基于互易性原理的車內(nèi)噪聲控制研究

孫豐山，李麗君，鄒 岳，李金風(fēng)，蘇 峰，王守田

(1. 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255049；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司, 山東 濰坊 261061；3. 山東國(guó)金汽車工程技術(shù)有限公司, 山東 淄博255000)

車身噪聲振動(dòng)控制是電動(dòng)汽車路噪問題的重要控制環(huán)節(jié)，噪聲傳遞函數(shù)(NTF，Noise Transfer Function)反映了車身模態(tài)配置效果，是車身NVH(Noise Vibration Harshness)性能的重要控制指標(biāo)，識(shí)別并優(yōu)化NTF問題是NVH仿真分析的一項(xiàng)重要工作[1-3]。為提高優(yōu)化的效率，研發(fā)人員需要不斷總結(jié)相關(guān)方法及流程，目前這些方法大多基于結(jié)構(gòu)模態(tài)貢獻(xiàn)度、工作變形(ODS,Operational Deflection Shape)、聲腔模態(tài)振型、結(jié)構(gòu)模態(tài)振型來識(shí)別問題位置并做優(yōu)化。但這些方法產(chǎn)生問題的路徑和頻率點(diǎn)較多，所以計(jì)算量相當(dāng)大，計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間比較長(zhǎng)。

通常在車型研發(fā)的白車身階段，以彎扭剛度、彎扭模態(tài)為主要控制指標(biāo)，以局部模態(tài)為板件的次要控制指標(biāo)，主要反映了車身整體框架結(jié)構(gòu)對(duì)NVH性能影響，但是不能完全反映板件結(jié)構(gòu)對(duì)NVH性能的影響。板件結(jié)構(gòu)的影響主要在車型研發(fā)的內(nèi)飾車身階段以NTF為指標(biāo)來控制，仿真工作介入比較晚，計(jì)算量比較大。本文基于聲學(xué)互易性原理提出一種計(jì)算方法，在聲壓響應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)布置聲源，計(jì)算車身振動(dòng)從而得到NTF結(jié)果，并同時(shí)提供車身工作變形、板件振動(dòng)分布、聲腔模態(tài)等識(shí)別問題所需的信息，以板件振動(dòng)速度的均方根為指標(biāo)，根據(jù)對(duì)標(biāo)車在白車身階段對(duì)車身結(jié)構(gòu)做初步控制。

1 基于互易性原理計(jì)算NTF

1.1 NTF概念

結(jié)構(gòu)路面噪聲的產(chǎn)生過程可以概括為：路面載荷經(jīng)底盤濾波到達(dá)車身，能量經(jīng)過車身安裝點(diǎn)向各處傳遞，迫使車身壁板產(chǎn)生振動(dòng)并向車內(nèi)輻射噪聲。在仿真過程中，結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)通過在結(jié)構(gòu)上施加單位力產(chǎn)生的聲壓來反映車身環(huán)節(jié)中的上述物理過程[4-5]，其表達(dá)式為

(1)

式中：P為車內(nèi)測(cè)量點(diǎn)的聲壓(Pa)；F為輸入位置的單位力(N)。

按照能量在固體和流體這兩種介質(zhì)中的不同表現(xiàn)，把NTF分為兩個(gè)環(huán)節(jié)分別描述，即

(2)

式中：第1項(xiàng)為板件單位速度振動(dòng)引起的聲壓，即聲學(xué)傳遞向量(ATV, Acoustic Transfer Vector)；第2項(xiàng)為安裝點(diǎn)單位力引起的車身板件振動(dòng)，用板件的ODS來表示。聲學(xué)傳遞向量反映了聲腔表面振動(dòng)速度對(duì)觀察點(diǎn)聲壓的靈敏度，與聲腔模態(tài)的區(qū)別是它反映出了觀察點(diǎn)位置的影響。例如對(duì)同一階聲模態(tài)，駕駛員處和后排乘客處的傳遞向量是不同的。

根據(jù)式(2)可知，車身振動(dòng)變形和聲學(xué)傳遞向量共同決定NTF，因此分析問題時(shí)通常也從這兩個(gè)方面考慮。由于聲學(xué)傳遞向量與聲腔模態(tài)一樣，在車身造型確定之后很難改變，因此NTF問題的識(shí)別和優(yōu)化集中在對(duì)工作變形的分析和控制上。如果多條路徑多個(gè)頻率的NTF出現(xiàn)問題，工作變形的計(jì)算量就比較大，優(yōu)化工作極為繁重。

1.2 互易性原理

互易性是指在單位激勵(lì)的情況下，當(dāng)激勵(lì)端口和響應(yīng)端口互換位置時(shí)，響應(yīng)不因這種互換而有所改變的特性。振動(dòng)和聲的互易性原理[6-8]為

(3)

式中：左式表示在i點(diǎn)施加激勵(lì)力在j點(diǎn)處得到聲壓的頻響函數(shù)，右式表示在j點(diǎn)用體積聲源進(jìn)行激勵(lì)在i點(diǎn)處得到速度的頻響函數(shù)。這兩個(gè)頻響函數(shù)大小相等，方向相反。基于互易性原理，在聲壓觀察點(diǎn)處布置聲源計(jì)算車身振動(dòng)，輸出車身安裝點(diǎn)的振動(dòng)曲線即得到NTF，輸出整個(gè)車身振動(dòng)則得到工作變形信息。

基于互易性計(jì)算的NTF結(jié)果與常規(guī)計(jì)算相同，但是ODS不同，這對(duì)于識(shí)別NTF問題來說有顯著差異。常規(guī)計(jì)算中加載點(diǎn)在車身安裝點(diǎn)上，因此ODS沒有反映聲腔模態(tài)和聲壓觀察點(diǎn)位置的影響，需要參考板件貢獻(xiàn)量進(jìn)一步排除振動(dòng)強(qiáng)烈但是貢獻(xiàn)不大的板件。基于互易性計(jì)算則結(jié)構(gòu)已經(jīng)與聲腔模態(tài)耦合，ODS反映出了對(duì)NTF的貢獻(xiàn)，因此計(jì)算量比較少[9-10]。

1.3 等效輻射聲功率

內(nèi)飾車身階段NTF計(jì)算介入比較晚，而且計(jì)算量比較大，為了節(jié)約計(jì)算資源和提高計(jì)算效率，在白車身階段與對(duì)標(biāo)車對(duì)比車身結(jié)構(gòu)并加以初步控制，以減少問題發(fā)生概率，然后在內(nèi)飾車身階段再進(jìn)一步控制。

為了定量對(duì)比考察車身不同位置的影響，選擇主要板件考察其振動(dòng)情況。近年來，等效輻射聲功率這一概念應(yīng)用比較多[11]，其表達(dá)式為

(4)

式中：ERP為等效輻射聲功率(W)；δ為輻射損耗因子，一般取無量綱常數(shù)值0.5；C為聲速(m/s)；ρ為流體密度(kg/m3)；Ai為單元面積(m2)；vi為單元法向速度(m/s)。

由于輻射效率取常數(shù)值0.5，所以本質(zhì)上等效輻射聲功率反映的是車身結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)能量。另外，式(4)中的面積因素不利于不同車身之間對(duì)比，需要消除，因此取振動(dòng)速度的均方根作為板件評(píng)價(jià)指標(biāo)，在車身ODS基礎(chǔ)上，經(jīng)過后處理得出各個(gè)板件振動(dòng)速度的均方根值。

1.4 NTF分析及優(yōu)化流程

在聲壓響應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)布置聲源，利用基于互易性原理分析，得到NTF分析結(jié)果、板件振動(dòng)變形和板件結(jié)構(gòu)模態(tài)參與因子，識(shí)別診斷NTF問題產(chǎn)生的位置及原因。針對(duì)識(shí)別的問題結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化后，再進(jìn)行NTF分析，驗(yàn)證改進(jìn)方案是否對(duì)降噪有效。如果達(dá)到目標(biāo)值，則說明改進(jìn)方案有效；如果未能達(dá)到目標(biāo)值，則需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，NTF分析優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 NTF 分析優(yōu)化流程Fig.1 NTF analysis optimization process

2 仿真分析實(shí)例

2.1 基于互易性的NTF計(jì)算驗(yàn)證

以某車型為例，首先建立車身有限元模型，在模型中標(biāo)記NTF加載點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)。然后分別按照常規(guī)計(jì)算方法和互易性逆向計(jì)算方法來計(jì)算NTF，比較結(jié)果曲線如圖2所示。

圖2 兩種計(jì)算方法的NTF對(duì)比曲線Fig.2 NTF comparison curves of two calculation methods

由圖2可知，兩者的NTF曲線完全一致，說明基于互易性的逆向計(jì)算方法可行。一般聲壓響應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)只有2～5個(gè)，計(jì)算工況很少，計(jì)算時(shí)間短。

2.2 問題識(shí)別

利用互易性逆向計(jì)算的結(jié)果進(jìn)一步提取信息、識(shí)別NTF問題產(chǎn)生的部位和原因，為問題優(yōu)化提供指導(dǎo)。由于NTF問題發(fā)生的頻率和路徑較多，本文以前副車架安裝點(diǎn)NTF的問題為例說明識(shí)別過程。前副車架NTF問題匯總?cè)鐖D3所示。

圖3 前副車架NTF問題匯總Fig.3 Summary of front subframe NTF problem

由圖3可知，在多個(gè)頻率NTF集中出現(xiàn)峰值并超過目標(biāo)值。利用聲腔模態(tài)來輔助NTF問題的識(shí)別，根據(jù)是否與聲腔模態(tài)頻率接近選擇案例。112 Hz處與聲腔二階縱向模態(tài)(112 Hz)接近；68 Hz在第一階(59 Hz)和第二階聲腔模態(tài)之間，以此為例識(shí)別問題并優(yōu)化驗(yàn)證。

為確定問題發(fā)生部位，在車身上定義板件并對(duì)車身工作變形后處理，查看振動(dòng)速度均方根值，如圖4所示。板件定義原則是在總成定義基礎(chǔ)上按照自然邊界加以定義，例如根據(jù)橫梁把前地板分割為前部和后部。

圖4 板件振動(dòng)速度均方根和車身板件定義Fig.4 Board speed RMS and board definition

由圖4可知，112 Hz最大振動(dòng)位置是板件4，備胎池、頂棚、前地板、后地板等振動(dòng)也較大；68 Hz最大振動(dòng)位置是前圍板和前風(fēng)擋玻璃。

為了進(jìn)一步明確結(jié)構(gòu)位置，還需查看工作變形和結(jié)構(gòu)模態(tài)參與因子、結(jié)構(gòu)模態(tài)振型等信息。112 Hz結(jié)構(gòu)模態(tài)參與因子和結(jié)構(gòu)工作變形云圖如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)模態(tài)參與因子和112 Hz車身板件振動(dòng)變形云圖Fig.5 Mode participation factor and ODS of body panel at 112 Hz

由圖5可知，在112 Hz處NTF問題產(chǎn)生的主要原因是后地板、備胎池、頂棚、前風(fēng)擋等板件振動(dòng)，模態(tài)參與因子顯示在112 Hz附近多階模態(tài)被激發(fā)，查看振型可見主要是地板和備胎池的變形。

68 Hz結(jié)構(gòu)模態(tài)參與因子和結(jié)構(gòu)變形云圖如圖6所示。由圖6可知，前圍板上部和前風(fēng)擋玻璃下部是主要振動(dòng)區(qū)域。結(jié)合結(jié)構(gòu)模態(tài)分析可知，前圍板上部支撐不足且變形嚴(yán)重，從而帶動(dòng)風(fēng)擋玻璃振動(dòng)；水箱橫梁、大燈支架等結(jié)構(gòu)也很薄弱，與前圍板及風(fēng)擋玻璃產(chǎn)生振動(dòng)耦合。

圖6 結(jié)構(gòu)模態(tài)參與因子和68 Hz車身板件振動(dòng)變形云圖Fig. 6 Mode participation factor and ODS of body panel at 68 Hz

圖7 112 Hz優(yōu)化方案和NTF曲線Fig.7 Optimization scheme at 112 Hz and NTF curve

2.3 優(yōu)化驗(yàn)證

針對(duì)識(shí)別的問題結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，驗(yàn)證識(shí)別是否有效。為提高分析效率，截取問題部位局部結(jié)構(gòu)，在局部模型上驗(yàn)證優(yōu)化效果，如果有效再移植到完整車身結(jié)構(gòu)進(jìn)一步驗(yàn)證。對(duì)板件來說，梁結(jié)構(gòu)為其邊界，因此截取原則為包含板件周邊的梁結(jié)構(gòu)，約束截?cái)嗝妗?duì)112 Hz問題選擇地板為優(yōu)化對(duì)象，參考對(duì)標(biāo)車設(shè)計(jì)，在地板中間增加橫梁(紅色件)，仍用聲源激勵(lì)地板計(jì)算振動(dòng)速度，對(duì)比優(yōu)化效果。優(yōu)化方案和NTF曲線如圖7所示。由圖7可知，在地板增加梁結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)模態(tài)由112 Hz提升到180 Hz，板件振動(dòng)速度均方根由0.003 2 m/s降低到0.000 17 m/s。

移植優(yōu)化方案到完整車身，計(jì)算NTF驗(yàn)證優(yōu)化效果。由圖7可以看出，優(yōu)化后前副車架各安裝點(diǎn)NTF在112 Hz處下降。同理，對(duì)68 Hz問題截取前圍板部分加以優(yōu)化，移動(dòng)粉色支撐板位置并增加黃色支撐件。優(yōu)化后模態(tài)頻率由原來的68 Hz提高到120 Hz，振動(dòng)速度也顯著降低。將優(yōu)化方案移植到車身，計(jì)算NTF并與原狀態(tài)對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

圖8 68 Hz優(yōu)化改進(jìn)方案和NTF曲線Fig.8 Optimization scheme at 68 Hz and NTF curve

優(yōu)化后，前副車架安裝點(diǎn)NTF在68 Hz處下降。通過逆向計(jì)算精確識(shí)別了問題部位并進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，驗(yàn)證了方法的有效性。

3 結(jié)論

1) 本文提出基于互易性原理的NTF計(jì)算方法，在聲壓響應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)布置聲源計(jì)算車身振動(dòng)。基于車身振動(dòng)結(jié)果，后處理得到NTF和識(shí)別問題所需的信息，判斷問題產(chǎn)生的位置。

2) 以某車型為案例，與常規(guī)方法對(duì)比了逆向計(jì)算的NTF結(jié)果，并對(duì)典型的NTF問題識(shí)別了問題位置和原因。根據(jù)識(shí)別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，有效改善了NTF，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

3) 案例說明基于互易性的逆向求解NTF結(jié)果與傳統(tǒng)方法結(jié)果一致，但計(jì)算量要小于傳統(tǒng)方法的計(jì)算量。在白車身階段可用此方法初步評(píng)審設(shè)計(jì)并提出優(yōu)化方案，可以減少內(nèi)飾車身的計(jì)算，縮短車型開發(fā)的時(shí)間。