基于傳遞路徑分析的乘用車路面噪聲優化控制

譚晶晶杜建科李洪亮蘇麗俐夏洪斌

（1.寧波大學，寧波 315211；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

基于傳遞路徑分析的乘用車路面噪聲優化控制

譚晶晶1,2杜建科1李洪亮2蘇麗俐2夏洪斌2

（1.寧波大學，寧波 315211；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

為降低某國產新型SUV的路面激勵噪聲，利用傳遞路徑分析（TPA）法將試驗與仿真相結合開展優化分析。建立傳遞路徑分析模型，試驗測量獲得了瀝青路面60 km/h工況下懸架系統車身安裝點激勵力，利用Hypermesh模擬計算確認此工況下對車內響應影響較大的路徑為后懸架左、右橫拉桿與車身安裝點所在路徑，在此路徑上展開優化，降低左、右橫拉桿襯套剛度并進行了實車驗證。結果表明，該方法有效降低了車內噪聲，滿足目標值要求。

1 前言

車內噪聲主要來自發動機、車身振動、懸架系統及輪胎等，其中，路面對輪胎的激勵力通過懸架系統傳遞到車身，引起車身振動，從而向車內輻射噪聲，已成為重要的噪聲源[1～3]。為了更好地控制車內噪聲水平，需要研究各部件的不同激勵及其傳遞路徑，根據其貢獻量的大小采取相應優化措施，傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，TPA）方法可以有效解決這類問題。

本文利用TPA方法，將試驗與CAE分析相結合，解決某新型乘用車車內噪聲問題，研究車輛在光滑路面以60 km/h的速度行駛時路面噪聲對車內噪聲的影響。路面噪聲主要通過輪胎激勵、懸架及其與車身連接點進行能量傳遞，通過確定從不同路徑傳遞的激勵能量的比重，找出貢獻量最大路徑和起主要作用的零部件并進行優化改進，以降低車內噪聲。

2 TPA基本理論

TPA方法基于系統為線性的假設，響應點的聲壓或振動水平是激勵點以工作載荷激勵時能量沿不同路徑傳遞到車內的能量的疊加[4]。系統總響應可以表示為各傳遞路徑貢獻量的線性疊加[5]：

式中，Pk為乘員位置k處的總聲壓；Pijk為傳遞路徑i在j方向對乘員位置k總聲壓的部分貢獻量；Hijk為傳遞路徑i在j方向到乘員位置k的傳遞函數；Fij為傳遞路徑i在j方向的耦合激勵力。

由式（1）可知，在傳遞路徑分析中，需根據研究系統的不同明確各系統的不同耦合點（激勵點），并在耦合點位置獲取傳遞函數和耦合激勵力。

2.1 傳遞函數的測量

利用互易法[6～7]測量從激勵點到目標點的結構-聲學傳遞函數，將體積聲源置于目標點，在激勵點處安裝加速度傳感器，結構-聲學傳遞函數為：

式中，v為激勵點處的表面振動速度；Q為目標點處的體積聲源體積速度。

2.2 激勵力的測量

本文中新車型懸架與車身安裝點為剛性連接，對于線性系統，由響應Xi到輸入Fj的頻響函數為Hij=Xi/Fj，故激勵力可用矩陣求逆法求得：

式中，{FN}為耦合激勵力向量；{XM}為響應點上的工作響應向量；HMN為由輸入FN到響應XM的頻響函數[8]。

3 路面噪聲試驗

3.1 傳遞路徑模型建立

針對某款新型乘用車，主要研究由路面激勵通過不同路徑傳遞至車身振動所產生的車內噪聲。因此，認為路面激勵經由輪胎衰減傳遞至軸頭為主動端，由懸架系統傳遞至車身，懸架系統在車身上的安裝點為被動端，振動傳遞至車內產生車內響應。由于懸架結構比較復雜，懸架TPA模型主要分析前、后懸架和車身的安裝點。從激勵到車內響應的傳遞路徑如圖1所示。

圖1 路面噪聲傳遞路徑簡化模型

本文研究的車型前懸架為麥弗遜式獨立懸架，后懸架為多連桿式獨立懸架，共14個車身連接點，如圖2所示。每個激勵考慮x、y、z方向（與整車坐標系相同），則共有42條傳遞路徑。

在建立的CAE的裝飾車身（Trimmed Body,TB）模型上建立聲腔模型，如圖3所示。TB模型中包括白車身、開閉件、副車架、質量大于0.5 kg的附件。計算不同激勵點激勵20～200 Hz在駕駛員右耳處的響應，根據式（1），車內聲壓為：

式中，Hij為第i條傳遞路徑在j方向上的聲-振傳遞函數，可直接測得。

圖2 TPA模型建立

圖3 聲腔模型

3.2 試驗步驟

試驗分為2個部分：在整車半消音室測量各傳遞路徑到車內相位參考點的聲-振傳遞函數和各安裝點主動端到指示點的頻響函數；在室外空曠光滑路面測得安裝點被動段各參考自由度的振動和車內相位參考點的聲壓值。

試驗步驟如下：

a.在駕駛員右耳和后排右側乘員左耳處布置麥克風，在懸架和車身14個安裝點處布置加速度傳感器，同時左、右前輪軸頭和左、右后彈簧主動端、左、右后減振器主動端安裝加速度傳感器，前懸架測點位置如圖4所示。在室外開闊場地光滑路面以60 km/h的工況行駛，測得駕駛員右耳、后排右側乘員左耳聲壓和各加速度傳感器位置的振動加速度Xi。

b.加速度傳感器位置不變，拆除后橋、前、后懸架減振器、前、后懸架彈簧，將耦合激勵點解耦。

c.用力錘激勵懸架與車身安裝點，測得各傳遞路徑到目標點的聲-振傳遞函數Hijk，同時測量各傳遞路徑激勵力到參考自由度的頻響函數HNM，用于激勵力的計算。

d.在LMS Test.Lab中計算出激勵力，將計算所得數據輸入所建CAE車身聲腔模型中，找出貢獻量最大的路徑，為優化控制作準備。

圖4 前懸架左、右測點位置

4 結果分析

將在整車半消音室測得的HNM和室外光滑路面勻速工況下測得的Xi代入式（3），在LMS中算出連接點耦合激勵力，并將所得激勵力帶入CAE模型中計算，與車內聲壓實測值進行對比，如圖5所示。由圖5可知，CAE計算值與實測值在20～200 Hz頻率范圍內可以較好吻合。

圖5 車內聲壓對比

車內頻率在200 Hz以下的噪聲主要由路面激勵產生，但是200 Hz以上的部分還有其它噪聲源。計算各傳遞路徑的在低頻范圍內的貢獻量，52 Hz、94 Hz附近出現明顯峰值。分析峰值頻率各傳遞路徑的貢獻量發現，左上連桿和右上連桿對2個峰值有較大的貢獻量。

計算2個連桿路面激勵力結果如圖6所示，由圖7可知，2個連桿在50 Hz和96 Hz附近頻段均有峰值，并具有較大激勵力，應考慮對橫拉桿進行優化設計。

圖6 左、右上連桿路面激勵力

首先，將橫拉桿車身安裝點激勵力降低10%，CAE模擬計算結果如圖7、圖8所示，單條路徑貢獻量有所降低，但車內總聲壓值并未明顯下降。將同一位置安裝點激勵力分別降低20%和30%，模擬計算結果如圖9、圖10所示。

由圖9、圖10可知，車身響應有效降低，達到預期目標。由模擬計算結果可以發現，降低安裝點激勵力可以有效降低車內響應，指導實車優化方案。

圖7 激勵力降低10%條件下單條路徑貢獻量

圖8 激勵力降低10%條件下車內總響應

圖9 降低激勵力20%條件下車內總響應

圖10 降低激勵力30%條件下車內總響應

5 優化控制

為了找出連桿安裝點激勵力對車內響應的具體影響因素，同時對連桿進行隔振率測試，連桿主、被動端振動如圖11所示，其均方根（Root Mean Square,RMS）值見表1。并沒有明顯將路面激勵的振動放大，因此排除連桿隔振性能不佳的原因，可以通過降低襯套剛度和提高安裝點動剛度的方式來降低上連桿安裝點的激勵力。

圖11 后懸架連桿的隔振率

表1 后懸架連桿隔振率均方根 dB

橫拉桿襯套剛度不僅影響懸架隔振，同時也影響整車行駛平順性，所以優化過程中不宜使襯套剛度過低，故優化手段可以選擇降低襯套剛度20%，達到預期效果即可，并重新進行測試，將測試結果與原狀態測試結果進行對比（見圖12），20～200 Hz頻段內45 Hz和95 Hz頻率范圍聲壓均明顯降低，幅度約5 dB，達到預期優化效果。

圖12 下橫拉桿橡膠襯套剛度降低20%條件下車內響應

6 結束語

針對某新車型利用TPA方法進行車內噪聲的優化控制，將CAE與試驗相結合，成功降低車內噪聲約5 dB（A）。在本次優化分析中，得以下結論：

a.由于懸架與車身為剛性連接，通過矩陣求逆法計算激勵力并擬合車內聲壓值，計算的結果可行，能與試驗數據較好地吻合；

b.TPA方法在用力錘敲擊獲取傳遞函數時，需要拆除懸架系統來解耦，提高試驗精度；

c.由以上優化手段可以發現，將CAE仿真與試驗相結合可以節省分析時間。

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2 李華良，熊卉，萬攀，等.基于傳遞路徑分析的乘用車車內噪聲數值模擬.汽車工業研究，2015（9）：49～54.

3 王萬英，靳曉雄，彭為，等.輪胎振動噪聲結構傳遞路徑分析.振動與沖擊，2010，29（6）：88～95.

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5 余雄鷹，閔福江，文偉，等.輪胎/路面噪聲的結構傳遞路徑分析.汽車工程，2013（11）：1030～1034.

6 Guo R,Wan G,Zhao Y,et al.Study on transfer path analysis method of automobile interior noise.Journal of Vibration, Measurement and Diagnosis，2007（3）：199～203.

7 Sottek R,Sellerbeck P,Klemenz M.An Artificial Head Which Speaks from Its Ears:Investigations on Reciprocal Transfer Path Analysis in Vehicles,Using a Binaural Sound Source.SAE Technical Papers,2003.

8 劉東明，項黨，羅清，等.傳遞路徑分析技術在車內噪聲與振動研究與分析中的應用.噪聲與振動控制，2007，27（4）：73～77.

（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年8月7日。

Passenger Car Road Noise Optimization and Control Based on Transfer Path Analysis

Tan Jingjing1,2,Du Jianke1,Li Hongliang2,Su Lili2,Xia Hongbin2
（1.Ningbo University,Ningbo 315211;2.China Automotive Technology and Research Center,Tianjin 300300）

To reduce road excitation noise of a new SUV localized in China,we used Transfer Path Analysis(TPA) method,combined test with simulation for optimization analysis.By establishing TPA model,we obtained the excitation force of car body’s mount point through test measurement under speed of 60 km/h.Through Hypermesh calculation,we confirmed that under this condition,the left and right tie rod on the rear suspension as well as the path of the body mount point affected the interior response substantially,and optimization was made to this path,which reduced bushing stiffness of the left and right tie rod,the results showed that this method reduced interior noise effectively,and met requirement of target value.

Transfer path analysis method,Road noise,Hypermesh,Lower tie rod

傳遞路徑分析法 路噪 Hypermesh 下橫拉桿

U463.1；TB535

A

1000-3703（2017）03-0019-05