基于时域TPA 的加速声品质仿真和优化*

毛 杰 陈志东 邱 毅 周昌水 张亚楠 姚再起

（1-浙江吉利控股集团有限公司汽车工程学院 浙江 杭州 310000 2-吉利汽车研究开发（宁波）有限公司 3-浙江大学能源工程学系）

引言

宽泛地讲，整车结构NVH 问题可以大致分为动力和底盘NVH 两大类。其中，动力NVH 问题因工况复杂（怠速、加速、滑行、启动/熄火等）、问题频段宽（怠速低频抖动、加速低频轰鸣、滑行高频啸叫、启动低频冲击等），对内燃机车型的整车NVH 开发带来了很大的挑战。

在动力总成运行工况引起的整车振动和噪声仿真开发方面，王伟东等[1]基于CAE 预测了四缸发动机气体力激励和惯性力激励下的怠速工况座椅振动，结合传递路径分析提出了悬置支架优化方案，使振动性能达到设计目标。冯擎峰等[2]搭建整车有限元仿真模型，预测了节气门全开工况下的车内噪声，并准确地复现了3 300～3 700 r/min 实车加速轰鸣问题。石代云等[3]基于搭建了发动机与悬置系统多体动力学仿真模型，研究了不同悬置系统对整车启动性能的影响，发现当悬置系统的弹性轴与扭矩轴之间的距离减小时，车内振动会明显减小。

目前，在动力总成引起的整车结构振动和噪声的开发方面，工程师可以通过成熟的CAE 方法开展仿真分析和优化。然而，在整车声品质的开发方面，业内主要依赖于测试手段[4-5]，这也意味着动力总成引起的整车声品质问题[6]需要样车出来后才能评价，可能造成开发周期的延长、设计变更成本的上升、人力投入的增加等问题。

在上述背景下，本文基于时域传递路径分析（Transfer Path Analysis，TPA）方法，搭建了某轿车的整车仿真—测试混合TPA 模型，可以实现噪声的回放、编辑、以及仿真方案的效果评价。

1 时域TPA 理论

传递路径分析（TPA）目前已广泛应用于汽车NVH的开发工作中[7-8]，对于识别振动或噪声问题的关键路径、提出针对性的优化方向，具有直接且有效的作用。

常见的TPA 分为频域和时域两种。频域TPA 用工作载荷的频谱乘以传递函数的频谱，得到该条路径的频域贡献量，最后叠加所有结构声和空气声贡献路径得到车内总噪声。

而时域TPA 用工作载荷的时域时间与传递函数的逆FFT 做卷积，得到该条路径的时域贡献量。

时域TPA 方法在汽车NVH 开发中具有广泛的应用价值，比如：

1）内燃机车型的启动/熄火是一个瞬态工况，适合从时域上进行分析和优化；

2）声音的回放功能可以有效减少实车调教过程中的“试错”次数，提高开发效率，同样需要适合从时域上进行结构声和空气声的分析和优化。

2 加速声品质问题描述

在发动机加速过程中，通常会出现两类噪声问题，分别是加速轰鸣问题和加速声品质问题。

2.1 加速轰鸣问题

加速轰鸣问题普遍存在于三缸机和四缸机的传统动力配置车型中，一般由其点火主阶次噪声成分超标引起，如三缸机的1.5 阶和四缸机的2 阶噪声。在众多轰鸣问题中，发动机节气门全开（Wide-Open Throttle，WOT）轰鸣由于工况恶劣、激励大，是整车开发过程中最易出现且最难解决的NVH 问题之一[2]。但由于主阶次轰鸣问题通常出现在200 Hz 以内，依靠业内比较成熟的整车有限元仿真方法，已经可以准确通过CAE 手段进行复现和优化，如悬置衬套动刚度优化、悬置支架被动侧NTF 优化等，控制传递路径和车身灵敏度有效降低轰鸣。因此，相关工作不在本文中赘述。

2.2 加速声品质问题

近年来，随着发动机本体辐射噪声的持续降低以及200 Hz 以内的车内轰鸣问题的有效改善，在缺少相关噪声的掩蔽效应后，一些中高频段的动力总成噪声问题逐步突显了出来，其噪声特性给驾驶员或乘客带来一种“杂音”、“不好听”的主观感觉，本文统一称之为加速声品质问题。

加速声品质问题一般因为部分零部件在中高频段产生共振进而放大了激励或传递路径。在问题频段内，动力总成、悬置、车身等“来源-路径-响应”系统均存在引起加速声品质问题的元素，比如在300～500 Hz 甚至更高的频段内：

1）在来源上，发动机和变速箱的装配一致性、点火角对燃烧特性的影响等会导致中高频段的载荷扰动大，又因该频段内存在曲轴轴系的模态、动力总成的模态等，进而在相关模态频率下形成较大的激励。

2）在路径上，若悬置的主被动侧支架设计不合理，同样会在问题频段内出现支架的整体模态，进而引起路径的共振并放大激励的传递。另外，与低频段轰鸣问题不一样的是，加速声品质问题还会通过机舱的管路（如空调管路）的高频振动进行传递，控制难度也会加大。

3）在响应上，无论是悬置还是管路路径，因300 Hz以上车身存在大量的局部模态，因此通过车身钣金结构进行加速声品质的控制是一项难度非常大的工作，因此本文主要推荐前两种途径。

从以上描述中可以看到，加速声品质是对传统动力总成NVH 性能的更高要求，而且因其路径多、频段宽，单纯依靠CAE 的手段很难准确地复现问题并优化。比如，在整车有限元模型中，业内普遍的仿真方法无法考虑动力总成到管路的传递路径。

3 加速声品质仿真和优化

基于加速声品质的开发需求以及CAE 方法在该问题中的技术瓶颈，本文首先采用时域TPA 方法对某四缸机轿车的加速声品质问题进行复现，锁定关键贡献路径和问题频段，接着采用CAE 方法对特定频段的子系统进行优化。

3.1 基于时域TPA 的问题复现

某车型搭载涡轮增压四缸汽油机后，在3 挡全油门工况下存在加速声品质问题，主观“杂音感”较强。该工况下通过车内驾驶员耳旁传声器直接测得的车内噪声结果如图1 所示，其中横坐标是频率，纵坐标是转速。从图中可以看到，随着纵坐标转速的上升，在横坐标500～650 Hz 频段内一直存在共振带，即本文关注的加速声品质问题。

图1 车内噪声瀑布图：车内传声器测试结果

此时，因粗糙声激励特性和传递路径较为复杂，若不借助于有效的问题诊断手段，只能在实车上通过试错的方式进行问题排查，效率低且成本高。因此，本文采用时域TPA 方法进行加速粗糙声的诊断分析。加速声品质问题的排查主要分为结构声和空气声两大类，其中：

1）结构声是指动力总成和底盘结构传递的噪声成分，主要包括动力总成悬置、悬架转向节（轮心）、管路等结构传递路径。

2）空气声是指通过发动机舱内声场和车外空气声场传递的噪声成分，主要包括进排气口、发动机近场、变速箱近场等空气传递路径。其中，风噪和胎噪因与此加速共振带问题不相关，且在光滑转鼓半消声室内相关问题也不突出，为了减少排查工作量，本文忽略它们对加速声品质问题的贡献。

为了确保时域TPA 分析的准确性，需要对比车内传声器测试结果和TPA 多路径的合成结果，如图1 和图3 所示。从图中可以看到，图3 的时域TPA 合成结果和图1 的车内传声器测试结果相比，无论是低频段的阶次特性，还是中高频段共振带引起的加速声品质特性，两者都高度一致，从而证明了TPA 模型和结果的有效性，可以用于加速声品质问题的排查、分析和优化。

图3 车内噪声瀑布图：时域TPA 合成结果

3.2 多级TPA 问题分析

基于准确的TPA 结果，可以快速实现噪声贡献路径的合成和分解，从而确定加速声品质问题的主要贡献路径。

如图4 所示是加速声品质问题的第一级TPA 分解，即结构声和空气声的贡献量。从图中可以看到，加速声品质问题主要通过结构声路径传递到车内，空气声的贡献主要体现在低频段（本文主要指向进排气的阶次噪声）。因此，某个结构传递路径中存在模态，引起共振现象的产生并对动力总成的激励造成了进一步的放大，接下去需要锁定结构传递主路径。

图4 加速声品质TPA 分解：结构声和空气声贡献

如图5 所示是加速声品质问题的第二级TPA 分解，即由动力总成悬置、悬架、机舱管路组成的结构声主要贡献路径。本文因篇幅不再一一罗列各个路径、各个方向的瀑布图，最终确定结构声成分中，对500～650 Hz 共振带起主导作用的是右悬置的X 向，说明在车辆急加速过程中，因动力总成存在向后倾倒的现象，导致右悬置衬套出现X 向挤压，进而通过悬置支架共振或强迫振动传递到车内引起加速声品质问题。

图5 结构声主路径：右悬置X 向（优化前）

3.3 基于CAE 的问题优化

对于右悬置X 向结构声贡献路径，理论上可以通过“来源-路径-响应”三个方面进行优化。但由于实车阶段，“来源”的优化涉及动力总成模态、轴系模态、装配间隙等改进，将会造成动力总成的设计变更，对于一款成熟的动力总成而言并不是一项首选的工作；“路径”的优化主要针对悬置衬套的隔振性能改进，一般需要降低衬套的动刚度以提升隔振性能，对于启动熄火、怠速等工况的NVH 性能以及高速行驶工况的车辆动力学性能均会造成影响，同样不建议作为优化工作的首选；因此，“响应”的优化成为了实车阶段改进的重点。

如图6 所示是加速声品质问题的第三级TPA 分解，即形成右悬置X 向结构声“X 向激励×X 向噪声传递函数”中的X 向噪声传递函数。从图6a 中可以看到，右悬置的X 向噪声传递函数在500～650 Hz 频段内存在明显的峰值，从而使车内噪声出现了明显的共振带。通过模态分析发现，在问题频段内，右悬置被动侧支架存在柔性变形模态，如图6b 所示。

图6 右悬置被动侧支架X 向噪声传递函数和模态

在项目开发后期的实车调校阶段，因涉及到模具变更导致的周期延长和费用增加等问题，可以快速地通过吸振器等补救措施进行实车问题的解决。本文主要通过CAE 改变支架的模态、降低噪声传递函数的幅值，优化效果如图7 所示。从图中可以看到，优化方案使噪声传递函数下降了5～10 dB，共振带引起的加速声品质问题也得到了有效的改善（对比图5），并且实车验证后的主观评价也得到了一致的效果。

图7 右悬置被动侧支架优化效果

4 结论

本文针对复杂的加速声品质问题，采用时域TPA 方法进行了问题的分解，并结合CAE 方法开展了关键路径的分析和优化，可以为相关工程问题的解决提供技术参考。

1）基于TPA 技术多级分解技术，量化各个贡献路径的分解，实现复杂问题的聚焦。

2）通过试验-仿真混合的方法，充分发挥CAE在解决实车工程问题中的能力，解释问题的本质并提出针对性的有效方案，最终使关键路径噪声传递函数下降5～10 dB，有效改善了加速声品质问题。