時域傳遞路徑分析在車內(nèi)噪聲優(yōu)化中的應用

史晨路，孔傳旭

（1.河北工業(yè)大學機械工程學院，天津 300300；2.中國汽車技術研究中心汽車工程研究院，天津 300300）

時域傳遞路徑分析在車內(nèi)噪聲優(yōu)化中的應用

史晨路1，孔傳旭2

（1.河北工業(yè)大學機械工程學院，天津 300300；2.中國汽車技術研究中心汽車工程研究院，天津 300300）

時域傳遞路徑分析/合成技術是一種基于時域多輸入系統(tǒng)合成車內(nèi)噪聲的技術，在車內(nèi)噪聲問題識別與優(yōu)化上已經(jīng)得到廣泛的應用。與傳統(tǒng)頻域TPA相比，時域TPA在傳遞路徑模型中豐富了隔振元件主被動端傳遞路徑信息，為可聽的修改預測提供更多選擇；其時域擬合結果可進行回放，經(jīng)過后處理可進行多種聲學性能分析。文章對時域傳遞路徑分析的基本原理與建模方法進行介紹，利用時域傳遞傳遞路徑分析技術對某開發(fā)中車型建立排氣系統(tǒng)結構傳遞路徑模型，并識別出由排氣吊鉤共振引起的車內(nèi)轟鳴聲，結合修改預測并在樣車上進行驗證，為整車子系統(tǒng)引起的噪聲問題識別與優(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/合成技術可以有效評地估傳遞路徑對車內(nèi)聲音的貢獻。過去的10至20年間，傳遞路徑分析/合成技術已經(jīng)廣泛地應用在聲學設計與故障診斷等領域。

本文采用時域傳遞路徑分析方法建模，依據(jù)修改預測在樣車上進行驗證，識別并優(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)引起的結構噪聲。

發(fā)動機將振動傳遞給排氣管路，經(jīng)橡膠吊耳傳遞至車身端，向車內(nèi)輻射噪聲。排查問題時一般將排氣吊鉤斷開驗證，如果沒有變化，則認為問題與排氣系統(tǒng)振動無關，但這可能改變排氣系統(tǒng)姿態(tài)，無法正確辨識問題。利用時域傳遞路徑分析技術搭建傳遞路徑模型，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，穩(wěn)態(tài)工況的分析結果為穩(wěn)態(tài)頻譜，瞬態(tài)工況的分析結果為擬合出階次信息。時域TPA是一種基于時域輸入信號識別工作載荷并合成車內(nèi)噪聲的傳遞路徑分析方法，可對車輛穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)工況車內(nèi)噪聲進行分解量化，其合成結果為各條貢獻路徑的時域信號，可對合成的時域信號進行回放與可聽的修改預測，通過對時域信號的后處理可對其多種聲學性能指標做定性與定量的分析，是時域TPA區(qū)別于頻域TPA的一個重要特征。

在頻域TPA結構工作載荷的獲取過程中，無論采用哪種方法獲取工作載荷，都無法將激勵由主動端經(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中，在修改預測時無法對這部分路徑進行修改。而時域TPA將懸置或懸掛系統(tǒng)等的對振動的傳遞能力納入傳遞路徑模型當中，修改預測中可針對激勵輸入、隔振元件傳遞能力、NTF等進行修改，這是時域TPA技術區(qū)別于頻域TPA技術的另一個重要特征。

時域TPA系統(tǒng)的輸入為各路徑聲源處的聲壓信號與主動端激勵的加速度信號，傳遞函數(shù)描述激勵由傳遞路徑傳至車內(nèi)的路徑靈敏度[1]。 依據(jù)線性時不變假設，車內(nèi)響應點的聲壓等于各激勵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，等式右邊表示各路徑貢獻的矢量和，其中Xi為第i條結構路徑的激勵，Hi，Str為第i條結構路徑的總傳遞函數(shù)，Pj為第j條空氣傳遞路徑的激勵，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，同時獲取體積聲源近場聲壓信號與駕駛員右耳聲壓信號，二者的聲-聲頻域響應函數(shù)為空氣路徑靈敏度（ATF）。

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

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

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

為表觀質(zhì)量，F(xiàn)body表示錘擊試驗中力錘的力，abody表示錘擊試驗時車身安裝點的加速度信號，二者構成的力-加速度頻域響應函數(shù)表示安裝點阻抗；

為結構聲傳遞函數(shù)，pdriver為錘擊試驗中駕駛員右耳聲音信號，F(xiàn)body為錘擊試驗時力錘的力，三段傳遞函數(shù)的復數(shù)乘積為Hi，Str。

傳遞路徑噪聲合成主要需要進行以下五個步驟：

● 獲取代替點聲源至駕駛員位置的空氣聲傳遞函數(shù)—

● 獲取從被動端安裝點至駕駛員位置的結構聲傳遞函數(shù)—NTF

● 獲取被動端表觀質(zhì)量—AM

● 獲取某種工況下主被動端與被動端之間隔振原件的傳遞能力—MT、結構路徑激勵與空氣路徑激勵

● 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

在錘擊試驗過程中，對吊鉤車身安裝點進行XYZ三向的激勵，同時獲取力傳感器的力信號、駕駛員位置聲壓信號與被動端安裝點的加速度信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)后處理可以得到結構—聲傳函與安裝點阻抗[3]。圖3b3c依次為結構—聲傳遞函數(shù)與安裝點表觀質(zhì)量的典型曲線。為了保證各條傳遞路徑激勵輸入相位關系的正確，所有路徑的激勵與需要同步測量[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時出現(xiàn)轟鳴聲，由發(fā)動機四階激勵引起，主觀評價不可接受，如圖4所示。

圖4 原狀態(tài)主駕右耳聲壓級

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構傳遞路徑，而且在前期利用傳遞路徑分析方法識別問題的過程中已排除輻射噪聲與其他結構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)引起的結構噪聲。

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

圖5 傳遞路徑模型示意圖

對模型進行時域傳遞路徑擬合，得到五個吊鉤結構噪聲總和（圖6a）與每個吊鉤結構噪聲的分量（圖6b-f）。由圖可知，3500RPM主駕右耳的轟鳴聲主要貢獻為二號吊鉤，以233Hz的共振帶表現(xiàn)出來。從圖7a中可以看出二號吊鉤Z向NTF在233Hz頻率處存在峰值，與3500RPM處四階頻率對應，診斷二號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)合成結構噪聲

2.3 修改預測

在傳遞路徑模型中，可以對任意一段或多段傳遞函數(shù)進行分析與修改，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于樣車驗證中斷開動吊鉤與車身之間的吊耳連接，同時避免了由排氣系統(tǒng)姿態(tài)改變帶來的干擾。

圖7 二號吊鉤Z向修改預測

圖8 傳遞路徑修改預測

在模型中對二號吊鉤結構噪聲傳遞函數(shù)NTF與二號吊耳隔振能力MT進行優(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行合成，該轟鳴聲在頻譜上消失，如圖8b。該修改預測相當于對吊鉤結構進行加強，同時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可知改善結構傳遞函數(shù)可以通過改善吊NTF，改善吊鉤安裝點阻抗AM，改善吊耳的隔振能力MT來實現(xiàn)。根據(jù)修改預測結果，本文采用對吊鉤車身安裝點做加強焊點并將吊鉤縮短處理，以增強其在問題頻率下的動剛度的方法來優(yōu)化其NTF，降低吊耳橡膠硬度來優(yōu)化其MT。

圖9 整改前后對比

圖9a為二號吊鉤安裝點加強整改前后NTF曲線，整改后233Hz附近NTF峰值下降顯著，圖9b為整改前后二號吊鉤Z向振動，整改后問題轉(zhuǎn)速下振動幅值變小，圖9c為駕駛員右耳聲壓級整改前后對比，整改后駕駛員右耳聲壓級3500RPM峰值被削平。整改后主駕右耳聲壓級，吊鉤NTF與吊耳MT變化趨勢與傳遞路徑修改預測一致。

3、總結

本文介紹了時域傳遞路徑分析/合成方法的基本理論與實現(xiàn)步驟，對頻域TPA方法與時域TPA方法進行了對比，介紹了時域TPA方法在結果分析與修改預測方面的優(yōu)勢：時域TPA合成結果為時域信號，在時域信號的基礎上可進行濾波回放、修改預測與多種聲學性能指標分析；時域TPA包含結構傳遞路徑中激勵由主動端經(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。

針對某國產(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)結構噪聲傳遞路徑模型。通過在模型中虛擬切斷傳遞路徑的方法驗證假設，在修改預測中對結構噪聲傳遞函數(shù)NTF與代表吊耳隔振性能的傳遞函數(shù)MT進行優(yōu)化可消除該轟鳴聲，以修改預測為指導在樣車上驗證，轟鳴聲消失。通過實例說明了時域傳遞路徑合成分析技術在車內(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。

[1]K.Genuit,J.Poggenburg.Synchronization of Source Signals for Transfer Path Analysis and Synthesis[J].SAE,2014：2014-01-2086.

[2]褚志剛,熊敏,楊洋,賀巖松.車內(nèi)噪聲時域傳遞路徑分析[J], 振動與沖擊,2015,34(17)161-166.

[3]K.Genuit,J.Poggenburg.The Design of Vehicle Interior Noise Using Binaural Transfer Path Analysis[J].SAE,1999：1999-01-1808.

[4]Daniel Riemann, Roland SottekInteractive. Auralization of Powert -rain Sounds Using Measured And Simulated Excitation[J]. SAE, 2007：2007-01-2214

[5]楊洋,褚志剛,熊敏,基于阻抗矩陣法的車內(nèi)共鳴聲的傳遞路徑分析[J],振動與沖擊,2014,33(18)：170-176

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。研究方向：車輛噪聲與振動控制。