噪声传递函数在车内结构噪声优化中的应用

赵敬

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

NVH 性能是决定汽车品质感的重要指标，振动和噪声控制已成为现代汽车开发过程中必不可少的控制指标。车身噪声传递函数能够有效地在汽车设计阶段进行声固耦合分析，预测车内振动噪声水平，从而尽早发现和改进潜在的设计问题，目前已在NVH 性能开发中广泛应用。文章以某车型为研究对像，通过噪声传递函数分析确定引起车内噪声的主要工况及所对应的振动频率，借助模态分析、模态与面板贡献量分析，确定车身振动较大的板件，并以此为基础，进行优化，降低车身板件振动和车内噪声。

1 噪声传递函数的原理

噪声传递函数（NTF），也称声学灵敏度。车身的NTF 表示施加于汽车车身的输入激励载荷与车内参考点输出噪声之间的对应函数关系，对车内噪声控制有着重要的影响，表现结构与车内声腔的固有特性。

NTF 的数学表达式，如式（1）所示。

式中：H——传递函数；

P——车内声压响应，Pa；

F——输入点激励力，N。

NTF 主要考察车身上关键点（车身与底盘以及动力系统的连接点）和车内目标位置（驾驶员右耳）输出声压级之间的对应函数关系。由式（1）可知，响应点的声压不仅与激励力有关，也与NTF 有很大关系，式（1）中激励力指的是振动通过悬置传递到车身连接点的激励力[1]。通过输入点的传递函数曲线和参考线评价每个激励方向是否满足设计要求，识别出关键的路径以进行优化。

2 分析模型及结果

2.1 分析模型

NTF 分析的有限元模型包括车身结构内饰车身（TB）模型和声腔模型两部分，如图1所示。TB 模型包括白车身、仪表板、转向系统、闭合件、座椅以及与车身相连的附件等，对刚度影响较小的一些部件用集中质量模拟，并用柔性单元（RBE3）与车身连接。地毯和阻尼片等用均布质量模拟。

图1 内饰车身及声腔有限元模型

整个系统不施加任何约束，为自由状态，在车身与动力系统及底盘系统连接点上施加载荷，共11 个接附点，如图2所示。在0～300 Hz 的频率范围内，分别沿着X，Y，Z 3 个方向施加 1 N 的单位载荷。在车内声腔，以驾驶员右耳为响应点，输出其声压级，考察其在不同工况下的噪声水平。

图2 车身接附点

2.2 分析结果

采用MSC.Nastran 软件求解，得到每个工况下响应点的噪声频率响应曲线，并与目标曲线进行对比，对不满足设计目标的曲线进行统计和分析。根据工程经验，目标值设定为55 dB。

通过统计分析发现，在重点关注的20～200 Hz 频率范围内，左后减振器接附点Y，Z 向激励，驾驶员右耳声压级响应曲线超出目标，声压级响应最大值分别为60.8 dB 和57.7 dB，对应的激励频率分别是52 Hz 和24.5 Hz，如图3所示。

图3 左后减振器接附点噪声传递函数曲线

3 结构优化

对上述不满足目标工况的激励频率进行分析，判断引起噪声的原因，主要分析方法有接附点动刚度分析、模态和面板贡献量分析等。

首先从接附点的动刚度方面考虑，左后减振器Y 向的平均动刚度是8 570 N/mm、Z 向的平均动刚度是27 961 N/mm，均满足大于目标值（5 000 N/mm）。

从结构模态贡献量看，左后减振器Y 向激励，52 Hz 附近结构模态献量最大的是114 阶，如图4所示。车身模态振型，如图5所示。

图4 车身结构模态贡献量

图5 第114 阶车身模态振型（54.63 Hz）图

声腔模态贡献最大的是第2 阶，如图6所示，声腔模态振型，如图7所示。

图6 车身声腔模态贡献量

图7 车身第2 阶声腔模态振型（59.32 Hz）图

板件贡献量最大的是后背门内板和后背门玻璃，如图8所示。

图8 汽车板件贡献量

同理找出，左后减振器Z 向激励，在24.5 Hz 附近，对NTF 影响比较大的因素也在后背门上，第26 阶模态频率为25.31 Hz，振型如图9所示。

图9 车身第26 阶结构模态振型图

通过以上综合分析，发现左后减振器激励，驾驶员右耳声压级超标，主要是由于后背门刚度不足，内板振动较大，与声腔的2 阶模态耦合引起的[2]。声腔结构修改可能性不大，故对后背门结构进行优化，在后背门内外板之间添加支架并将后背门内板的厚度从0.6 mm增加到0.8 mm，如图10所示。

图10 汽车后背门支架优化方案示意图

图11和图12分别示出左后减振器Y，Z 向激励，驾驶员右耳NTF 在优化前后的对比。从图11和图12可以看出，优化后，驾驶员右耳NTF 曲线有显著的改善，在整个频率范围内，声压级响应均低于55 dB，满足目标要求。

图11 左后减振器Y 向激励NTF 优化前后曲线对比

图12 左后减振器Z 向激励NTF 优化前后曲线对比

4 结论

文章对某车型进行噪声传递函数分析和优化，通过模态分析、模态与面板贡献量分析等手段，系统地阐述了噪声峰值产生的原因，提出了优化解决方案，降低了由声腔与结构模态耦合引起的车内噪声，为NTF 优化分析提供了思路。NTF 在车内噪声控制中具有较高的使用价值，能有效避免车身NVH 性能开发的风险，降低开发成本。