關于某SUV車內轟鳴聲的分析與研究

王海濤，劉 鵬，李 平，姜元平

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心，河北，保定 071000）

汽車轟鳴聲會給駕乘者帶來主觀上的不舒適感，焦躁不安、甚至頭暈惡心。轟鳴問題通常是由乘坐室壁板結構振動和空腔聲學模態耦合引起，進而影響整車舒適性。因此，車內轟鳴聲的分析與控制研究顯得尤為重要。

1 轟鳴聲的產生機理

車輛乘坐室的壁板不是剛性的，是由鋼板沖壓焊接而成的，具有自身結構的振動模態。空氣作為彈性體在乘坐室封閉的空腔體內會形成許多振動模態和聲腔模態。當腔體內的空氣受到壓縮時，會發生體積變化，與乘坐室壁板的結構振動在低頻范圍內有很強的耦合作用。這種低頻的耦合模態在激勵下如果響應很大，便會在車內產生很高的壓力脈動，引起駕乘人員的不舒適感，這種現象被稱為轟鳴聲（Boom）[1]。

轟鳴聲屬于低頻噪聲，通常在25～100 Hz頻率范圍內產生，根據激勵方式不同轟鳴聲分為幾種：發動機怠速轟鳴聲，主要考慮頻率范圍在20～35 Hz內，由發動機慣性載荷引起；傳動系統轟鳴聲，主要考慮頻率范圍在30～80 Hz內，一般是由傳動軸質量不平衡和后軸激勵引起[2]；排氣系統轟鳴聲，主要考慮頻率范圍在20～100 Hz內[2]，由排氣系統共振引起；不規則路面引起的沖擊轟鳴聲，主要考慮頻率范圍在20～100 Hz內；車身轟鳴聲，影響轟鳴的車身模態有整車彎曲模態、車身地板局部模態、車身側圍板局部模態、備胎槽局部模態、后備廂蓋模態、頂棚局部模態、聲腔模態，主要有兩階聲腔模態需要引起重視，一階50～60 Hz，二階100～110 Hz。

轟鳴聲的產生有 3個因素：密閉乘坐室空腔、激勵源、乘坐室壁板結構振動和空腔聲學模態耦合[3]。分析轟鳴聲的目的在于找到轟鳴聲的激勵源以及發生耦合的模態頻率和振動板件，通過對以上3個要素的控制，從而實現乘坐室內轟鳴聲的控制。

2 問題描述

某新研發的SUV樣車，在試制階段，主觀評價發現全負荷加速工況發動機轉速達到1 700 r/min時，車內后排乘客能明顯感覺到轟鳴聲，若該車型投放市場，必然引起顧客抱怨，影響市場銷售，因此必須徹底消除加速轟鳴問題。

3 原因分析

3.1 道路測試

在平直道路上對車內后排噪聲進行NVH測試，在后排乘客右耳位置布置麥克風，變速器掛3擋，進行全負荷加速工況測試，測試結果如圖1所示。

從圖1可以看出，當發動機轉速達到1 700 r/min時，車內噪聲存在明顯噪聲峰值，發動機二階頻率貢獻量較大。樣車為直列4缸四沖程發動機，轟鳴聲頻率為57 Hz，由于該頻率較低，初步判定為車身結構共振，引起車內后排轟鳴聲。

3.2 白車身模態試驗

為進一步確認問題，對該樣車進行白車身模態試驗。樣車采用自由—自由約束條件，用4條橡膠皮帶分別固定車身前后4處位置，使車身懸掛，防止車身—彈性系統的剛體模態與車身的彈性模態相耦合。激勵方式采取多點激勵法，在車身前部縱梁處布置一個電磁激振器激振z向，在車身后部縱梁處布置一個電磁激振器激振y向，在車身后端面布置一個電磁激振器激振z向。激勵信號采取觸發隨機信號，為能體現車身結構特征，在車身結構剛度較大的骨架等位置布置測點。分析頻段取用0～200 Hz，頻率分辨率為0.25 Hz。白車身模態測試結果見表1。

表1 白車身模態測試結果

白車身的第12階模態是車身后地板局部模態，頻率為62 Hz（表1），與1 700 r/min問題點頻率57 Hz接近，該轟鳴聲有可能為后地板局部變形，向車內輻射噪聲。

3.3 工作變形試驗

為進一步確認車內后排轟鳴聲是否由車身后部地板局部模態引起，對樣車進行整車工作變形試驗[4]。采用PCB三向加速度傳感器布置測點，能夠明確顯示車身所有模態變形的結構點，對問題點后地板區域可以多布置測點。設置分析帶寬為2 048 Hz，頻率分辨率為0.5 Hz，在平直道路上進行3擋全負荷加速工況測試。采集實際工作情況下整車振動特性。對采樣數據進行分析（表2），發現在全負荷加速工況1700 r/min時工作變形情況與白車身62 Hz的1階模態振型基本一致，如圖3所示。

表2 樣車工作變形測試結果

3.4 聲腔模態分析

為驗證車身板件振動模態與空腔聲學模態是否存在耦合，對駕駛室內的空腔聲學進行了建模模態分析。空腔有限元模型平均單元尺寸大小為50 mm的六面體網格建立空腔體網格單元，并考慮儀表板、前圍板、座椅等對空腔模態的影響。根據問題頻率，設置分析頻率范圍在0～100 Hz。空腔模型的一階模態頻率為58.5 Hz，與后地板振動頻率57 Hz接近，振型如圖4所示，頻率與振型都與后地板的模態存在耦合。

通過白車身模態和工作變形的試驗分析結果，都可以看出工作變形在1 700 r/min時的振型與白車身62 Hz模態振型基本一致，通過聲腔模態建模分析，存在縱向1階模態頻率為58.5 Hz，說明整車加速工況下車內后排1 700 r/min轟鳴聲，由車身后地板振動與空腔聲學模態耦合產生。

4 優化及驗證

4.1 優化方案

根據上述分析結果，為控制車內的轟鳴問題，必須將地板的模態與車內空間聲場的模態分開[5]。因此這里對車身后地板進行結構優化，增加兩根加強梁（圖5），以提高其剛度和模態頻率，從而使后地板模態避開聲固耦合頻率區域。圖6為改進后模態地板局部模態的分析結果。可以看出后地板模態頻率提高到71 Hz，提高了9 Hz，足以避開1階空腔模態頻率58.5 Hz。

4.2 試驗驗證

對實施優化方案后的樣車進行主觀評價，發現1 700 r/min轟鳴聲明顯降低，達到可接受狀態。同時，對該樣車進行客觀數據測試，從3擋全負荷加速工況下車內噪聲數據（圖7）的前后對比上可以看出，轟鳴聲較原狀態下降5 dB(A)。

5 結論

（1）針對某SUV加速工況車內轟鳴聲問題，通過試驗測試和CAE建模分析確定是因為車身后地板局部模態和車身空腔模態耦合引起的。并通過對車身結構優化，避開了車身結構模態與空腔模態耦合，從而大大降低轟鳴聲。

（2）通過本文的研究表明，對車輛NVH的控制不僅需要考慮車身較大面積的板件（如地板、頂棚、側圍）結構模態優化設計，同時還應考慮空腔聲學模態頻率分布，避免板件振動頻率與空腔模態頻率耦合而產生車內的轟鳴。

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動[M].北京：北京理工大學出版社，2006.Pang Jian，Chen Gang，He Hua. Automotive Noise and Vibration—Principle and Application[M].Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2006. (in Chinese)

[2]趙靜，周宏，梁映珍.轎車乘坐室轟鳴聲的分析與控制研究[J].汽車技術，2009，(10)：16-17.Zhao Jing， Zhou Hong， Liang Yingzhen. Analysis and Control Research of Booming Noise in Car's Passenger Compartment[J]. Technical Automobile ，2009，(10)：16-17. (in Chinese)

[3]王志亮，劉波，王磊.轎車轟鳴聲產生機理與分析方法研究[J].噪聲與振動控制，2008，(2)：79-81.Wang Zhiliang，Liu Bo，Wang Lei. Automobile Boom Mechanism and Analysis Method[J]. Noise and Vibration Control，2008，(2)：79-81. (in Chinese)

[4]李艷斌，張滿良，姜建中.模態試驗及工作變形分析在汽車車內噪聲診斷中的應用[C]//2008年LMS中國用戶大會論文集，2008.Li Yanbin，Zhang Manliang，Jiang Jianzhong. Modal Tests and Operating Deflection Shape Aanalysis in Vehicle Noise Diagnosis[C]//China User Conference Papers of 2008，2008. (in Chinese)

[5]KONERS G.Panel Noise Contribution Analysis：an Experimental Method for Date Mining the Noise Contributions of Panels to an Interior Noise[C].SAE Technical Paper Series，2003-01.