系统为LMS公司的SCADAS316。数据采集和记录软件为LMS Testlab。试验中选取了一个目标点——关门操作者耳朵中心。具体位置如图4所示。在该位置布置G.R.A.S公司的ICP压电式麦克风。

图4 目标点位置

试验主要分为两大部分：传递函数的测量和工况数据的采集。测量传递函数时，由于关门过程中车门和车身激励点的振动主要是Y向的振动，因此仅在Y向用力锤进行激励；对锁扣和锁体的激励点进行X，Y，Z三个方向的激励。力锤进行激励时，同时采集参考点的加速度信号和目标点的声音信号，即可同时得到振—振传递函数和振—声传递函数。由于试验条件的限制，试验分三组进行。采集工况数据时，为了保证每次关门速度大致相同，采用了橡皮筋（如图5所示）和一个速度传感器（如图6所示）。

图5 橡皮筋

图6 关门测速装置

3 试验结果分析

在LMS/TPA模块中，对车门、车身、锁体和锁扣上的各条路径对目标点的贡献进行合成，并与实际在目标点测量的关门声信号进行对比，得到结果如图7所示。从图中可以看出，通过TPA合成的目标点关门噪声与实测结果在频域上的趋势大体相同，验证了关门声传递路径建模及试验的准确性。

图7 目标点关门噪声合成与实测结果

实测噪声与合成噪声之间存在一定的差异，分析误差产生原因可能有以下四点：

1）本试验没有考虑空气传递路径（结构传递路径与空气传递路径所产生的噪声在本试验中难以进行分离）。实际上关门过程中密封条压缩挤压空气，直接引起空气振动，产生噪声；

2）试验为分组进行，每次采集工况数据时关门速度无法保证完全一致；

3）进行路径拟合时没有考虑车门与车身之间的路径耦合；

4）整个系统并不是完全线性的。

图8为各条路径对关门声的贡献谱图，图9为各条路径对关门声的贡献量。

图8 各条路径对关门声的贡献谱

图9 各条路径对关门声的贡献量

由图8可以看到，合成结果与实测关门声在频域上存在一定的差别，但基本相近。锁体和锁扣的Y向振动是所有路径中贡献最大的两条。而从图9可以看出，实测关门声与合成关门声的dB值基本相同。由于车身与车门上的传递路径是连续的环形，还需要将以上单个传递路径进行分组整合。

将路径分组，分为车门，车身和门锁，得到如图10所示结果。为了清晰的观察车身、门锁和车门在不同频率下对关门噪声的贡献，将其处理为1/3倍频程图，如图11所示。

图10 各组路径对关门声的贡献谱

从图10和11可以看到，车身振动产生的噪声主要是低频和中频噪声；车门产生的噪声主要集中在中频和高频；而门锁的噪声在低、中、高频都对关门声具有较大的贡献量。同时也可以总结出，汽车的关门声不仅与门锁的碰撞有关，与车门和车身的结构也密切相关。

需要指出，通过本试验得到的门锁对关门声的贡献，不仅包括门锁本身振动产生的噪声，也包括由于门锁受到激励而引起的车身与车门振动所产生的噪声。因此门锁在低、中、高频都具有较大的贡献量是合理的。

图11 各组路径贡献的1/3倍频程

4 结束语

本文根据TPA的基础理论，对汽车关门这一过程进行建模和试验，通过TPA的方法研究了汽车关门噪声的贡献因素和贡献量。与传统的传递路径不同的是，关门传递路径模型中激励源为一环状，并不是点激励源。因此本文在建模过程进行了离散化的处理，将环状的激励源看作是一定数目的点激励源。根据试验结果，首先验证了所建立的TPA模型的准确性。其次，得到了车身、车门和门锁三个部件对关门声的整体贡献量以及它们在不同频率下的贡献量。根据所得结果，可以为关门噪声的优化提供依据。

另外，本试验也得到了关门过程中各个激励点的关门力，为后续关门过程的谐响应分析提供数据基础。

[1] 范玮,孟子厚.汽车车门的声品质对汽车消费心理的影响[A].声频工程学术交流会[C].2006.

[2] Siavoshani S J,Vesikar P. Door Closing Sound Quality Methodology-Airborne and Structural Path Contributions[J]. SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems,2015,8(3).

[3] 余琪,周鋐.传递路径分析用于车内噪声贡献量的研究[J].汽车技术,2010,(03)：16-30.

[4] 施仁贵,周毅,靳畅.某商用车车内噪声传递路径分析与优化[J].佳木斯大学学报(自然科学版) ,2015,33(01)：59-63.

[5] 郭荣,万钢,赵艳男,等.车内噪声传递路径分析方法探讨[J].振动、测试与诊断,2007,27(03)：199-255.

[6] Parizet E, Guyader E, Nosulenko V.Analysis of car door closing sound quality[J]. Applied Acoustics,2008,69(1)：12-22.

[7] Kumar N J, Kumar R P S, Nair S. Experimental Approach to Improve the Door Slam Noise Quality in Utility Vehicles[J]. Applied & Environmental Microbiology,2004,70(3)：1393-6.

[8] 刘东明,项党,罗清,等.传递路径分析技术在车内噪声与振动研究与分析中的应用[J].噪声与振动控制,2007,27(4)：73-77.

[9] 赵彤航.基于传递路径分析的汽车车内噪声识别与控制[D].吉林大学,2008.

[10] 张立军,于佳.汽车关门振动与噪声特性试验分析[A].2009中国汽车工程学会年会论文集[C].2009.

The contribution to door closing sound research based on transfer path analysis

LU Ming-yang1, ZHOU Yi2, JIN Chang2, LI Bing-jie1

U467.1+2

：A

：1009-0134(2017)05-0068-05

2017-01-22

卢明洋（1992 -），男，河南信阳人，在读研究生，研究方向为汽车试验。