试验与仿真相结合的某结构噪声优化分析

孙俊刚

摘要：针对某车型投产试制阶段被抱怨的轰鸣声结构噪声进行了试验优化与仿真优化。试验验证了该结构噪声来源于顶棚的局部振动，通过加装质量阻尼器可以消除该轰鸣声。但是考虑到成本，需要寻找替代方案。通过仿真，将前横梁加厚到2mm可以满足该结构噪声的优化需求。

关键词：结构噪声；试验；仿真；优化

中图分类号：TP31 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）12-0268-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Optimized Analysis of A Certain Structure Noise Combined with Test and Simulation

SUN Jun-gang

（Aviation Engineering Institute， Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China）

Abstract： Experiment optimization and simulation optimization for the booming structure noise that was complained during the trial production phase of a certain car. It was verified through test that the structural noise coming from the local vibration of the roof panel， and the booming noise could be eliminated by adding a mass damper. But considering the cost， an alternative solution was needed. With the help of simulation， adding the thickness of front beam to 2mm meet the optimization requirements of the structural noise.

Key words： Structural noise； Test； Simulation； Optimization.

1 引言

近年来，随着人们生活水平的提高和汽车工业水平的日益进步，人们对汽车的要求不再仅仅局限于安全、省油、操控等等，而是越来越注重开车的品质，对汽车的NVH性能更加重视。各大汽车厂商也在逐渐加大对NVH研发的投入。

在NVH领域，噪声分为结构噪声和空气噪声，其主要区别在于传播路径不同。空气噪声是指声源发出的声音直接向外辐射，在空气中进行传播，最后到达接受者的位置。结构噪声是指振源激励结构振动，通过结构振动引起接受者附近的结构振动，振动的结构再向外辐射噪声到达接受者的位置。例如敲击杯子发出的声音属于空气声，电视中人通过耳朵贴靠墙壁听声音属于结构声。结构噪声一般为低频噪声，空气噪声一般为中高频噪声。

某一轿车车型在投产试制阶段，经过驾评，被抱怨当发动机转速在1200rpm附近时驾驶员位置感受到较为明显的轰鸣声（booming）结构噪声。为了探究这一结构噪声的来源并消除该噪声，需要对问题进行复现并采集相关数据进行分析。本文将从试验和仿真两个方面来对该轰鸣声进行优化分析。

2 试验分析

2.1 试验准备与问题再现

首先，为了对该轰鸣声结构噪声进行分析，需要对该结构噪声进行复现和噪声信号采集。因此，选取被抱怨的车型进行试验，该车型为一手动挡轿车车型，无天窗，车辆运行状态良好。为了采集该结构噪声，选用朗德科技的Head Acoustic DATaRec 4 DIC24数据采集前端进行数据采集，将麦克风布置在驾驶员的左耳附近（FLOE，Front left outer ear）进行噪声信号采集。试验的工况为2挡和3挡的全油门加速工况，即WOT（Wide open throttle）。

经过对试验数据进行分析，发现在1100-1300rpm范围内大约40Hz左右，存在着较明显的噪声峰值，如图1和图2所示。从图中可以看出，在1200rpm附近40Hz位置有明显的噪声峰值，为60dBA左右，该噪声即为被抱怨的轰鸣声结构噪声。

2.2 试验优化

结合该车型设计阶段的模态图，发现40Hz恰为顶棚的局部模态，且根据以往类似车型的工程经验，合理推断极有可能是发动机振动激励起顶棚的局部振动，从而导致了驾驶员位置的轰鸣声。为了验证该推测，决定在前挡风玻璃与顶棚相接处的顶棚前横梁上安装质量阻尼器，共选取了三种频率的质量阻尼器，其对应的主要吸振频率范围分别为40Hz、43.6Hz和47Hz。质量阻尼器的安装位置如图3所示。

安装质量阻尼器后，分别进行2挡全油门加速和3挡全油门加速试验，同时进行试验数据采集和数据分析。经过驾驶员的反馈，在加装了质量阻尼器后，轰鸣声有减弱甚至消失的跡象。试验数据分析结果如图4-图7所示。其中图4和图6分别为2挡和3挡全油门加速下的噪声频谱彩图，从左至右分别为原车、安装40Hz质量阻尼器、安装43.6Hz质量阻尼器和安装47Hz质量阻尼器的噪声频谱彩图。图5和图7为2挡和3挡全油门工况下提取的2阶噪声频谱曲线图，红色、蓝色、紫色和绿色线分别表示原车、安装40Hz质量阻尼器、安装43.6Hz质量阻尼器和安装47Hz质量阻尼器的噪声阶次曲线图。

从噪声频谱彩图和曲线图可以看出，无论是2挡还是3挡全油门加速工况，在加装了质量阻尼器后，1200rpm附近40Hz左右的噪声峰值被明显削弱，其中40Hz和43.6Hz的质量阻尼器使该轰鸣声峰值降低了3dBA左右，47Hz的质量阻尼器使该轰鸣声峰值有7dBA的改善。可见，顶棚的局部振动正是该轰鸣声的来源，而加装质量阻尼器就能消除该轰鸣声。

3 仿真分析

由于单个质量阻尼器的成本有几十元，虽然其能解决顶棚局部振动产生的轰鸣结构噪声，但是对于企业来讲成本过于高昂。在已经确定噪声来源的情况下，应寻求其他成本较低的方案来优化该结构噪声。因此，需要借助于有限元仿真来寻求其他可代替方案。

图8所示为该车型有限元模型在40Hz的模态振型图。从图中可以看出，在顶棚与前挡风玻璃相接处为顶棚的局部模态。考虑到该位置有一根横向布置的厚度为0.7mm的前横梁，为了消除该局部模态，应该加强前横梁的局部刚度。在考虑成本的基础上，以增加厚度的方式来增加刚度。共提出四种方案，四种方案对轰鸣声的优化情况如表1所示，其中方案4是为了与试验进行对标。图9为前梁的结构图，图10为驾驶员右耳处在2挡全油门加速工况下的仿真结果频谱曲线。

综合考虑优化效果和成本，方案3是最有效的。在仅增加厚度的情况下达到了较好的轰鸣声优化，相对方案4成本也较低。因此将方案3作为该轰鸣声的解决措施。

4 结论

本文针对在驾评过程中出现的轰鸣声结构噪声，通过试验和仿真的办法分别进行了优化。试验选取了三种频率的质量阻尼器进行测试，结果发现安装了质量阻尼器后轰鸣声有明显改善，基本可以断定为顶棚的局部振动导致轰鸣声的产生。考虑到质量阻尼器成本较高，因此用仿真的方法寻找成本低廉的替代方案。最终发现，将前横梁厚度增加到2mm可以基本满足轰鸣声优化需求。本优化结合了试验与仿真，仿真为试验提供思路，试验为仿真提供佐证，再由仿真进行多种方案的综合优化。

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