某MPV車內轟鳴聲降噪研究

劉俊峰 馬春武 李紹義 李澤西

摘 要：文章以某MPV怠速工況下車內轟鳴聲為研究對象，研究轟鳴聲產生的機理，振動傳遞路徑和噪聲解決的方案。通過噪聲測試，掃頻分析對車內轟鳴聲的激勵源及問題頻率進行辨識;進行振動傳遞路徑分析，確定了振動主要由發動機經懸置傳遞至車身引起;通過對車身結構的模態測試和分析，分析出頂棚的局部模態同激勵源頻率接近從而發生振動耦合，引起了車內轟鳴。提出了對車身頂棚進行結構優化來調整車身模態，避讓發動機激勵的控制方法。最后對優化結構后的車輛進行車內噪聲測試和主觀評價，結果表明車內轟鳴聲問題得到有效解決。

關鍵詞：轟鳴聲;傳遞路徑;模態分析;結構優化

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-66-04

Abstract： This paper takes the car booming inside at idle of the MPV as the research object， research the mechanism of booming， vibration transfer path and the solution of noise. Through the noise test， frequency sweep analysis， we have identified the excitation source and problem frequency of the booming; The vibration transmission path of mount was analyzed， and the vibration was determined to be mainly caused by the mount of the engine to the vehicle body. Through the modal test and analysis of the car body structure， it is found that the local modal of the roof is close to the frequency of the excitation source， resulting in the vibration coupling， which causes the booming inside the car. Finally， the noise test and subjective evaluation are carried out on the vehicles with the optimized structure， and the results show that the problem of booming inside the vehicle has been effectively solved.

Keywords： Booming; Transmission path; Modal analysis; Structure optimization

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-66-04

引言

在日益競爭激烈的汽車市場上，汽車的駕乘舒適性一直是人們關注的焦點，振動和噪聲是影響車內駕乘舒適性最主要的因素，故而對汽車的NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能的研究也愈發受到重視[1]。轟鳴聲是一種在較窄頻帶內，能量分布較為集中的噪聲。此噪聲能給駕乘人員產生顯著的壓耳感，使車內乘員感到煩躁不安，頭疼甚至嘔吐。因此，對車內轟鳴聲的分析和抑制研究就顯得尤為重要[2]。

本文以某MPV車型出現的怠速轟鳴聲問題為例，通過激勵頻率辨識和有限元模態分析找出了轟鳴聲產生的根本原因，通過車身結構優化降低了轟鳴聲，為解決此類問題提出了一種研究方法與解決方案。

1 轟鳴聲的產生機理

轟鳴聲作為車內舒適性的重大影響因素之一，在進行車輛NVH開發過程中尤為受到關注。汽車乘員艙的壁板是由多塊薄鋼板沖壓焊接而成，厚度一般是0.7-1.0mm，具有一定的彈性，類似于揚聲器的膜，當受到發動機或路面的激勵傳時，會引起車身壁板的振動，從而輻射出噪聲[3]。空氣作為彈性體，在密閉的乘員艙內會產生多階的聲腔模態，車輛在怠速或者行駛過程中，密閉的乘員艙受到低頻激勵發生壓縮變形，其內的空氣體積就會變化，易造成車內的聲腔與鈑金結構振動耦合，從而進一步形成乘員艙內的壓力脈動，而壓耳感會引起車內乘員壓抑，煩躁甚至頭暈，惡心的不適感，嚴重影響車輛的乘坐舒適性[4][5]。

2 實例分析

2.1 問題描述

某MPV車在開發過程中發現車輛在怠速工況下，車內前后排座位處均存在明顯轟鳴聲。對問題車輛進行車內噪聲測試。測試場地為半消聲室，測點為前后排左側耳旁噪聲。采用LMS Test.LAB 12通道數采設備進行數據采集，測得該車前后排左側耳旁噪聲頻譜數據如圖1所示，測試工況怠速D檔A/C OFF，怠速轉速為800rpm。

由測試結果可知，怠速D檔A/C ON @ 800rpm工況下，前后排均出現轟鳴噪聲峰值，噪聲峰值頻率為26.2Hz及其諧次頻率。

2.2 激勵源辨識

在怠速工況的發動機轉速工作范圍內，進行轉速掃頻來評估發動機轉速對車內噪聲或振動的影響，是一種快捷有效的評估方法。為進一步怠速轉速對車內轟鳴噪聲的影響，對該車進行怠速工況的掃頻試驗。具體方法是：通過更改發動機標定怠速轉速，使發動機怠速轉速從650rpm至900rpm逐級升高，測量車內前后排噪聲，測試結果如圖2。

由圖2可明顯看出，在發動機怠速轉速在750rpm至800rpm區間時，車內前后排出現峰值噪聲;主觀感受轟鳴聲在怠速750rpm開始出現，在775rpm尤為明顯，在800rpm之后漸漸消失。由此可見，試驗數據與主觀評價一致，發動機怠速轉速對車內轟鳴聲有顯著影響。發動機振動基頻計算公式：

此MPV車型為四缸發動機，根據式（1）計算得到怠速工況下發動機的振動基頻為26.6Hz，與駕駛室內轟鳴噪聲發生頻率吻合，由此可初步判斷此轟鳴聲為發動機點火激勵引起。因為發動機怠速轉速的標定關系到整車的動力策略調整，影響重大，不能避開轟鳴聲發生轉速段，故無法通過調整激勵源頻率來解決此噪聲。

3 振動傳遞路徑分析

動力總成到車內的傳遞路徑主要有以下幾條：

（1）動力總成激勵通過懸置傳遞到車身;

（2）動力總成激勵通過排氣管吊耳傳遞到車身;

（3）動力總成激勵通過傳動軸和懸架傳遞到車身。通過對排氣管吊耳和傳動軸的振動測試分析，排除了該轟鳴聲由排氣系統和傳動系統引起的可能性。

3.1 動力總成懸置隔振性能測試分析

該車為動力總成前置后驅車型，動力總成縱向布置，采取的三點式懸置，左右懸置對稱，后點為變速箱懸置。對懸置進行隔振性能測試，在三個懸置的主動側和被動側分別布置三向加速度傳感器，利用LMS.Test.Lab數采設備對數據進行收集和分析處理，測試工況為怠速工況，根據測試結果計算得到懸置的隔振性能如表2所示。

由表2可知，怠速工況下，三個懸置的X、Y方向的隔振率都達到了20dB以上，滿足整車在怠速工況下對懸置隔振性能的要求。但是各懸置Z方向的被動側振動幅值較其他懸置各向振動幅值明顯增大，隔振率接近但未達到20dB，即發動機的Z向激勵仍能通過后懸置傳遞到車身。但本車限于實際情況，無法對懸置隔振性能進行調校。

3.2 車身結構模態測試

車身的模態參數是車身結構的固有特性，不隨外界激勵的變化而改變，當激勵源的激勵頻率與車身結構的低階模態或者局部模態耦合時，車身會產生共振從而放大振動或者噪聲。為進一步確定轟鳴聲的產生機理，對車身結構進行模態測試。激勵信號采用激振器的隨機信號，在車身上布置多響應測點。試驗得到車身前6階模態和振型描述如表3所示。

由表3可知，車身頂棚的第1階（25.9Hz）和第4階模態頻率（52.3Hz）與車內轟鳴噪聲峰值頻率極為接近。綜上分析，該車型在怠速工況下，發動機點火激勵為主要激勵源，振動經懸置傳遞到車身;車身頂棚存在與激勵頻率接近的局部模態，發動機點火激勵在車身頂棚處產生共振，引起車內密閉聲腔的壓力脈動，從而引發車內轟鳴聲。

4 問題解決與驗證

由振動傳遞路徑可知，發動機點火激勵由懸置傳遞至車身，但本車限于實際情況，無法對懸置隔振性能進行調校。根據車身結構模態測試結果可知，發動機點火激勵頻率與車身的頂棚模態頻率存在耦合。為進一步解決因發動機點火激勵與車身頂棚結構共振帶來的噪聲問題，結合工程實際與成本因素，對車身頂棚提出如下改進措施：（1）在頂棚后天窗振幅較大，剛度較低處增設加強橫梁，提高頂棚天窗的剛度;（2）加強頂棚天窗與側圍縱梁的焊點強度，加強橫梁與側圍之間的連接。優化后的頂棚結構示意圖如圖3所示。

車身頂棚結構改進后用LMS Test.LAB 數采設備進行車內噪聲數據采集，仍然在駕駛員右耳處和后排座椅中間布置麥克風，測得該車前后排中間噪聲頻譜數據，與原車內轟鳴聲噪聲頻譜進行對比，如圖4所示。優化前后的車內噪聲幅值如表4所示。

經過車身頂棚結構優化后，車內前排DRE噪聲在峰值頻率26.2Hz處降低8dB;后排中間噪聲降低約4dB;主觀評價車內噪聲結果表明，前后排轟鳴聲顯著降低，車內噪聲水平可接受。

5 結論

本文通過車內噪聲測試，怠速掃頻實驗，傳遞路徑振動分析，模態分析等方法確定了問題車車內轟鳴聲的根本原因：

（1）通過噪聲測試和怠速掃頻試驗，確定了車內轟鳴聲的激勵源為發動機二階點火激勵;

（2）通過對排氣系統，傳動系統和懸置的振動測試，確定了發動機激勵是通過懸置傳遞到車內的路徑;

（3）通過對車身結構的模態測試和分析，確定了頂棚的局部模態同激勵源頻率接近從而發生共振，引起了車內轟鳴;

（4）通過對車身頂棚的結構優化，提高了頂棚易變形處的結構強度和模態頻率，解決了車內的轟鳴噪聲問題。

本文結合振動傳遞路徑和車身模態分析等方法來辨識轟鳴聲激勵源及產生機理的思路在實際問題解決過程中得到了驗證，對于解決車輛開發過程中的轟鳴聲一類的NVH問題具備一定的借鑒意義。

參考文獻

[1] 王志亮，劉波，王磊.轎車轟鳴聲產生機理與分析方法研究[J].噪聲與振動控制，2008（02）：79-81.

[2] 龐劍，湛剛，何華，汽車振動與噪聲-理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[3] 張棟，康菲.傳遞路徑分析方法在車內轟鳴聲問題上的應用[J].農業裝備與車輛工程，2015，53（05）：59-63.

[4] 劉宗成，顏伏伍，李進.某乘用車勻速行駛車內轟鳴聲分析與控制[J].重慶理工大學學報（自然科學），2018，32（11）：29-34.

[5] 王若平，張旭，夏仕朝，李文武.某MPV車內轟鳴噪聲試驗分析與降噪改進[J].重慶理工大學學報（自然科學），2018，32（01）：28-34.