史晨路，孔傳旭

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300300；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院，天津 300300）

時(shí)域傳遞路徑分析在車內(nèi)噪聲優(yōu)化中的應(yīng)用

史晨路1，孔傳旭2

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300300；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院，天津 300300）

時(shí)域傳遞路徑分析/合成技術(shù)是一種基于時(shí)域多輸入系統(tǒng)合成車內(nèi)噪聲的技術(shù)，在車內(nèi)噪聲問題識(shí)別與優(yōu)化上已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)頻域TPA相比，時(shí)域TPA在傳遞路徑模型中豐富了隔振元件主被動(dòng)端傳遞路徑信息，為可聽的修改預(yù)測(cè)提供更多選擇；其時(shí)域擬合結(jié)果可進(jìn)行回放，經(jīng)過后處理可進(jìn)行多種聲學(xué)性能分析。文章對(duì)時(shí)域傳遞路徑分析的基本原理與建模方法進(jìn)行介紹，利用時(shí)域傳遞傳遞路徑分析技術(shù)對(duì)某開發(fā)中車型建立排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳遞路徑模型，并識(shí)別出由排氣吊鉤共振引起的車內(nèi)轟鳴聲，結(jié)合修改預(yù)測(cè)并在樣車上進(jìn)行驗(yàn)證，為整車子系統(tǒng)引起的噪聲問題識(shí)別與優(yōu)化提供一套完整的方案。

車內(nèi)噪聲；TPA；TPS；NTF；排氣吊鉤

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.055

CLC NO.:U461.9Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-160-04

前言

傳遞路徑分析/合成技術(shù)可以有效評(píng)地估傳遞路徑對(duì)車內(nèi)聲音的貢獻(xiàn)。過去的10至20年間，傳遞路徑分析/合成技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在聲學(xué)設(shè)計(jì)與故障診斷等領(lǐng)域。

本文采用時(shí)域傳遞路徑分析方法建模，依據(jù)修改預(yù)測(cè)在樣車上進(jìn)行驗(yàn)證，識(shí)別并優(yōu)化了由排氣吊鉤共振引起的車內(nèi)轟鳴聲。由于在傳遞路徑分析模型搭建之前，已經(jīng)初步排除了轟鳴聲是由排氣系統(tǒng)輻射噪聲引起的可能，故在傳遞路徑分析模型搭建的過程中僅考慮了由排氣系統(tǒng)引起的結(jié)構(gòu)噪聲。

發(fā)動(dòng)機(jī)將振動(dòng)傳遞給排氣管路，經(jīng)橡膠吊耳傳遞至車身端，向車內(nèi)輻射噪聲。排查問題時(shí)一般將排氣吊鉤斷開驗(yàn)證，如果沒有變化，則認(rèn)為問題與排氣系統(tǒng)振動(dòng)無關(guān)，但這可能改變排氣系統(tǒng)姿態(tài)，無法正確辨識(shí)問題。利用時(shí)域傳遞路徑分析技術(shù)搭建傳遞路徑模型，在模型中可以虛擬切斷任意路徑或修改傳遞函數(shù)，排除其他因素影響，為整改指明方向。

1、傳遞路徑分析/合成原理

頻域TPA通過源替代法、矩陣求逆法、懸置剛度法等途徑識(shí)別工作載荷，與路徑傳遞函數(shù)相乘得到系統(tǒng)的頻域響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)工況的分析結(jié)果為穩(wěn)態(tài)頻譜，瞬態(tài)工況的分析結(jié)果為擬合出階次信息。時(shí)域TPA是一種基于時(shí)域輸入信號(hào)識(shí)別工作載荷并合成車內(nèi)噪聲的傳遞路徑分析方法，可對(duì)車輛穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)工況車內(nèi)噪聲進(jìn)行分解量化，其合成結(jié)果為各條貢獻(xiàn)路徑的時(shí)域信號(hào)，可對(duì)合成的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行回放與可聽的修改預(yù)測(cè)，通過對(duì)時(shí)域信號(hào)的后處理可對(duì)其多種聲學(xué)性能指標(biāo)做定性與定量的分析，是時(shí)域TPA區(qū)別于頻域TPA的一個(gè)重要特征。

在頻域TPA結(jié)構(gòu)工作載荷的獲取過程中，無論采用哪種方法獲取工作載荷，都無法將激勵(lì)由主動(dòng)端經(jīng)過隔振元件或減振系統(tǒng)（懸置橡膠件、車輛懸掛系統(tǒng)等）傳至車身端這部分路徑的信息納入傳遞路徑當(dāng)中，在修改預(yù)測(cè)時(shí)無法對(duì)這部分路徑進(jìn)行修改。而時(shí)域TPA將懸置或懸掛系統(tǒng)等的對(duì)振動(dòng)的傳遞能力納入傳遞路徑模型當(dāng)中，修改預(yù)測(cè)中可針對(duì)激勵(lì)輸入、隔振元件傳遞能力、NTF等進(jìn)行修改，這是時(shí)域TPA技術(shù)區(qū)別于頻域TPA技術(shù)的另一個(gè)重要特征。

時(shí)域TPA系統(tǒng)的輸入為各路徑聲源處的聲壓信號(hào)與主動(dòng)端激勵(lì)的加速度信號(hào)，傳遞函數(shù)描述激勵(lì)由傳遞路徑傳至車內(nèi)的路徑靈敏度[1]。 依據(jù)線性時(shí)不變假設(shè)，車內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)的聲壓等于各激勵(lì)源沿不同路徑傳播到車內(nèi)矢量的疊加[2]。

等式左邊pdriver表示車內(nèi)駕駛員右耳處聲壓級(jí)，等式右邊表示各路徑貢獻(xiàn)的矢量和，其中Xi為第i條結(jié)構(gòu)路徑的激勵(lì)，Hi，Str為第i條結(jié)構(gòu)路徑的總傳遞函數(shù)，Pj為第j條空氣傳遞路徑的激勵(lì)，Hj，Air為第j條空氣路徑傳遞函數(shù)。

可由P/P法獲得，用體積聲源模擬輻射噪聲聲源發(fā)聲，同時(shí)獲取體積聲源近場(chǎng)聲壓信號(hào)與駕駛員右耳聲壓信號(hào)，二者的聲-聲頻域響應(yīng)函數(shù)為空氣路徑靈敏度（ATF）。

其中Pdriver為體積聲源發(fā)聲時(shí)駕駛員右耳聲壓級(jí)，Pf為體積聲源近場(chǎng)聲壓級(jí)，圖3a為典型的空氣傳遞函數(shù)曲線。

每一條結(jié)構(gòu)總噪聲傳遞函數(shù)由三部分組成，需通過特定的運(yùn)行工況與錘擊試驗(yàn)獲得，他們分別是Mount Transmiss bility（MT）、表觀質(zhì)量（AM）、結(jié)構(gòu)-聲傳遞函數(shù)（NTF），其中：

aexcitation表示某運(yùn)行工況路徑主動(dòng)端加速度信號(hào)，abody，op為運(yùn)行工況下車身安裝點(diǎn)加速度信號(hào)，二者構(gòu)成的加速度-加速度頻域響應(yīng)函數(shù)為MT，表示振動(dòng)由主動(dòng)端經(jīng)過隔振元件傳至被動(dòng)端的傳遞能力，MT幅值越大表明隔振元件隔振能力越差，MT將隔振元件主被動(dòng)端信息納入了傳遞路徑，并考慮了溫度和工況負(fù)載對(duì)隔振元件性能的影響。

為表觀質(zhì)量，F(xiàn)body表示錘擊試驗(yàn)中力錘的力，abody表示錘擊試驗(yàn)時(shí)車身安裝點(diǎn)的加速度信號(hào)，二者構(gòu)成的力-加速度頻域響應(yīng)函數(shù)表示安裝點(diǎn)阻抗；

為結(jié)構(gòu)聲傳遞函數(shù)，pdriver為錘擊試驗(yàn)中駕駛員右耳聲音信號(hào)，F(xiàn)body為錘擊試驗(yàn)時(shí)力錘的力，三段傳遞函數(shù)的復(fù)數(shù)乘積為Hi，Str。

傳遞路徑噪聲合成主要需要進(jìn)行以下五個(gè)步驟：

● 獲取代替點(diǎn)聲源至駕駛員位置的空氣聲傳遞函數(shù)—

● 獲取從被動(dòng)端安裝點(diǎn)至駕駛員位置的結(jié)構(gòu)聲傳遞函數(shù)—NTF

● 獲取被動(dòng)端表觀質(zhì)量—AM

● 獲取某種工況下主被動(dòng)端與被動(dòng)端之間隔振原件的傳遞能力—MT、結(jié)構(gòu)路徑激勵(lì)與空氣路徑激勵(lì)

● 搭建傳遞路徑模型

第二步第三步在拆除排氣系統(tǒng)的狀態(tài)下由錘擊試驗(yàn)獲得，目的在于去除各條路徑之間的相互影響。第四步需要在車輛運(yùn)行工況下獲取，圖1為：

圖1 傳遞路徑合成示意圖

在錘擊試驗(yàn)過程中，對(duì)吊鉤車身安裝點(diǎn)進(jìn)行XYZ三向的激勵(lì)，同時(shí)獲取力傳感器的力信號(hào)、駕駛員位置聲壓信號(hào)與被動(dòng)端安裝點(diǎn)的加速度信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)后處理可以得到結(jié)構(gòu)—聲傳函與安裝點(diǎn)阻抗[3]。圖3b3c依次為結(jié)構(gòu)—聲傳遞函數(shù)與安裝點(diǎn)表觀質(zhì)量的典型曲線。為了保證各條傳遞路徑激勵(lì)輸入相位關(guān)系的正確，所有路徑的激勵(lì)與需要同步測(cè)量[4]，圖3d為傳遞函數(shù)MT的典型曲線。

圖3 典型傳遞函數(shù)曲線

2、某乘用車排氣吊鉤問題的優(yōu)化

2.1 問題描述

某國(guó)產(chǎn)乘用車的研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)駕駛員右耳在三擋全油門加速至3500RPM時(shí)出現(xiàn)轟鳴聲，由發(fā)動(dòng)機(jī)四階激勵(lì)引起，主觀評(píng)價(jià)不可接受，如圖4所示。

圖4 原狀態(tài)主駕右耳聲壓級(jí)

2.2 傳遞路徑合成/分析

由于階次引起的轟鳴聲主要考慮結(jié)構(gòu)傳遞路徑，而且在前期利用傳遞路徑分析方法識(shí)別問題的過程中已排除輻射噪聲與其他結(jié)構(gòu)路徑引起該轟鳴聲的可能。在傳遞路徑分析模型搭建的過程中只考慮了由排氣系統(tǒng)引起的結(jié)構(gòu)噪聲。

傳遞路徑模型共15條路徑，包含五個(gè)吊鉤的XYZ三個(gè)方向，傳遞路徑模型如圖5所示，在該模型中，輸入為每個(gè)吊鉤主動(dòng)端三個(gè)方向的加速度信號(hào)，MT表示排氣吊耳的隔振能力，AM表示吊鉤車身安裝點(diǎn)的表觀質(zhì)量，NTF表示被動(dòng)吊鉤至駕駛員右耳的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)。

圖5 傳遞路徑模型示意圖

對(duì)模型進(jìn)行時(shí)域傳遞路徑擬合，得到五個(gè)吊鉤結(jié)構(gòu)噪聲總和（圖6a）與每個(gè)吊鉤結(jié)構(gòu)噪聲的分量（圖6b-f）。由圖可知，3500RPM主駕右耳的轟鳴聲主要貢獻(xiàn)為二號(hào)吊鉤，以233Hz的共振帶表現(xiàn)出來。從圖7a中可以看出二號(hào)吊鉤Z向NTF在233Hz頻率處存在峰值，與3500RPM處四階頻率對(duì)應(yīng)，診斷二號(hào)吊耳共振是引起駕駛員右耳3500RPM處轟鳴聲的主要原因。

圖6 排氣系統(tǒng)合成結(jié)構(gòu)噪聲

2.3 修改預(yù)測(cè)

在傳遞路徑模型中，可以對(duì)任意一段或多段傳遞函數(shù)進(jìn)行分析與修改，修改傳遞函數(shù)后的路徑可以重新合成，為問題優(yōu)化指明方向。

在傳遞路徑分析模型中虛擬切斷二號(hào)吊鉤傳遞路徑， 該轟鳴聲在頻譜上消失，如圖8a。虛擬切斷傳遞路徑相當(dāng)于樣車驗(yàn)證中斷開動(dòng)吊鉤與車身之間的吊耳連接，同時(shí)避免了由排氣系統(tǒng)姿態(tài)改變帶來的干擾。

圖7 二號(hào)吊鉤Z向修改預(yù)測(cè)

圖8 傳遞路徑修改預(yù)測(cè)

在模型中對(duì)二號(hào)吊鉤結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)NTF與二號(hào)吊耳隔振能力MT進(jìn)行優(yōu)化，將233Hz附近NTF峰值降低至65dB（圖7a），將MT233Hz附近峰值降低至-10dB（圖7b），在傳遞路徑模型中進(jìn)行合成，該轟鳴聲在頻譜上消失，如圖8b。該修改預(yù)測(cè)相當(dāng)于對(duì)吊鉤結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)降低吊耳的橡膠硬度。綜合以上分析，該轟鳴聲問題的原因在于二號(hào)吊鉤被激起共振，由車身傳至車內(nèi)。

2.4 優(yōu)化方案

由式⑹可知改善結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)可以通過改善吊NTF，改善吊鉤安裝點(diǎn)阻抗AM，改善吊耳的隔振能力MT來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)修改預(yù)測(cè)結(jié)果，本文采用對(duì)吊鉤車身安裝點(diǎn)做加強(qiáng)焊點(diǎn)并將吊鉤縮短處理，以增強(qiáng)其在問題頻率下的動(dòng)剛度的方法來優(yōu)化其NTF，降低吊耳橡膠硬度來優(yōu)化其MT。

圖9 整改前后對(duì)比

圖9a為二號(hào)吊鉤安裝點(diǎn)加強(qiáng)整改前后NTF曲線，整改后233Hz附近NTF峰值下降顯著，圖9b為整改前后二號(hào)吊鉤Z向振動(dòng)，整改后問題轉(zhuǎn)速下振動(dòng)幅值變小，圖9c為駕駛員右耳聲壓級(jí)整改前后對(duì)比，整改后駕駛員右耳聲壓級(jí)3500RPM峰值被削平。整改后主駕右耳聲壓級(jí)，吊鉤NTF與吊耳MT變化趨勢(shì)與傳遞路徑修改預(yù)測(cè)一致。

3、總結(jié)

本文介紹了時(shí)域傳遞路徑分析/合成方法的基本理論與實(shí)現(xiàn)步驟，對(duì)頻域TPA方法與時(shí)域TPA方法進(jìn)行了對(duì)比，介紹了時(shí)域TPA方法在結(jié)果分析與修改預(yù)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)：時(shí)域TPA合成結(jié)果為時(shí)域信號(hào)，在時(shí)域信號(hào)的基礎(chǔ)上可進(jìn)行濾波回放、修改預(yù)測(cè)與多種聲學(xué)性能指標(biāo)分析；時(shí)域TPA包含結(jié)構(gòu)傳遞路徑中激勵(lì)由主動(dòng)端經(jīng)隔振元件傳至車身端這部分路徑的信息，引入MT傳遞函數(shù)的概念來描述隔振元件對(duì)。

針對(duì)某國(guó)產(chǎn)乘用車三擋加速工況中由排氣吊鉤共振引起的轟鳴聲，建立了排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑模型。通過在模型中虛擬切斷傳遞路徑的方法驗(yàn)證假設(shè)，在修改預(yù)測(cè)中對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)NTF與代表吊耳隔振性能的傳遞函數(shù)MT進(jìn)行優(yōu)化可消除該轟鳴聲，以修改預(yù)測(cè)為指導(dǎo)在樣車上驗(yàn)證，轟鳴聲消失。通過實(shí)例說明了時(shí)域傳遞路徑合成分析技術(shù)在車內(nèi)聲音問題查找與優(yōu)化中的直觀性與便捷性，為整車及子系統(tǒng)的NVH問題查找與優(yōu)化提供了一套行之有效的方法。

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The Application of Time Domain Transfer Path Analysis in Vehicle Interior Noise Optimization

Shi Chenlu1, Kong Chuanxu2
（1.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130; 2.China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300）

Absract:Time Domain Transfer Path Analysis is the method to synthesis vehicle interior noise which is based on multi-input system. Currently time domain TPA has been widely applied in the problem of automotive interior noise trouble shooting and optimization, which behaves more straight forward and convenient than traditional frequency domain TPA in the field of modeling and adjusting the audible predication. Using time domain TPA to recognize the vehicle interior noise caused by the resonance of the exhaust hook for a developing car type is discussed in this paper. Furthermore, the paper goes into the detail of how to adjust the predication value in order to recognize the problem path, how to verify and validate the result on the real car, and providing a creative idea for the optimization and recognition problem of the sub-system of the car.

Interior noise; TPA; TPS; NTF; Exhaust hook

U461.9

A

1671-7988 (2017)02-160-04

史晨路，（1990-）男，在讀碩士研究生，就讀于河北工業(yè)大學(xué)。研究方向：車輛噪聲與振動(dòng)控制。