盧明洋，周 毅，靳 暢，李冰杰

（1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804）

基于傳遞路徑分析的關(guān)門聲貢獻(xiàn)量研究

盧明洋1，周 毅2，靳 暢2，李冰杰1

（1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804）

為了改善汽車關(guān)門聲品質(zhì)，研究不同部件對汽車關(guān)門噪聲的貢獻(xiàn)量，采用了傳遞路徑分析（TPA）方法。根據(jù)TPA的基礎(chǔ)理論，車門和車身發(fā)生碰撞的部位均為激勵源，由于激勵源為環(huán)狀，進(jìn)行了離散化處理，建立了汽車關(guān)門的傳遞路徑模型，并對某款車進(jìn)行了關(guān)門噪聲試驗。通過試驗驗證了離散化處理和所建模型的準(zhǔn)確性，同時得到車門、車身和門鎖對關(guān)門噪聲總體以及不同頻率下的貢獻(xiàn)量。根據(jù)試驗結(jié)果，車門的噪聲貢獻(xiàn)主要集中在中頻和高頻，車身主要是低頻和中頻的噪聲貢獻(xiàn)，而門鎖在低、中、高頻都具有較大貢獻(xiàn)量。

關(guān)門聲；傳遞路徑；分析貢獻(xiàn)量

0 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對汽車的NVH性能（Noise Vibration Harshness）關(guān)注度越來越高。關(guān)門聲品質(zhì)即屬于汽車NVH性能之一。顧客在買車時，通常會把汽車的關(guān)門聲作為衡量汽車質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一[1]。在研究關(guān)門聲的文獻(xiàn)中，往往是對關(guān)門聲進(jìn)行仿真或者采集整體的關(guān)門聲，而少有關(guān)于不同部件對關(guān)門聲貢獻(xiàn)方面的試驗研究。汽車在關(guān)門過程中，會產(chǎn)生一系列的沖擊噪聲，包括車門門板、車身板件以及門鎖（鎖體和鎖扣）振動所產(chǎn)生的噪聲。因此關(guān)門聲可看作是一系列機(jī)械部件產(chǎn)生的沖擊噪聲的集合[2]。為了研究不同部件對關(guān)門聲的貢獻(xiàn)，本文采取了傳遞路徑分析（TPA）方法。利用LMS Testlab/TPA模塊，可以有效地獲得每個路徑對關(guān)門聲的貢獻(xiàn)量，并可以對結(jié)果進(jìn)行驗證。本文建立了汽車關(guān)門過程的傳遞路徑分析模型，通過試驗數(shù)據(jù)采集和LMS軟件計算，得到不同部件對關(guān)門噪聲聲壓大小和不同頻率下的貢獻(xiàn)量，為后續(xù)改善關(guān)門聲品質(zhì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 TPA基礎(chǔ)理論

TPA的基本思想來源于線性系統(tǒng)的思想。對于一個線性系統(tǒng)，輸入與輸出的關(guān)系可表示為其中h(t)為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。對于N個輸入單個輸出的系統(tǒng)，則輸入與輸出的關(guān)系為在研究汽車的噪聲與振動時，系統(tǒng)是輸入稱為“源”，源通過汽車內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)板件以及空氣傳遞振動與噪聲信號，稱為“路徑”，在所感興趣的地方布置傳感器采集振動或者聲音信號，這些地方稱為“接收點（目標(biāo)點）”。通過計算每個激勵源通過每條路徑傳遞到接收點的響應(yīng)，將這些響應(yīng)疊加，便可得到接收點的總響應(yīng)。將用該方法計算得到的接收點響應(yīng)與實際用傳感器測得的該接收點的響應(yīng)進(jìn)行比較，可以判斷TPA的模型構(gòu)建的是否準(zhǔn)確。通過采用傳遞路徑分析，可有效識別不同激勵源對目標(biāo)點的貢獻(xiàn)量，為降低或改善噪聲與振動提供基礎(chǔ)[3～5]。

需要強(qiáng)調(diào)的是，TPA與普通的線性現(xiàn)象有所不同。當(dāng)輸入為帶有相位的頻譜時，傳遞路徑分析需要進(jìn)行矢量的疊加。在進(jìn)行分組試驗時，需要一個共同的參考點，以進(jìn)行相位的疊加。

為了計算得到激勵源到目標(biāo)點的響應(yīng)，需要知道激勵源的信號以及源通過不同路徑傳遞到目標(biāo)點的傳遞函數(shù)。

1.1 激勵力

在試驗過程中，雖然激勵源的信號輸入有多種形式，但在分析汽車振動噪聲問題時，最常采用的還是力輸入。結(jié)構(gòu)傳遞路徑分析中常采用的激勵力識別方法有：直接測量法、矩陣求逆法、動態(tài)復(fù)剛度法、單路徑求逆法和激勵點反演法等。本論文中采用的是矩陣求逆法，因此僅對該方法進(jìn)行簡介。

對于一個線性的振動系統(tǒng)，當(dāng)有激勵力F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)N存在時，存在響應(yīng)（通常為加速度響應(yīng)）A1，A2，…，Am。由系統(tǒng)方程得：

因此激勵力可用下式估計：

或者簡寫為：

其中，{F(f)}為激勵力組成的向量；{A(f)}為響應(yīng)向量。本文中，在激勵源附近粘貼加速度傳感器，這些粘貼的點被稱為參考點。加速度傳感器測量1到3個平動自由度的加速度，因此A1，A2，…，Am為參考自由度。Hij為輸入Fj到響應(yīng)Ai的傳遞函數(shù)。

1.2 振動傳遞函數(shù)

在結(jié)構(gòu)傳遞路徑中，激勵為振動，參考點和目標(biāo)點的響應(yīng)可能為振動或者聲音，因此振動傳遞函數(shù)有兩種形式：振-振傳遞函數(shù)和振-聲傳遞函數(shù)。通常采用以下兩種方法獲得振動傳遞函數(shù)：力錘激勵法和互易法。本文僅涉及力錘激勵法。

當(dāng)在激勵源施加力錘激勵信號時，激勵信號通過各條路徑傳遞到目標(biāo)點。正如上文中所提到的，試驗過程中會在激勵源附近選取參考點并粘貼加速度傳感器。因此激勵力會同時引起參考點和目標(biāo)點的響應(yīng)。在本文所研究的關(guān)門聲問題中，目標(biāo)點放置的是采集聲音信號的麥克風(fēng)。因此激勵點到參考點的傳遞函數(shù)即為振—振傳遞函數(shù)，即上文中的 ；激勵點到目標(biāo)點的傳遞函數(shù)為振—聲傳遞函數(shù)，這里記為

圖1 力錘激勵法識別振動傳遞函數(shù)

設(shè)目標(biāo)點的個數(shù)為q，則有：

由式(2)和式(4)可得：

試驗過程中，激勵力、加速度和聲音信號均為已知，因此可以得到振—振傳遞函數(shù)[H(f)]m×N和振—聲傳遞函數(shù)[T(f)]q×N。在實際工況中，根據(jù)式(5)，便可由參考點的加速度信號擬合出目標(biāo)點的聲音信號，同時得到各個激勵源對目標(biāo)點的聲音貢獻(xiàn)量。

2 TPA建模與試驗

汽車在關(guān)門過程中，車門與車身、鎖體和鎖扣均會發(fā)生碰撞。因此認(rèn)為汽車關(guān)門噪聲的源為車門與車身發(fā)生碰撞的一圈結(jié)構(gòu)（分別位于車門和車身上）、鎖扣和鎖體的碰撞點（分別位于鎖扣與鎖體上）。而實際上，車身與車門之間存在密封條，二者并不是直接碰撞。由于密封條具有明顯的非線性特性，且難以用力錘激勵，因此在試驗中，力錘的激勵點位于車門里側(cè)和車身上密封條內(nèi)部和附近的金屬板件。鎖扣和鎖體的碰撞點也難以用力錘進(jìn)行激勵，因此試驗過程中，激勵源選在碰撞點附近的位置。再者，車門與車身發(fā)生碰撞的為一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而力錘激勵只能激勵單個的點，因此需要進(jìn)行離散化的處理。即雖然車門和車身的激勵源分別只有一個，但不是傳統(tǒng)的點激勵源中的點，而是環(huán)狀。因此把該環(huán)狀激勵源分解為若干段，當(dāng)作同時存在的若干個點激勵源。實際試驗中，在車門與車身上分別選取了一些較好的點作為力錘激勵點（激勵源），這些激勵點即為傳遞路徑的起點（傳遞路徑的終點為目標(biāo)點）。

這里需要討論一下以上的處理對試驗結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。首先是密封條的非線性特性對試驗的影響。根據(jù)TPA的基礎(chǔ)理論，傳遞路徑的分析僅涉及源（路徑的起點）、路徑和目標(biāo)點（路徑的終點）。在關(guān)門過程中，雖然車門與密封條碰撞，密封條的振動再引起車身的振動。但是車身上激勵點的振動通過板件和空氣的振動最終傳遞到目標(biāo)點，傳遞路徑上不會經(jīng)過密封條，因此認(rèn)為這些傳遞路徑基本是線性的（這樣處理就相當(dāng)于認(rèn)為密封條的振動不會引起噪聲，對試驗結(jié)果具有一定的影響）。其次是離散化處理對試驗的影響。以本文中的車門為例，如果車門整個系統(tǒng)是完全線性的，即車門上不同點的振動始終存在線性關(guān)系，根據(jù)TPA的基礎(chǔ)理論，僅一個激勵點就能代表車門的振動，即能擬合出車門的噪聲貢獻(xiàn)。而實際上，車門不是完全線性的，因此選取足夠數(shù)目的激勵點能夠較好的保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)以上分析，并參考文獻(xiàn)[2]，在車門里側(cè)選取了9個激勵點，僅考慮車門的Y向（整車坐標(biāo)系，下同）振動，共有9條傳遞路徑。由于要保證m≥2N，在車門外側(cè)粘貼了18個單向加速度傳感器（即為參考點）。對于車身，選取了8個激勵點，考慮到車身上X，Y，Z三個方向都具有較為明顯的振動，在車身上選取了16個參考點，粘貼三向加速度傳感器。鎖扣和鎖體考慮激勵源X，Y，Z三個方向的振動，因此分別具有三個傳遞路徑，各需要6個參考自由度，即粘貼兩個三向加速度傳感器。如圖9所示，為本文關(guān)門聲試驗的所有激勵點和參考點的大致位置。

圖2 測點模型

圖3 加速度傳感器布點位置

整個試驗在半消聲室內(nèi)進(jìn)行。使用的加速度傳感器為PCB公司的ICP壓電晶體加速度傳感器，圖3為實際試驗中某些加速度傳感器的布點位置。力錘采用PCB公司的ICP力錘。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為LMS公司的SCADAS316。數(shù)據(jù)采集和記錄軟件為LMS Testlab。試驗中選取了一個目標(biāo)點——關(guān)門操作者耳朵中心。具體位置如圖4所示。在該位置布置G.R.A.S公司的ICP壓電式麥克風(fēng)。

圖4 目標(biāo)點位置

試驗主要分為兩大部分：傳遞函數(shù)的測量和工況數(shù)據(jù)的采集。測量傳遞函數(shù)時，由于關(guān)門過程中車門和車身激勵點的振動主要是Y向的振動，因此僅在Y向用力錘進(jìn)行激勵；對鎖扣和鎖體的激勵點進(jìn)行X，Y，Z三個方向的激勵。力錘進(jìn)行激勵時，同時采集參考點的加速度信號和目標(biāo)點的聲音信號，即可同時得到振—振傳遞函數(shù)和振—聲傳遞函數(shù)。由于試驗條件的限制，試驗分三組進(jìn)行。采集工況數(shù)據(jù)時，為了保證每次關(guān)門速度大致相同，采用了橡皮筋（如圖5所示）和一個速度傳感器（如圖6所示）。

圖5 橡皮筋

圖6 關(guān)門測速裝置

3 試驗結(jié)果分析

在LMS/TPA模塊中，對車門、車身、鎖體和鎖扣上的各條路徑對目標(biāo)點的貢獻(xiàn)進(jìn)行合成，并與實際在目標(biāo)點測量的關(guān)門聲信號進(jìn)行對比，得到結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，通過TPA合成的目標(biāo)點關(guān)門噪聲與實測結(jié)果在頻域上的趨勢大體相同，驗證了關(guān)門聲傳遞路徑建模及試驗的準(zhǔn)確性。

圖7 目標(biāo)點關(guān)門噪聲合成與實測結(jié)果

實測噪聲與合成噪聲之間存在一定的差異，分析誤差產(chǎn)生原因可能有以下四點：

1）本試驗沒有考慮空氣傳遞路徑（結(jié)構(gòu)傳遞路徑與空氣傳遞路徑所產(chǎn)生的噪聲在本試驗中難以進(jìn)行分離）。實際上關(guān)門過程中密封條壓縮擠壓空氣，直接引起空氣振動，產(chǎn)生噪聲；

2）試驗為分組進(jìn)行，每次采集工況數(shù)據(jù)時關(guān)門速度無法保證完全一致；

3）進(jìn)行路徑擬合時沒有考慮車門與車身之間的路徑耦合；

4）整個系統(tǒng)并不是完全線性的。

圖8為各條路徑對關(guān)門聲的貢獻(xiàn)譜圖，圖9為各條路徑對關(guān)門聲的貢獻(xiàn)量。

圖8 各條路徑對關(guān)門聲的貢獻(xiàn)譜

圖9 各條路徑對關(guān)門聲的貢獻(xiàn)量

由圖8可以看到，合成結(jié)果與實測關(guān)門聲在頻域上存在一定的差別，但基本相近。鎖體和鎖扣的Y向振動是所有路徑中貢獻(xiàn)最大的兩條。而從圖9可以看出，實測關(guān)門聲與合成關(guān)門聲的dB值基本相同。由于車身與車門上的傳遞路徑是連續(xù)的環(huán)形，還需要將以上單個傳遞路徑進(jìn)行分組整合。

將路徑分組，分為車門，車身和門鎖，得到如圖10所示結(jié)果。為了清晰的觀察車身、門鎖和車門在不同頻率下對關(guān)門噪聲的貢獻(xiàn)，將其處理為1/3倍頻程圖，如圖11所示。

圖10 各組路徑對關(guān)門聲的貢獻(xiàn)譜

從圖10和11可以看到，車身振動產(chǎn)生的噪聲主要是低頻和中頻噪聲；車門產(chǎn)生的噪聲主要集中在中頻和高頻；而門鎖的噪聲在低、中、高頻都對關(guān)門聲具有較大的貢獻(xiàn)量。同時也可以總結(jié)出，汽車的關(guān)門聲不僅與門鎖的碰撞有關(guān)，與車門和車身的結(jié)構(gòu)也密切相關(guān)。

需要指出，通過本試驗得到的門鎖對關(guān)門聲的貢獻(xiàn)，不僅包括門鎖本身振動產(chǎn)生的噪聲，也包括由于門鎖受到激勵而引起的車身與車門振動所產(chǎn)生的噪聲。因此門鎖在低、中、高頻都具有較大的貢獻(xiàn)量是合理的。

圖11 各組路徑貢獻(xiàn)的1/3倍頻程

4 結(jié)束語

本文根據(jù)TPA的基礎(chǔ)理論，對汽車關(guān)門這一過程進(jìn)行建模和試驗，通過TPA的方法研究了汽車關(guān)門噪聲的貢獻(xiàn)因素和貢獻(xiàn)量。與傳統(tǒng)的傳遞路徑不同的是，關(guān)門傳遞路徑模型中激勵源為一環(huán)狀，并不是點激勵源。因此本文在建模過程進(jìn)行了離散化的處理，將環(huán)狀的激勵源看作是一定數(shù)目的點激勵源。根據(jù)試驗結(jié)果，首先驗證了所建立的TPA模型的準(zhǔn)確性。其次，得到了車身、車門和門鎖三個部件對關(guān)門聲的整體貢獻(xiàn)量以及它們在不同頻率下的貢獻(xiàn)量。根據(jù)所得結(jié)果，可以為關(guān)門噪聲的優(yōu)化提供依據(jù)。

另外，本試驗也得到了關(guān)門過程中各個激勵點的關(guān)門力，為后續(xù)關(guān)門過程的諧響應(yīng)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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The contribution to door closing sound research based on transfer path analysis

LU Ming-yang1, ZHOU Yi2, JIN Chang2, LI Bing-jie1

U467.1+2

：A

：1009-0134(2017)05-0068-05

2017-01-22

盧明洋（1992 -），男，河南信陽人，在讀研究生，研究方向為汽車試驗。