傳遞路徑分析在車內(nèi)噪聲優(yōu)化中的應(yīng)用

彭潔 任增杰 方華

傳遞路徑分析在車內(nèi)噪聲優(yōu)化中的應(yīng)用

彭潔 任增杰 方華

（北京汽車集團(tuán)越野車研究院）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)某款越野車車內(nèi)噪聲性能進(jìn)行前期預(yù)測和優(yōu)化，運(yùn)用Altair公司HyperWorks軟件NVH-Director模塊搭建了“整備車身+整備車架”分析模型。通過傳遞路徑貢獻(xiàn)量分析找到影響車內(nèi)噪聲的關(guān)鍵路徑，并結(jié)合模態(tài)貢獻(xiàn)量分析識(shí)別出車身頂棚為關(guān)鍵影響部位。以整備車身結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化對(duì)象制定優(yōu)化方案，優(yōu)化后車內(nèi)噪聲比優(yōu)化前降低了約6 dB（A），達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。

1 前言

汽車車內(nèi)噪聲特性是汽車乘坐舒適性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。在進(jìn)行汽車NVH問題的分析與改進(jìn)過程中,如果能準(zhǔn)確判斷出各主要激勵(lì)源和傳遞路徑的貢獻(xiàn)量,并對(duì)貢獻(xiàn)量大的位置進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,則能夠大幅提高汽車開發(fā)效率。傳遞路徑分析方法能夠準(zhǔn)確判斷各路徑輸入的激勵(lì)能量在整個(gè)問題中所占的比例，找出傳遞路徑上對(duì)車內(nèi)噪聲起主導(dǎo)作用的環(huán)節(jié)，通過控制主要環(huán)節(jié)參數(shù)（激勵(lì)源大小、路徑的聲學(xué)靈敏度等）在合理的范圍內(nèi)，可使車內(nèi)噪聲控制在預(yù)定的目標(biāo)值內(nèi)【1】。

與具有承載式車身的車型相比，越野車因具有“非承載式車身+車架”結(jié)構(gòu)，其車內(nèi)噪聲的控制路徑更為復(fù)雜。為此，本文針對(duì)某越野汽車的NVH性能開發(fā)，在設(shè)計(jì)階段運(yùn)用Altair公司HyperWorks軟件NVH-Direc?tor模塊搭建分析模型，通過傳遞路徑分析識(shí)別出影響車內(nèi)噪聲的關(guān)鍵路徑和關(guān)鍵部件位置并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)噪聲的前期預(yù)測和控制。

2 車內(nèi)噪聲傳遞路徑分析

2.1 傳遞路徑分析原理

車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲主要是低頻噪聲，其產(chǎn)生的原理是振動(dòng)源將振動(dòng)傳遞至車身引起車身壁板的振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲聲波，并通過車內(nèi)空氣傳遞到人耳【2】。傳遞路徑分析是一種分解方式，即在激勵(lì)源施加的載荷作為輸入的情況下，將車內(nèi)乘員耳旁噪聲作為輸出的整體響應(yīng)分解為每個(gè)接附點(diǎn)位置的局部貢獻(xiàn)。

各輸入與輸出的傳遞函數(shù)【3】為：

式中，H(ω)為傳遞函數(shù)，又稱聲學(xué)靈敏度；P(ω)為輸出點(diǎn)（車內(nèi)乘員耳旁噪聲）聲壓級(jí)，參考聲壓為20×10-6Pa/N，可做A計(jì)權(quán)；F(ω)為輸入點(diǎn)激勵(lì)力。

對(duì)整體響應(yīng)的局部貢獻(xiàn)由通過每個(gè)連接點(diǎn)的傳遞力乘以相應(yīng)的傳遞函數(shù)得到【3】：

式中，Pi(ω)為第i條路徑所產(chǎn)生的輸出點(diǎn)聲壓級(jí)；Fi(ω)為第i條路徑所對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)激勵(lì)力；Hi(ω)為第i條路徑所對(duì)應(yīng)的輸入與輸出的傳遞函數(shù)。

貢獻(xiàn)量分析是將每條傳遞路徑對(duì)整體車內(nèi)噪聲的影響程度進(jìn)行排序，通過識(shí)別出關(guān)鍵路徑以指導(dǎo)后期優(yōu)化。

2.2 傳遞路徑分析模型建立

針對(duì)某款越野車的車內(nèi)噪聲分析結(jié)果和優(yōu)化目標(biāo)，建立“發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)-整備車架-整備車身-駕駛員耳旁噪聲”傳遞路徑分析模型，如圖1所示。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心通過動(dòng)力總成懸置與整備車架連接，整備車架通過4對(duì)車身懸置（圖1中黑色圓點(diǎn)位置）與整備車身連接。動(dòng)力總成懸置和車身懸置采用BUSH單元，并賦以相應(yīng)的動(dòng)剛度值。

分析模型前處理采用Hypermesh軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，共建立1 855 553個(gè)單元、1 704 346個(gè)節(jié)點(diǎn)；車身板件材料為鋼，其彈性模量取為206 800 MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

通常整車激勵(lì)源主要來自發(fā)動(dòng)機(jī)和地面，本文主要分析怠速工況，所以不考慮地面激勵(lì)。邊界條件為在發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心位置輸入單位扭矩（1 N·mm）正弦激勵(lì)，以實(shí)現(xiàn)各頻率都有激勵(lì)能量。

應(yīng)用NVH-Director軟件模塊對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行響應(yīng)分析和傳遞路徑分析，分析頻率范圍為100 Hz內(nèi)低頻區(qū)域。

2.3 傳遞路徑分析

因車身結(jié)構(gòu)的聲學(xué)靈敏度（各車身懸置與車身側(cè)連接點(diǎn)到駕駛員耳旁噪聲的傳遞函數(shù)）是由其自身結(jié)構(gòu)所決定的，所以主要以整備車身結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化對(duì)象，通過對(duì)比相同激勵(lì)下的車內(nèi)噪聲響應(yīng)變化來驗(yàn)證車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果，主要從車內(nèi)噪聲響應(yīng)、傳遞路徑、激勵(lì)源三方面進(jìn)行分析【5】。

2.3.1 車內(nèi)噪聲響應(yīng)分析

經(jīng)計(jì)算，車內(nèi)駕駛員耳旁噪聲響應(yīng)如圖2所示。

由圖2可看出，在頻率為23 Hz處駕駛員耳旁噪聲峰值明顯。因該越野車配置四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速2階激勵(lì)頻率為23.3 Hz（怠速轉(zhuǎn)速為700±50 r/min），車內(nèi)噪聲響應(yīng)峰值對(duì)應(yīng)的頻率（23 Hz）與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率（23.3 Hz）接近，存在共振風(fēng)險(xiǎn)，故作為優(yōu)化頻率。

2.3.2 傳遞路徑分析

本文以整備車身結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化對(duì)象，整備車架結(jié)構(gòu)保持不變。為識(shí)別各車身懸置與車身側(cè)連接點(diǎn)到駕駛員耳旁的各傳遞路徑對(duì)怠速車內(nèi)噪聲的影響程度，進(jìn)行了傳遞路徑貢獻(xiàn)量計(jì)算。各傳遞路徑貢獻(xiàn)量分布如圖3所示，主要傳遞路徑貢獻(xiàn)量（10%以上）統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所列。

表1 主要傳遞路徑貢獻(xiàn)量（10%以上）

由表1可知，影響23 Hz頻率響應(yīng)的主要傳遞路徑貢獻(xiàn)量由大到小的排序?yàn)榈?車身懸置、第3車身懸置、第1車身懸置。

2.3.3 激勵(lì)源分析

當(dāng)整備車身結(jié)構(gòu)傳遞性能不變時(shí)，減少對(duì)整備車身的激勵(lì)源輸入也是降低車內(nèi)噪聲的一個(gè)重要方面。對(duì)整備車身而言，其激勵(lì)源主要來自車身懸置與整備車身側(cè)連接點(diǎn)處的輸入力，該輸入力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可看出，在頻率為20～200 Hz范圍內(nèi)，車身第2懸置（左、右）、車身第3懸置（右）的車身側(cè)連接點(diǎn)在23 Hz時(shí)對(duì)整備車身的輸入力較大，存在明顯峰值。

因動(dòng)力總成將動(dòng)力傳遞到整備車架，再由整備車架通過車身懸置傳遞到整備車身，所以車身懸置的隔振量水平直接影響到整備車身輸入力大小，其主要由車身懸置與車身側(cè)連接點(diǎn)處動(dòng)剛度和車身懸置本身的動(dòng)剛度所決定。所以，要減小對(duì)整備車身的輸入力，需要提高車身懸置的隔振量，即必須對(duì)車身懸置與車身側(cè)連接點(diǎn)動(dòng)剛度和車身懸置本身的動(dòng)剛度進(jìn)行控制。經(jīng)計(jì)算車身懸置與車身側(cè)各連接點(diǎn)處平均動(dòng)剛度水平均滿足設(shè)計(jì)要求，所以要提高車身懸置的隔振量可通過降低車身懸置本身的動(dòng)剛度來實(shí)現(xiàn)。

綜合車身懸置與車身側(cè)連接點(diǎn)傳遞路徑貢獻(xiàn)量排序和輸入力分布，可對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行如下2方面的優(yōu)化：

a.第4車身懸置傳遞貢獻(xiàn)量最大，又因其載荷力輸入較小、連接點(diǎn)處動(dòng)剛度滿足設(shè)計(jì)要求，所以可通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)來降低車內(nèi)噪聲；

b.調(diào)整第2車身懸置和第3車身懸置本身的動(dòng)剛度來衰減車架向整備車身的輸入力，從而降低車內(nèi)噪聲響應(yīng)。

2.4 模態(tài)貢獻(xiàn)量計(jì)算

為進(jìn)一步識(shí)別車身結(jié)構(gòu)對(duì)車內(nèi)噪聲響應(yīng)（23 Hz）的影響，進(jìn)行了模態(tài)貢獻(xiàn)量分析，以找到影響車內(nèi)噪聲的關(guān)鍵模態(tài)和部位，模態(tài)貢獻(xiàn)量計(jì)算結(jié)果如圖5和表2所示。

表2 模態(tài)貢獻(xiàn)量

由上述分析可知，影響車內(nèi)噪聲響應(yīng)（23 Hz）的主要模態(tài)為第37階（22.23 Hz），經(jīng)模態(tài)識(shí)別，其振型為頂棚局部模態(tài)，如圖6所示。因模態(tài)分析模型為“整備車身+整備車架”模型，所以模態(tài)結(jié)果除包含車身、車架的整體模態(tài)外，還包括車身內(nèi)及車架上各子系統(tǒng)的剛體模態(tài)和局部模態(tài)。

3 優(yōu)化方案制定

3.1 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過模態(tài)貢獻(xiàn)量排查可知，車身頂棚是對(duì)23 Hz頻率響應(yīng)影響的關(guān)鍵位置，需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化方案為將頂棚3根橫梁結(jié)構(gòu)筋橫向加寬和縱向加深各10 mm，同時(shí)增大橫梁與車身縱梁接頭連接處的接觸面積，避免出現(xiàn)尖角搭接，如圖7所示。

3.2 車身懸置動(dòng)剛度優(yōu)化

在車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，調(diào)整第2車身懸置和第3車身懸置本身動(dòng)剛度，分別將Z向動(dòng)剛度減少20%，以通過增加車身懸置的隔振量來衰減傳遞到車身懸置與車身側(cè)連接點(diǎn)的輸入力，從而降低車內(nèi)噪聲。

4 優(yōu)化方案驗(yàn)證

應(yīng)用NVH-Director對(duì)車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型進(jìn)行傳遞路徑貢獻(xiàn)量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，駕駛員耳旁噪聲響應(yīng)降低了6.05 dB（A），達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化目標(biāo)，如圖8所示；傳遞函數(shù)下降了9.76 dB/N，如圖9所示。

從減小對(duì)整備車身輸入力的角度出發(fā)，針對(duì)車身懸置動(dòng)剛度優(yōu)化方案，在優(yōu)化頂棚的基礎(chǔ)上再分別降低第2車身懸置、第3車身懸置本身的Z向動(dòng)剛度，車身懸置動(dòng)剛度調(diào)整后駕駛員耳旁噪聲對(duì)比曲線如圖10所示。

由圖10可看出，改變車身懸置與車身側(cè)連接點(diǎn)輸入力后，駕駛員耳旁噪聲變化不明顯。由此可知，優(yōu)化頂棚結(jié)構(gòu)的方案對(duì)車內(nèi)噪聲改善效果最明顯。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)某越野車，應(yīng)用NVH-Director軟件模塊搭建了“發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)-整備車架-整備車身-駕駛員耳旁噪聲”傳遞路徑分析模型，對(duì)車內(nèi)噪聲響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測，并運(yùn)用傳遞路徑貢獻(xiàn)量分析、模態(tài)貢獻(xiàn)量分析等方法找到影響車內(nèi)噪聲的關(guān)鍵路徑和關(guān)鍵位置，確定了優(yōu)化目標(biāo)。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化使車內(nèi)噪聲比改進(jìn)前降低了6 dB（A），達(dá)到了很好的降噪效果。

1 劉東明，項(xiàng)黨，羅清，等.傳遞路徑分析技術(shù)在車內(nèi)噪聲與振動(dòng)研究與分析中的應(yīng)用.噪聲與振動(dòng)控制,2007（4）:73～77.

2 何渝生.汽車噪聲控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

3 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動(dòng)--理論與應(yīng)用.北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

4 趙彤航.基于傳遞路徑分析的汽車車內(nèi)噪聲識(shí)別與控制：[學(xué)位論文].上海：同濟(jì)大學(xué),2008.

5 余琪，周鋐.傳遞路徑分析用于車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量的研究.汽車技術(shù)，2010（4）:16～19.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年4月29日。

Application of Transfer Path Analysis in Vehicle Interior Noise Optimization

Peng Jie,Ren Zengjie,Fang Hua
（BAIC GROUP OFF-ROAD VEHICLE R&D INSTITUTE）

To predict and optimize interior noise performance of an off-road vehicle,an analysis model of trimmed body and trimmed frame is built with module NVH-Director of software Altair HyperWorks.The main transfer path of vehicle interior noise is found through transfer path contribution analysis,and the roof of the vehicle is identified to be the critical influential component with the method of mode contribution analysis.Finally,optimization plan is developed with the trimmed body structure as the optimization objective.After optimization,the interior noise of the vehicle is reduced by 6 dB(A),and the optimization target is achieved.

Interior noise,Transfer path,Structure optimization

車內(nèi)噪聲 傳遞路徑 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

U467.4+93

A

1000-3703（2015）05-0025-04