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

（北京汽車集團越野車研究院）

為實現(xiàn)對某款越野車車內(nèi)噪聲性能進行前期預(yù)測和優(yōu)化，運用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)貢獻量分析識別出車身頂棚為關(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），達到優(yōu)化目標。

1 前言

汽車車內(nèi)噪聲特性是汽車乘坐舒適性的重要評價指標之一。在進行汽車NVH問題的分析與改進過程中,如果能準確判斷出各主要激勵源和傳遞路徑的貢獻量,并對貢獻量大的位置進行改進優(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確判斷各路徑輸入的激勵能量在整個問題中所占的比例，找出傳遞路徑上對車內(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)（激勵源大小、路徑的聲學靈敏度等）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，本文針對某越野汽車的NVH性能開發(fā)，在設(shè)計階段運用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)鍵部件位置并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而實現(xiàn)對車內(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)生的原理是振動源將振動傳遞至車身引起車身壁板的振動，進而產(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)分解為每個接附點位置的局部貢獻。

各輸入與輸出的傳遞函數(shù)【3】為：

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

對整體響應(yīng)的局部貢獻由通過每個連接點的傳遞力乘以相應(yīng)的傳遞函數(shù)得到【3】：

式中，Pi(ω)為第i條路徑所產(chǎn)生的輸出點聲壓級；Fi(ω)為第i條路徑所對應(yīng)的輸入點激勵力；Hi(ω)為第i條路徑所對應(yīng)的輸入與輸出的傳遞函數(shù)。

貢獻量分析是將每條傳遞路徑對整體車內(nèi)噪聲的影響程度進行排序，通過識別出關(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

針對某款越野車的車內(nèi)噪聲分析結(jié)果和優(yōu)化目標，建立“發(fā)動機激勵-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)動機質(zhì)心通過動力總成懸置與整備車架連接，整備車架通過4對車身懸置（圖1中黑色圓點位置）與整備車身連接。動力總成懸置和車身懸置采用BUSH單元，并賦以相應(yīng)的動剛度值。

分析模型前處理采用Hypermesh軟件進行有限元網(wǎng)格劃分，共建立1 855 553個單元、1 704 346個節(jié)點；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。

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

應(yīng)用NVH-Director軟件模塊對車內(nèi)噪聲進行響應(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)的聲學靈敏度（各車身懸置與車身側(cè)連接點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)化對象，通過對比相同激勵下的車內(nèi)噪聲響應(yīng)變化來驗證車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果，主要從車內(nèi)噪聲響應(yīng)、傳遞路徑、激勵源三方面進行分析【5】。

2.3.1 車內(nèi)噪聲響應(yīng)分析

經(jīng)計算，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)動機，怠速2階激勵頻率為23.3 Hz（怠速轉(zhuǎn)速為700±50 r/min），車內(nèi)噪聲響應(yīng)峰值對應(yīng)的頻率（23 Hz）與發(fā)動機激勵頻率（23.3 Hz）接近，存在共振風險，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)化對象，整備車架結(jié)構(gòu)保持不變。為識別各車身懸置與車身側(cè)連接點到駕駛員耳旁的各傳遞路徑對怠速車內(nèi)噪聲的影響程度，進行了傳遞路徑貢獻量計算。各傳遞路徑貢獻量分布如圖3所示，主要傳遞路徑貢獻量（10%以上）統(tǒng)計結(jié)果如表1所列。

表1 主要傳遞路徑貢獻量（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量由大到小的排序為第4車身懸置、第3車身懸置、第1車身懸置。

2.3.3 激勵源分析

當整備車身結(jié)構(gòu)傳遞性能不變時，減少對整備車身的激勵源輸入也是降低車內(nèi)噪聲的一個重要方面。對整備車身而言，其激勵源主要來自車身懸置與整備車身側(cè)連接點處的輸入力，該輸入力計算結(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)連接點在23 Hz時對整備車身的輸入力較大，存在明顯峰值。

因動力總成將動力傳遞到整備車架，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)連接點處動剛度和車身懸置本身的動剛度所決定。所以，要減小對整備車身的輸入力，需要提高車身懸置的隔振量，即必須對車身懸置與車身側(cè)連接點動剛度和車身懸置本身的動剛度進行控制。經(jīng)計算車身懸置與車身側(cè)各連接點處平均動剛度水平均滿足設(shè)計要求，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剛度來實現(xiàn)。

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

a.第4車身懸置傳遞貢獻量最大，又因其載荷力輸入較小、連接點處動剛度滿足設(shè)計要求，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)貢獻量計算

為進一步識別車身結(jié)構(gòu)對車內(nèi)噪聲響應(yīng)（23 Hz）的影響，進行了模態(tài)貢獻量分析，以找到影響車內(nèi)噪聲的關(guān)鍵模態(tài)和部位，模態(tài)貢獻量計算結(jié)果如圖5和表2所示。

表2 模態(tài)貢獻量

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)貢獻量排查可知，車身頂棚是對23 Hz頻率響應(yīng)影響的關(guān)鍵位置，需要對其進行結(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車身懸置本身動剛度，分別將Z向動剛度減少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)連接點的輸入力，從而降低車內(nèi)噪聲。

4 優(yōu)化方案驗證

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

從減小對整備車身輸入力的角度出發(fā)，針對車身懸置動剛度優(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向動剛度，車身懸置動剛度調(diào)整后駕駛員耳旁噪聲對比曲線如圖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)的方案對車內(nèi)噪聲改善效果最明顯。

5 結(jié)束語

本文針對某越野車，應(yīng)用NVH-Director軟件模塊搭建了“發(fā)動機激勵-整備車架-整備車身-駕駛員耳旁噪聲”傳遞路徑分析模型，對車內(nèi)噪聲響應(yīng)進行了預(yù)測，并運用傳遞路徑貢獻量分析、模態(tài)貢獻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。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化使車內(nèi)噪聲比改進前降低了6 dB（A），達到了很好的降噪效果。

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

2 何渝生.汽車噪聲控制.北京:機械工業(yè)出版社,1999.

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

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

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

（責任編輯文 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