李京福 鄂世國 葛鑫 郭風(fēng)晨

（華晨汽車工程研究院）

如何改善駕駛室內(nèi)的聲學(xué)環(huán)境、降低車內(nèi)噪聲水平、提高車輛NVH 性能已成為當(dāng)今汽車界研究的重點(diǎn)之一。大量研究和試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)引起的車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲大部分由發(fā)動(dòng)機(jī)慣性激勵(lì)引起?；谧酉到y(tǒng)頻率響應(yīng)的傳遞路徑分析（TPA），可確定各子系統(tǒng)的傳遞路徑流入的激勵(lì)能量在整個(gè)問題中所占的比例，識(shí)別對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)最大的傳遞路徑。同時(shí)可以對(duì)比分析每條路徑的傳遞函數(shù)和傳遞激勵(lì)，綜合分析引起傳遞噪聲過大的原因[1]，對(duì)噪聲傳遞路徑識(shí)別及車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲控制具有重要的理論意義和工程價(jià)值[2]。基于此，文章以某SUV 為研究對(duì)象，針對(duì)其駕駛室內(nèi)的噪聲情況進(jìn)行了分析與改善。

1 駕駛室內(nèi)噪聲

在某SUV 工裝樣車階段，車內(nèi)前排乘員主觀感受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 500 r/min 時(shí)，存在明顯轟鳴聲。通過加速噪聲客觀試驗(yàn)測(cè)試可以明顯發(fā)現(xiàn)：加速噪聲中2 階成分在3 500 r/min 存在明顯的峰值，且超出指標(biāo)12 dB。鑒于試驗(yàn)方法查找問題較為困難，需借助仿真手段進(jìn)行問題根源的查找。

在建模過程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。假設(shè)車身結(jié)構(gòu)為線性系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上所有激勵(lì)力的分量和某接受體形成總的響應(yīng)系統(tǒng)[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)通過3 個(gè)懸置點(diǎn)與車身相連，每個(gè)懸置考慮X，Y，Z 3 個(gè)平動(dòng)自由度，則發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)共通過3×3 即9 條路徑傳遞到車身。由此，影響駕駛室內(nèi)噪聲問題共有9 條傳遞路徑。

2 車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑分析

總響應(yīng)噪聲主要是由載荷或噪聲傳遞函數(shù)（NTF）決定的[4]。TPA 考慮來自各方向不同路徑的所有貢獻(xiàn)量構(gòu)成的總響應(yīng)，找出對(duì)車內(nèi)振動(dòng)噪聲起主導(dǎo)作用的路徑，通過優(yōu)化具體問題路徑，使車內(nèi)振動(dòng)噪聲控制在目標(biāo)值之內(nèi)。通過有限元方法中的板貢獻(xiàn)量分析快速地找出引起駕駛室轟鳴的板件，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 仿真模型創(chuàng)建

車身是噪聲與振動(dòng)的傳遞通道，各種噪聲與振動(dòng)源通過車身傳入車內(nèi)。分析車身結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性可以更好地掌握振動(dòng)傳遞和噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，進(jìn)而為車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)、傳遞路徑分析以及板件聲學(xué)貢獻(xiàn)分析等提供依據(jù)。準(zhǔn)確的有限元模型是查找問題的基礎(chǔ)和前提，某SUV 的TrimmedBody 有限元模型，如圖1 所示。

圖1 某SUV TrimmedBody 有限元模型

激勵(lì)力和頻率響應(yīng)函數(shù)是TPA 分析的輸入量。本研究中發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力識(shí)別采用的是逆矩陣法，懸置處傳感器布點(diǎn)，如圖2 所示。使用所有的載荷和參考點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過被動(dòng)側(cè)測(cè)試點(diǎn)響應(yīng)與傳遞函數(shù)逆矩陣相乘得到載荷力。

圖2 某SUV 懸置傳感器布點(diǎn)

2.2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)

基于TrimmedBody 模型，在懸置中心處加載發(fā)動(dòng)機(jī)加速實(shí)際激勵(lì)，利用TPA 法得到駕駛室內(nèi)的噪聲響應(yīng)。仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，如圖3 所示。仿真問題頻率出現(xiàn)在3 670 r/min 處，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，可以接受。

圖3 駕駛員右耳噪聲曲線仿真與試驗(yàn)對(duì)比情況

在3 670 r/min 處，經(jīng)過TPA 分析發(fā)現(xiàn)從發(fā)動(dòng)機(jī)懸置Z 向到駕駛員右耳處路徑的貢獻(xiàn)最大，路徑貢獻(xiàn)量，如圖4 所示。由于通過試驗(yàn)手段進(jìn)行優(yōu)化，需要在路徑上增加方案不斷驗(yàn)證，周期較長(zhǎng)，而通過仿真手段則能夠快速進(jìn)行方案驗(yàn)證，指導(dǎo)設(shè)計(jì)進(jìn)行工程更改。

圖4 各路徑到駕駛員右耳處噪聲貢獻(xiàn)量圖

3 670 r/min 對(duì)應(yīng)2 階頻率為122 Hz，在122 Hz 處駕駛員右耳噪聲傳遞函數(shù)存在明顯峰值，為54.9 dB，高于其他路徑峰值，如圖5 所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置Z 向傳遞函數(shù)示意圖

3 問題根源查找

汽車受發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)力的作用，該力通過不同的傳遞路徑引起車身結(jié)構(gòu)板件的振動(dòng)，從而向車內(nèi)輻射大量噪聲。因此為了準(zhǔn)確找到車內(nèi)的輻射板件，需要進(jìn)行板貢獻(xiàn)量分析。由于查找問題板件的精確程度取決于板劃分的細(xì)致程度，對(duì)于較大且垂直于X 向的板件（如風(fēng)擋、火墻、下橫梁等）需要?jiǎng)澐殖?～3 塊板。板塊劃分，如圖6 所示。

圖6 某SUV 耦合板劃分示意圖

板貢獻(xiàn)量分析，如圖7 所示。通過板貢獻(xiàn)量分析發(fā)現(xiàn)：右側(cè)玻璃下橫梁貢獻(xiàn)最大，為44.5%；其次為右側(cè)風(fēng)擋玻璃貢獻(xiàn)，為20%；右側(cè)火墻貢獻(xiàn)21.1%。由此可見，122 Hz 處NTF 產(chǎn)生峰值是由于右側(cè)局部振動(dòng)并與聲腔產(chǎn)生耦合引起的，并且右側(cè)玻璃下橫梁出風(fēng)口處貢獻(xiàn)最大。

圖7 板貢獻(xiàn)量分析圖

利用工作模態(tài)動(dòng)畫（ODS）分析發(fā)現(xiàn)：122 Hz 處聲腔沿X 向的模態(tài)與出風(fēng)口的局部振動(dòng)發(fā)生耦合，如圖8 所示。由于NTF 的峰值取決于板件的振動(dòng)，因此可以鎖定其為噪聲問題的來源。

圖8 122 Hz 汽車空調(diào)出風(fēng)口ODS 示意圖

4 方案改進(jìn)

4.1 仿真驗(yàn)證

實(shí)車測(cè)試時(shí)，將動(dòng)力吸震器放置在仿真方法找出的問題來源位置，駕駛員右耳處噪聲峰值明顯下降，轟鳴問題得到改善。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，此SUV 車型下橫梁靠近空調(diào)出風(fēng)口，板件厚度為0.8 mm，上下跨度較大，且沒有局部支撐。利用仿真模型，在空調(diào)出風(fēng)口附近增加2 個(gè)立板，分別沿著出風(fēng)口上下支撐和斜向搭接到流水槽上方，如圖9 所示。

圖9 某SUV 空調(diào)出風(fēng)口改進(jìn)方案示意圖

優(yōu)化后，在122Hz 處，從發(fā)動(dòng)機(jī)懸置Z 向到駕駛員右耳的NTF 明顯改善，前后對(duì)比情況，如圖10 所示。

圖10 某SUV 空調(diào)出風(fēng)口優(yōu)化前后噪聲對(duì)比示意圖

4.2 測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)仿真驗(yàn)證的方案進(jìn)行樣件試制，并用于實(shí)車主觀測(cè)評(píng)和客觀數(shù)據(jù)測(cè)試。實(shí)車方案，如圖11 所示。

圖11 仿真驗(yàn)證后的樣件用于實(shí)車方案示意圖

最終實(shí)車主觀感受駕駛員右耳轟鳴問題消失，經(jīng)客觀評(píng)價(jià)，在3 500 r/min 處的噪聲響應(yīng)峰值由75 dB下降到64 dB，下降明顯，雖略高于指標(biāo)，但可接受。改進(jìn)前后噪聲響應(yīng)對(duì)比情況，如圖12 所示。

圖12 改進(jìn)前后實(shí)車噪聲響應(yīng)曲線對(duì)比圖

5 結(jié)論

文章針對(duì)某款SUV車型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 500 r/min時(shí)產(chǎn)生的轟鳴問題，基于TPA 分析原理，并利用仿真手段進(jìn)行問題根源的查找，最后結(jié)合試驗(yàn)對(duì)車內(nèi)噪聲問題進(jìn)行改善。通過轟鳴問題的解決分析，證明了基于TPA 方法，利用TrimmedBody 模型計(jì)算整車發(fā)動(dòng)機(jī)加速噪聲方法的可行性和適用性，同時(shí)也證明了TPA 方法是一種能夠快速、高效解決駕駛室轟鳴問題的方法。文章中空調(diào)出風(fēng)口的設(shè)計(jì)缺陷，也為設(shè)計(jì)師提供了應(yīng)避免無特征大板件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路。板件的輻射振動(dòng)對(duì)轟鳴問題有較大影響，可能引起整車NVH 問題。因此在開發(fā)前期設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量提高板件的剛度，使其與聲腔模態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率錯(cuò)開，防止共振的發(fā)生。