基于传递路径分析对驾驶室内轰鸣问题的改进

李京福 鄂世国 葛鑫 郭风晨

（华晨汽车工程研究院）

如何改善驾驶室内的声学环境、降低车内噪声水平、提高车辆NVH 性能已成为当今汽车界研究的重点之一。大量研究和试验表明，发动机激励引起的车内结构噪声大部分由发动机惯性激励引起。基于子系统频率响应的传递路径分析（TPA），可确定各子系统的传递路径流入的激励能量在整个问题中所占的比例，识别对车内噪声贡献最大的传递路径。同时可以对比分析每条路径的传递函数和传递激励，综合分析引起传递噪声过大的原因[1]，对噪声传递路径识别及车内结构噪声控制具有重要的理论意义和工程价值[2]。基于此，文章以某SUV 为研究对象，针对其驾驶室内的噪声情况进行了分析与改善。

1 驾驶室内噪声

在某SUV 工装样车阶段，车内前排乘员主观感受发动机转速达到3 500 r/min 时，存在明显轰鸣声。通过加速噪声客观试验测试可以明显发现：加速噪声中2 阶成分在3 500 r/min 存在明显的峰值，且超出指标12 dB。鉴于试验方法查找问题较为困难，需借助仿真手段进行问题根源的查找。

在建模过程中应结合实际情况对模型进行适当简化。假设车身结构为线性系统，在该系统上所有激励力的分量和某接受体形成总的响应系统[3]。发动机通过3 个悬置点与车身相连，每个悬置考虑X，Y，Z 3 个平动自由度，则发动机振动共通过3×3 即9 条路径传递到车身。由此，影响驾驶室内噪声问题共有9 条传递路径。

2 车内结构噪声传递路径分析

总响应噪声主要是由载荷或噪声传递函数（NTF）决定的[4]。TPA 考虑来自各方向不同路径的所有贡献量构成的总响应，找出对车内振动噪声起主导作用的路径，通过优化具体问题路径，使车内振动噪声控制在目标值之内。通过有限元方法中的板贡献量分析快速地找出引起驾驶室轰鸣的板件，对其进行优化。

2.1 仿真模型创建

车身是噪声与振动的传递通道，各种噪声与振动源通过车身传入车内。分析车身结构的动态特性可以更好地掌握振动传递和噪声产生的机理，进而为车内噪声预测、传递路径分析以及板件声学贡献分析等提供依据。准确的有限元模型是查找问题的基础和前提，某SUV 的TrimmedBody 有限元模型，如图1 所示。

图1 某SUV TrimmedBody 有限元模型

激励力和频率响应函数是TPA 分析的输入量。本研究中发动机的激励力识别采用的是逆矩阵法，悬置处传感器布点，如图2 所示。使用所有的载荷和参考点之间的传递函数进行计算，通过被动侧测试点响应与传递函数逆矩阵相乘得到载荷力。

图2 某SUV 悬置传感器布点

2.2 仿真结果与试验结果对标

基于TrimmedBody 模型，在悬置中心处加载发动机加速实际激励，利用TPA 法得到驾驶室内的噪声响应。仿真与试验对标，如图3 所示。仿真问题频率出现在3 670 r/min 处，仿真结果与试验结果比较接近，可以接受。

图3 驾驶员右耳噪声曲线仿真与试验对比情况

在3 670 r/min 处，经过TPA 分析发现从发动机悬置Z 向到驾驶员右耳处路径的贡献最大，路径贡献量，如图4 所示。由于通过试验手段进行优化，需要在路径上增加方案不断验证，周期较长，而通过仿真手段则能够快速进行方案验证，指导设计进行工程更改。

图4 各路径到驾驶员右耳处噪声贡献量图

3 670 r/min 对应2 阶频率为122 Hz，在122 Hz 处驾驶员右耳噪声传递函数存在明显峰值，为54.9 dB，高于其他路径峰值，如图5 所示。

图5 发动机悬置Z 向传递函数示意图

3 问题根源查找

汽车受发动机激励力的作用，该力通过不同的传递路径引起车身结构板件的振动，从而向车内辐射大量噪声。因此为了准确找到车内的辐射板件，需要进行板贡献量分析。由于查找问题板件的精确程度取决于板划分的细致程度，对于较大且垂直于X 向的板件（如风挡、火墙、下横梁等）需要划分成2～3 块板。板块划分，如图6 所示。

图6 某SUV 耦合板划分示意图

板贡献量分析，如图7 所示。通过板贡献量分析发现：右侧玻璃下横梁贡献最大，为44.5%；其次为右侧风挡玻璃贡献，为20%；右侧火墙贡献21.1%。由此可见，122 Hz 处NTF 产生峰值是由于右侧局部振动并与声腔产生耦合引起的，并且右侧玻璃下横梁出风口处贡献最大。

图7 板贡献量分析图

利用工作模态动画（ODS）分析发现：122 Hz 处声腔沿X 向的模态与出风口的局部振动发生耦合，如图8 所示。由于NTF 的峰值取决于板件的振动，因此可以锁定其为噪声问题的来源。

图8 122 Hz 汽车空调出风口ODS 示意图

4 方案改进

4.1 仿真验证

实车测试时，将动力吸震器放置在仿真方法找出的问题来源位置，驾驶员右耳处噪声峰值明显下降，轰鸣问题得到改善。进一步分析发现，此SUV 车型下横梁靠近空调出风口，板件厚度为0.8 mm，上下跨度较大，且没有局部支撑。利用仿真模型，在空调出风口附近增加2 个立板，分别沿着出风口上下支撑和斜向搭接到流水槽上方，如图9 所示。

图9 某SUV 空调出风口改进方案示意图

优化后，在122Hz 处，从发动机悬置Z 向到驾驶员右耳的NTF 明显改善，前后对比情况，如图10 所示。

图10 某SUV 空调出风口优化前后噪声对比示意图

4.2 测试验证

根据仿真验证的方案进行样件试制，并用于实车主观测评和客观数据测试。实车方案，如图11 所示。

图11 仿真验证后的样件用于实车方案示意图

最终实车主观感受驾驶员右耳轰鸣问题消失，经客观评价，在3 500 r/min 处的噪声响应峰值由75 dB下降到64 dB，下降明显，虽略高于指标，但可接受。改进前后噪声响应对比情况，如图12 所示。

图12 改进前后实车噪声响应曲线对比图

5 结论

文章针对某款SUV车型发动机转速达到3 500 r/min时产生的轰鸣问题，基于TPA 分析原理，并利用仿真手段进行问题根源的查找，最后结合试验对车内噪声问题进行改善。通过轰鸣问题的解决分析，证明了基于TPA 方法，利用TrimmedBody 模型计算整车发动机加速噪声方法的可行性和适用性，同时也证明了TPA 方法是一种能够快速、高效解决驾驶室轰鸣问题的方法。文章中空调出风口的设计缺陷，也为设计师提供了应避免无特征大板件设计的设计思路。板件的辐射振动对轰鸣问题有较大影响，可能引起整车NVH 问题。因此在开发前期设计时，要尽量提高板件的刚度，使其与声腔模态和发动机激励频率错开，防止共振的发生。