施朝坤，梁光輝，栗廣生

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司 商用車技術(shù)中心，廣西 柳州 545000；2.廣西壯族自治區(qū)汽車拖拉機(jī)研究所有限公司，廣西 柳州 545006）

隨著現(xiàn)代汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車的NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）逐漸成為消費(fèi)者對(duì)汽車性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中車內(nèi)噪聲直接影響車內(nèi)駕乘人員的舒適性，它的產(chǎn)生是由振動(dòng)激勵(lì)和聲學(xué)激勵(lì)所激發(fā)的能量通過空氣或是車身結(jié)構(gòu)傳至車內(nèi)，在車內(nèi)聲腔疊加所形成［1］。因此，如何準(zhǔn)確識(shí)別能量從激勵(lì)源到車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的各路徑貢獻(xiàn)量，是制訂車內(nèi)噪聲優(yōu)化方案的重要依據(jù)。傳遞路徑分析（TPA）便可實(shí)現(xiàn)對(duì)整車激勵(lì)源和傳播路徑進(jìn)行定量分析，但是目前采用TPA方法來識(shí)別車內(nèi)噪聲的相關(guān)研究中，并沒有對(duì)其模型準(zhǔn)確性及噪聲峰值進(jìn)行性能優(yōu)化預(yù)測(cè)，無法對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。

本文結(jié)合傳遞路徑分析和車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，搭建整車噪聲TPA模型，采用逆矩陣求解方法算出工作載荷，并將其作為試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和路徑貢獻(xiàn)量分析的重要依據(jù)。通過傳遞路勁分析研究，提出了“源—路徑—響應(yīng)”3者的因果關(guān)系，并針對(duì)典型工況下的車內(nèi)噪聲主要峰值提出優(yōu)化建議和性能優(yōu)化預(yù)測(cè)。

1 傳遞路徑分析原理

構(gòu)成汽車車內(nèi)噪聲的因素很多且情況復(fù)雜，假設(shè)所研究的系統(tǒng)是線性不變的，傳遞路徑分析的目的是研究聲能量在各個(gè)路徑上的傳播特性，其核心思想可以將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為“激勵(lì)源—傳遞路徑—目標(biāo)點(diǎn)”分析模型。

根據(jù)傳遞路徑的不同，車內(nèi)噪聲總體上又主要分為結(jié)構(gòu)傳播噪聲和空氣傳播噪聲兩大類。結(jié)構(gòu)傳播噪聲是指激勵(lì)振動(dòng)通過結(jié)構(gòu)件傳遞到車身引起車身振動(dòng)，再由車身鈑金振動(dòng)輻射而形成的噪聲；空氣傳播噪聲則是各種噪聲源所輻射的噪聲通過空氣，經(jīng)由車身板壁、縫隙或者孔洞傳播到車內(nèi)而形成的噪聲［2］。因此，車內(nèi)響目標(biāo)點(diǎn)的噪聲總值等于結(jié)構(gòu)傳播和空氣傳播在不同傳遞路徑下傳播到車內(nèi)的能量疊加，公式如下［3］：

式中，Pint為室內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)噪聲總值，Pi,Stru為第i個(gè)結(jié)構(gòu)傳播噪聲，Pj,air為第j個(gè)空氣傳播噪聲。

結(jié)構(gòu)路徑噪聲總值為結(jié)構(gòu)振源與結(jié)構(gòu)路徑傳遞函數(shù)的乘積，空氣路徑噪聲總值為聲源聲載荷與空氣路徑傳遞函數(shù)的乘積，公式如下：

式中，Hi,Stru為第i個(gè)振源到車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的傳遞函數(shù)，Hj,air為第j個(gè)振源到車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的傳遞函數(shù)，F(xiàn)i,source為第i個(gè)振源的激勵(lì)，Qj,source為第j個(gè)聲源的聲學(xué)激勵(lì)。

將式（2）和式（3）帶入式（1）中，得：

由式（4）可知，通過獲取分析模型的傳遞函數(shù)和工作載荷，即可進(jìn)行傳遞路徑貢獻(xiàn)量分析，確定主要貢獻(xiàn)路徑，為車輛的 NVH 問題分析提供指導(dǎo)意見。

傳遞函數(shù)也稱頻率響應(yīng)函數(shù)，其描述系統(tǒng)輸入與輸出的固有特性，與輸入特性無關(guān)。對(duì)于一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)而言，如果把它輸入激勵(lì)定義為F（ω），輸出激勵(lì)定義為X（ω），那么其輸入與輸出的關(guān)系H（ω）可稱為傳遞函數(shù)。公式如下：

式中，［M］為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，［C］為系統(tǒng)的阻尼矩陣，［K］為系統(tǒng)的剛度矩陣。

傳遞函數(shù)的測(cè)量方法一般有激勵(lì)法和互易法兩種。本文進(jìn)行傳遞函數(shù)測(cè)試時(shí)采用激勵(lì)法：在振動(dòng)激勵(lì)位置用力錘激勵(lì)，同時(shí)測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)，從而獲得激勵(lì)位置和響應(yīng)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)；在噪聲聲源位置用體積點(diǎn)聲源進(jìn)行發(fā)聲，同時(shí)測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)，即可獲得聲源位置和響應(yīng)點(diǎn)的空氣傳遞函數(shù)［4］。

對(duì)于結(jié)構(gòu)聲，工作載荷是各耦合點(diǎn)處每個(gè)自由度上的工作力輸入；對(duì)于空氣聲，工作載荷是聲源的體積速度/加速度。工作載荷的獲取通常有直接法和間接法兩種，本文采用矩陣求逆法來計(jì)算振源或聲源在不同工況下的激勵(lì)力或體積加速度，即在激勵(lì)點(diǎn)之外額外布置參考點(diǎn)，通過測(cè)量各工況下參考點(diǎn)的信號(hào)來計(jì)算工作載荷。

對(duì)于線性系統(tǒng)，當(dāng)有激勵(lì)力F1，F(xiàn)2，……，F(xiàn)n時(shí)，存在響應(yīng)，由系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可得到如下公式［5］：

對(duì)矩陣進(jìn)行求逆，可以得到：

由式（7）可知，通過各參考的響應(yīng)與頻率響應(yīng)函數(shù)的逆矩陣，就可以估計(jì)出各路徑的工作激勵(lì)力，該方法稱為矩陣求逆法。該方法考慮了各路徑之間交叉耦合現(xiàn)象，估計(jì)出的工作激勵(lì)具有較高的精度。為了抑制噪聲，使估計(jì)的激勵(lì)力更加精確，應(yīng)使參考點(diǎn)數(shù)目m不小于激勵(lì)力數(shù)目n，一般取m≥2n。

2 TPA建模及試驗(yàn)方案

2.1 TPA模型構(gòu)建

本文研究對(duì)象為某重型商用牽引車，空氣傳播噪聲主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、進(jìn)排氣、后橋和輪胎等噪聲；結(jié)構(gòu)傳播噪聲只考慮駕駛室4個(gè)懸置被動(dòng)側(cè)3個(gè)方向（X、Y、Z）到室內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的影響。因此，建立車內(nèi)噪聲傳遞路徑分析模型空氣傳播路徑18條，結(jié)構(gòu)噪聲路徑12條。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)傳遞路徑分析理論，需要開展傳遞函數(shù)試驗(yàn)和整車實(shí)際工況數(shù)據(jù)采集。對(duì)于結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)，首先拆除駕駛室懸置及相關(guān)附件，將駕駛室用空氣彈簧支撐使其處于自由狀態(tài)，再根據(jù)構(gòu)建的傳遞路徑分析模型分別在每個(gè)振源點(diǎn)布置2個(gè)振動(dòng)傳感器作為參考點(diǎn)，在司機(jī)右耳布置1個(gè)噪聲傳感器作為目標(biāo)點(diǎn)，使用微型激振器激勵(lì)振源點(diǎn)位置，從而獲得結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)［6］。

針對(duì)空氣傳遞函數(shù)，則需要根據(jù)構(gòu)建的傳遞路徑分析模型在每一個(gè)聲源點(diǎn)布置2個(gè)噪聲傳感器作為參考點(diǎn)，在司機(jī)右耳布置1個(gè)噪聲傳感器作為目標(biāo)點(diǎn)。另外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱噪聲輻射面較大，分別將其等效為6個(gè)聲源點(diǎn)和4個(gè)聲源點(diǎn)，再采用中高頻點(diǎn)聲源分別在每個(gè)聲源點(diǎn)進(jìn)行聲激勵(lì)，在整車狀態(tài)下測(cè)試空氣傳遞函數(shù)。

為了獲取駕駛室懸置激勵(lì)點(diǎn)和聲源點(diǎn)的工作載荷，還需采集車輛實(shí)際運(yùn)行工況下的各個(gè)參考點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的工況數(shù)據(jù)，并通過逆矩陣求解運(yùn)算從而得到實(shí)際的工作載荷。車輛工況測(cè)試時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)和參考點(diǎn)的傳感器布置需和傳遞函數(shù)試驗(yàn)時(shí)完全一致，測(cè)量車輛從30 km/h到90 km/h的勻速工況（每隔10 km/h）和怠速600 r/min到最高轉(zhuǎn)速（每隔100 r/min）的定置工況。

2.3 TPA模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證傳遞路勁分析模型的準(zhǔn)確性，將模型合成的噪聲頻譜曲線和實(shí)測(cè)采集的頻譜曲線進(jìn)行對(duì)比分析，以下例舉怠速工況說明。如圖1所示，實(shí)線表示擬合噪聲頻譜，虛線表示實(shí)車測(cè)試噪聲曲線。

圖1 怠速工況合成和實(shí)測(cè)噪聲頻譜對(duì)比

從圖1可見，在20～400 Hz頻率范圍內(nèi)，噪聲合成結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的頻譜分布基本吻合，在主要關(guān)鍵噪聲峰值頻率上基本能一一對(duì)應(yīng)，合成結(jié)果能完全體現(xiàn)出真實(shí)的噪聲特性。

3 傳遞路徑分析及預(yù)測(cè)

3.1 噪聲貢獻(xiàn)量分析

利用傳遞路徑分析模型可將室內(nèi)噪聲分解為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲。原地怠速工況，通過分析，室內(nèi)噪聲主要以結(jié)構(gòu)傳播噪聲為主，占比72%，空氣傳播噪聲占比僅28%。該工況下，室內(nèi)噪聲主要以受到駕駛室懸置激勵(lì)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)鈑金振動(dòng)而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲為主。通過貢獻(xiàn)量分析，貢獻(xiàn)量由大到小依次為（前3個(gè)）：右前懸Z向、發(fā)動(dòng)機(jī)下、右后懸Z向。

針對(duì)勻速行駛80 km/h工況，經(jīng)分析室內(nèi)噪聲主要以空氣傳播噪聲為主，占70%，結(jié)構(gòu)傳播噪聲僅占30%。該工況下，室內(nèi)噪聲主要以車外聲源噪聲通過縫隙或者孔洞等傳到室內(nèi)的空氣噪聲為主。通過貢獻(xiàn)量分析，貢獻(xiàn)量由大到小依次為（前3個(gè)）：排氣口、后橋和左后懸置Z向。

3.2 傳遞路徑分析

根據(jù)傳遞路徑分析理論，可以將任何一條路徑按“源—傳遞函數(shù)—目標(biāo)點(diǎn)”的思路進(jìn)分析［7］。以怠速工況30 Hz噪聲峰值頻率為例，經(jīng)頻率貢獻(xiàn)量分析得知，在峰值頻率30 Hz的情況下，駕駛室右前懸置Z向傳播路徑貢獻(xiàn)量最大。

針對(duì)怠速工況30 Hz噪聲峰值，根據(jù)頻率貢獻(xiàn)量分析結(jié)論，對(duì)駕駛室右前懸Z向的傳遞路徑進(jìn)行傳遞路徑分析（如圖2所示），該路徑下傳遞函數(shù)出現(xiàn)明顯峰值，同時(shí)右前懸Z向的激振力很大，因此引起30 Hz的噪聲峰值是傳遞函數(shù)和激勵(lì)載荷大共同導(dǎo)致。

圖2 頻率傳遞路徑分析（30 Hz）

按照相同的思路，可以分析其他工況車內(nèi)噪聲主要噪聲峰值產(chǎn)生的原因（見表1）。

表1 主要工況主要峰值頻率分析

3.3 噪聲優(yōu)化預(yù)測(cè)

根據(jù)傳遞路徑分析模型和結(jié)論，可以通過調(diào)整傳遞函數(shù)或工作載荷數(shù)值的方式來評(píng)估優(yōu)化方案對(duì)室內(nèi)噪聲的優(yōu)化降噪效果，以怠速工況30 Hz噪聲峰值頻率為例。

針對(duì)怠速車內(nèi)噪聲，主要噪聲峰值為30 Hz、90 Hz和250 Hz，可以通過減少懸置振動(dòng)激勵(lì)的大小和優(yōu)化局部傳遞結(jié)構(gòu)改善傳遞函數(shù)，從而降低這些頻率的噪聲。通過分析模型修改，預(yù)測(cè)車內(nèi)噪聲能降低1.8 dB（A）（如圖3所示）。

圖3 怠速工況下噪聲優(yōu)化預(yù)測(cè)

4 結(jié)論

本文以某重型商用車作為研究對(duì)象，針對(duì)車內(nèi)噪聲性能進(jìn)行了傳遞路徑試驗(yàn)方案、貢獻(xiàn)量數(shù)值分析和噪聲性能修改預(yù)測(cè)研究，得出如下結(jié)論：①根據(jù)傳遞路徑分析理論，建立分析模型，通過對(duì)比車內(nèi)噪聲目標(biāo)點(diǎn)聲壓信號(hào)的實(shí)測(cè)響應(yīng)和合成響應(yīng)的一致性，驗(yàn)證了構(gòu)建傳遞路徑模型的可靠性，貢獻(xiàn)量分析結(jié)論可以達(dá)標(biāo)被測(cè)車輛的原始聲學(xué)特性。②通過噪聲貢獻(xiàn)量分析，對(duì)室內(nèi)噪聲完成了空氣聲和結(jié)構(gòu)聲的噪聲分離，進(jìn)而明確了原地怠速工況以結(jié)構(gòu)傳播噪聲為主，右前懸Z向是最主要貢獻(xiàn)路徑；而勻速80 km/h工況以空氣傳播噪聲為主，排氣口貢獻(xiàn)量最大，并通過修改工作載荷和傳遞函數(shù)性的方式預(yù)測(cè)整車噪聲性能，評(píng)估優(yōu)化方案的有效性。③本文系統(tǒng)地開展了整車室內(nèi)噪聲傳遞路徑分析的模型建立、試驗(yàn)方案、數(shù)值分析及性能評(píng)估研究，并驗(yàn)證了模型搭建和試驗(yàn)方案的效果，對(duì)整車噪聲性能分析具有參考意義。