基于OTPA方法的乘用车路面噪声传递路径分析

陈 克，房 旭

(沈阳理工大学 汽车与交通学院，沈阳 110159)

车辆路面行驶时，车内噪声的贡献来自多个噪声源，主要有动力总成噪声、路面噪声、风噪等，这些辐射噪声按照传递路径种类可分为结构噪声和空气噪声两大类[1]。车辆中速行驶时，由于空气噪声自身特性的缘故，对车内噪声影响较小，可以认为车内噪声主要来自于路面激励造成的结构噪声[2]。

有限元法、能量统计法和实验测试技术的应用初步解决了汽车振动噪声问题，王登峰等[3]通过建立数学模型计算出车内噪声的大小，降低了车辆前期正向开发的工作量。Hashioka M等[4]运用坐标转换技术，应用于车身结构噪声优化。李华良等[5]运用数值模拟技术，通过建立路面激励引起车内噪声的CAE模型，验证了实验和仿真结合的可能性和准确性。

传递路径分析(Transfer Path Analysis，TPA)最早源于Verheij J W提出[6]，经过多年的深入研究，衍生出工况传递路径分析(Operational Transfer Path Analysis，OTPA)、多参考传递路径分析、拓展工况传递路径分析等多种用于对路径贡献量的分析方法。

OTPA方法被德国MUELLER-BBM公司首先提出，该方法在被测物实况运行条件下测试，无需拆装被测物，基于系统的输入和响应信号计算传递率函数[7]，保留了系统最原始真实的传递特性，迅速得到了工程实践领域的广泛应用。伍先俊等[8]利用OTPA方法对车辆路面噪声进行分析，研究结构振动和声激励对驾驶员右耳侧的贡献。刘念斯等[9]在路噪研究中采用了将OTPA结合传递函数分析的方法，提高了问题诊断的准确性。

本文基于OTPA方法的基本理论和分析流程，建立路面、车轮、悬架、车身、驾驶室的36条振声传递路径模型，并对某国产SUV车型40km/h速度在粗糙路面行驶时车内噪声较大的问题进行分析，研究路面激励对于车内噪声的贡献量，利用奇异值分解技术对工况数据进行处理，验证路噪模型的准确性，并指出峰值频率点车内噪声较大的原因。

1 OTPA方法基本原理

在传统TPA方法中，假设系统是线性时不变的，系统的输入信号沿着各自的传递路径到达输出位置，叠加贡献至目标点，其传递特性可表示为

(1)

(2)

式中：Yk表示系统的输入信号；Xi表示系统的输入信号；Hik表示对应路径的传递函数。式(2)的矩阵形式表示为

Y=XH

(3)

在OTPA方法中，式(3)的输入和输出信号皆为工况条件下同时测得的。以振声传递模型为例，X为路径输入点处被动端的响应信号，Y为目标点的噪声响应信号，此时工况下的传递函数H变为传递率A，即

Y=XA

(4)

矩阵表达式为

(5)

式中：m为路径数；n为数据采集点数；r为输出信号路径数目。

通常输入矩阵不是方阵(m≠r)。因此在计算传递函数时就要用到最小二乘原理来估计传递函数矩阵的元素，其表示为

A=(XTX)-1(XTY)=X+Y=G-1xxGxy

(6)

式中：A为传递率矩阵；X+为X的广义逆矩阵；Gxx为输入变量的自功率谱矩阵；Gxy为输入和输出变量的互功率谱矩阵。

为保证传递函数的正常求解，测试工况数r必须要大于路径数m。但由于输入信号存在相互串扰和相关性，求解传递率函数误差较大，奇异值分解(SVD)作为一种矩阵分解方法，具有很好的消除串扰效果。为避免上述错误的发生，需要对X矩阵进行奇异值分解，即

Xn×v=Un×n∧n×v

(7)

(8)

此时的输出信号为

(9)

各路径的贡献量为

(10)

2 路面噪声OTPA模型的建立与验证

当车轮在粗糙路面上行驶时，不平路面输入给轮胎随机的振动激励，振动从胎面传至轴头，再从轴头分别通过悬架、副车架等部件传至车身，最终激励起车身上的板件模态从而产生噪声。

2.1 路面噪声OTPA模型的建立

某国产SUV车型主观评价时，发现当车辆以40km/h速度在粗糙路面行驶时，车内噪声较为明显，严重影响车内乘员的舒适性。由于悬架结构比较复杂，路噪OTPA模型主要分析前后悬架与车身的安装点的传递情况，建立的路噪OTPA模型如图1所示。

图1 路噪OTPA模型示意图

测试车辆前悬架为麦弗逊式独立悬架，其中转向机和下控制臂都是安装在前副车架上，前减震器与车身左右共2个安装点，副车架与车身左右共6个安装点。后悬架为扭力梁式非独立悬架，其中后纵臂与车身左右共有2个安装点，后减震器与车身左右共2个安装点。以悬架到车身共12个连接点36个方向的振动加速度作为输入变量，车内噪声的声压信号作为输出变量，建立多输入单输出路噪传递路经，如表1所示。

表1 路噪传递路径表

2.2 OTPA测试

测试实验共采集2组工况数据，第一组采用匀加速到40km/h的工况数据计算传递率；第二组采用40km/h匀速行驶时工况数据用于右耳噪声拟合值的计算，两组工况数据的使用方法如图2所示。测试方法依据GB/T 18697-2002《声学汽车车内噪声测量方法》进行；测试设备主要有LMS数采设备、PCB三向加速度传感器、GRAS传声器等；测点位置为表1中12个安装点的X、Y、Z方向。

图2 工况数据使用示意图

为保证输入矩阵自功率谱的可逆性，应使输出信号中的路径数目多于设定的传递路径数目。又由于工况测量时输入信号间存在串扰和耦合等不良因素，因此对得到的数据进行奇异值分解处理。根据路噪OTPA模型，计算得到拟合的车内噪声声压输出信号，并将其与实测信号做对比，结果如图3所示。

图3 车内噪声实测信号和拟合信号对比图

由于车辆在中速行驶时，车内噪声主要来自于路面不平激励通过悬架传至车身的低频结构噪声，集中表现在400Hz以下[10]。图3中对40km/h车内噪声拟合信号和实测信号比较可知，两者在0～400Hz所关注的低频区域趋势基本一致，吻合性较好；曲线拟合效果较好，验证了所建立路面噪声OTPA模型的准确性，但在局部频率段内还存在一定的误差。考虑产生误差的主要原因有

(1)建立模型时只考虑了结构路径中悬架与车身主要连接点对驾驶员右耳噪声的影响，忽略了一部分路径对车身的激励，存在车身结构非重要路径遗漏的问题；

(2)实验时，驾驶室的密闭程度有限，存在空气路径向车内泄露噪声的影响。

3 OTPA结果分析

3.1 各激励位置总声压级贡献分析

根据上述OTPA模型，计算得到工况下0～400Hz全频段车内噪声的A计权总声压级贡献，如图4所示。在36条路径贡献量中左后纵臂Z方向对驾驶员右耳侧响应噪声的贡献量最大，为46.9dB(A)；左前减震器X、Y、Z三个方向的贡献量普遍较高，分别为X方向46.34dB(A)，Y方向43.41dB(A)，Z方向46.32dB(A)，平均贡献量远远高于其他位置，为主要的改进位置。

图4 各输入路径对车内噪声贡献量

3.2 峰值频率点分析

图5为车内噪声拟合信号A计权声压级，声压级从开始到163Hz成逐渐快速增大的趋势，并最终呈均匀波动状。在163～182Hz声压级迅速减小，并且在实测信号中也表现出这一特点，考虑是油门间隙导致的发动机噪声泄露突然减小所致。在182～230Hz内，声压级整体表现较大，且呈突增趋势，其中在217Hz达到峰值最大。在230Hz以后，声压级呈逐步变小的趋势，并逐渐趋于平稳。在整个研究频率范围内，声压级最高的峰值频率为217Hz。

图5 车内噪声拟合信号A计权声压级

3.3 峰值频率处噪声贡献分析

图6为峰值频率点217Hz处关键路径贡献量图。

图6 峰值频率点217Hz处关键路径贡献量图

如图6所示，在峰值频率217Hz处，贡献量最大的五条路径依次是左前减震器X方向38.82dB(A)、左前减震器Y方向37.83dB(A)、前副车架左后安装点Y方向31.53dB(A)、前副车架右中安装点Y方向30.23dB(A)、右后纵臂Z方向29.67dB(A)。

由于根据峰值频率217Hz处各路径贡献量无法确定具体造成峰值频率点声压值较高的原因，即是输入激励过大还是传递率过大从而放大了整个路径贡献量，因此要做具体分析。

3.4 关键路径的输入激励与传递率函数分析

图7为关键路径输入激励频谱图。

图7 关键路径输入激励频谱图

由图7可知，在峰值频率217Hz处，路径输入激励最大的是左前减震器X方向，为6.93e-3g；其次为右后纵臂输入激励为6.85e-3g；第三为左前减震器Y方向输入激励，为4.70e-3g。而前副车架左后安装点Y方向和前副车架右后安装点Y方向输入激励较小，不是主要的输入激励源。

图8为关键路径传递率曲线图。

图8 关键路径传递率曲线图

由图8可知，在峰值频率217Hz处，前副车架左后安装点Y方向、左前减震器Y方向、前副车架右中安装点Y方向传递率较高且差别不大；而左前减震器X方向和右后纵臂Z方向的传递率较小。

综合图7和图8，在峰值频率217Hz处，左前减震器X方向贡献量最大，是输入激励较大导致的；左前减震器Y方向贡献量较大，是输入激励和传递率都较大共同作用的结果；前副车架左后安装点Y方向贡献量较大，是因为路径传递率较大导致的。

4 结论

应用奇异值分解技术的OTPA方法，对某型国产SUV车辆车内路面噪声进行研究，分别建立路面、车轮、悬架、车身、驾驶室的36条振声传递路径到车内主驾右耳的OTPA模型，得出以下结论。

(1)将OTPA方法应用于研究车辆行驶工况下车内噪声的方法是可行的，经此模型得到的车内噪声拟合值和实测值差别不大，吻合性较好，能较为全面的反应各路径的传递特性，OTPA方法得到了较好的验证。

(2)利用各路径的总声压级贡献量图可以快速定位重点的改进路径；利用车内噪声频谱图，定位峰值频率为217Hz；通过分析峰值频率的输入激励和传递率的大小，进行噪声源的确定。