基于傳遞路徑分析的關門聲貢獻量研究

盧明洋，周 毅，靳 暢，李冰杰

（1.同濟大學 汽車學院，上海 201804；2.同濟大學 新能源汽車工程中心，上海 201804）

基于傳遞路徑分析的關門聲貢獻量研究

盧明洋1，周 毅2，靳 暢2，李冰杰1

（1.同濟大學 汽車學院，上海 201804；2.同濟大學 新能源汽車工程中心，上海 201804）

為了改善汽車關門聲品質，研究不同部件對汽車關門噪聲的貢獻量，采用了傳遞路徑分析（TPA）方法。根據TPA的基礎理論，車門和車身發生碰撞的部位均為激勵源，由于激勵源為環狀，進行了離散化處理，建立了汽車關門的傳遞路徑模型，并對某款車進行了關門噪聲試驗。通過試驗驗證了離散化處理和所建模型的準確性，同時得到車門、車身和門鎖對關門噪聲總體以及不同頻率下的貢獻量。根據試驗結果，車門的噪聲貢獻主要集中在中頻和高頻，車身主要是低頻和中頻的噪聲貢獻，而門鎖在低、中、高頻都具有較大貢獻量。

關門聲；傳遞路徑；分析貢獻量

0 引言

隨著汽車產業的發展，人們對汽車的NVH性能（Noise Vibration Harshness）關注度越來越高。關門聲品質即屬于汽車NVH性能之一。顧客在買車時，通常會把汽車的關門聲作為衡量汽車質量的標準之一[1]。在研究關門聲的文獻中，往往是對關門聲進行仿真或者采集整體的關門聲，而少有關于不同部件對關門聲貢獻方面的試驗研究。汽車在關門過程中，會產生一系列的沖擊噪聲，包括車門門板、車身板件以及門鎖（鎖體和鎖扣）振動所產生的噪聲。因此關門聲可看作是一系列機械部件產生的沖擊噪聲的集合[2]。為了研究不同部件對關門聲的貢獻，本文采取了傳遞路徑分析（TPA）方法。利用LMS Testlab/TPA模塊，可以有效地獲得每個路徑對關門聲的貢獻量，并可以對結果進行驗證。本文建立了汽車關門過程的傳遞路徑分析模型，通過試驗數據采集和LMS軟件計算，得到不同部件對關門噪聲聲壓大小和不同頻率下的貢獻量，為后續改善關門聲品質提供數據基礎。

1 TPA基礎理論

TPA的基本思想來源于線性系統的思想。對于一個線性系統，輸入與輸出的關系可表示為其中h(t)為系統的傳遞函數。對于N個輸入單個輸出的系統，則輸入與輸出的關系為在研究汽車的噪聲與振動時，系統是輸入稱為“源”，源通過汽車內的不同結構板件以及空氣傳遞振動與噪聲信號，稱為“路徑”，在所感興趣的地方布置傳感器采集振動或者聲音信號，這些地方稱為“接收點（目標點）”。通過計算每個激勵源通過每條路徑傳遞到接收點的響應，將這些響應疊加，便可得到接收點的總響應。將用該方法計算得到的接收點響應與實際用傳感器測得的該接收點的響應進行比較，可以判斷TPA的模型構建的是否準確。通過采用傳遞路徑分析，可有效識別不同激勵源對目標點的貢獻量，為降低或改善噪聲與振動提供基礎[3～5]。

需要強調的是，TPA與普通的線性現象有所不同。當輸入為帶有相位的頻譜時，傳遞路徑分析需要進行矢量的疊加。在進行分組試驗時，需要一個共同的參考點，以進行相位的疊加。

為了計算得到激勵源到目標點的響應，需要知道激勵源的信號以及源通過不同路徑傳遞到目標點的傳遞函數。

1.1 激勵力

在試驗過程中，雖然激勵源的信號輸入有多種形式，但在分析汽車振動噪聲問題時，最常采用的還是力輸入。結構傳遞路徑分析中常采用的激勵力識別方法有：直接測量法、矩陣求逆法、動態復剛度法、單路徑求逆法和激勵點反演法等。本論文中采用的是矩陣求逆法，因此僅對該方法進行簡介。

對于一個線性的振動系統，當有激勵力F1，F2，…，FN存在時，存在響應（通常為加速度響應）A1，A2，…，Am。由系統方程得：

因此激勵力可用下式估計：

或者簡寫為：

其中，{F(f)}為激勵力組成的向量；{A(f)}為響應向量。本文中，在激勵源附近粘貼加速度傳感器，這些粘貼的點被稱為參考點。加速度傳感器測量1到3個平動自由度的加速度，因此A1，A2，…，Am為參考自由度。Hij為輸入Fj到響應Ai的傳遞函數。

1.2 振動傳遞函數

在結構傳遞路徑中，激勵為振動，參考點和目標點的響應可能為振動或者聲音，因此振動傳遞函數有兩種形式：振-振傳遞函數和振-聲傳遞函數。通常采用以下兩種方法獲得振動傳遞函數：力錘激勵法和互易法。本文僅涉及力錘激勵法。

當在激勵源施加力錘激勵信號時，激勵信號通過各條路徑傳遞到目標點。正如上文中所提到的，試驗過程中會在激勵源附近選取參考點并粘貼加速度傳感器。因此激勵力會同時引起參考點和目標點的響應。在本文所研究的關門聲問題中，目標點放置的是采集聲音信號的麥克風。因此激勵點到參考點的傳遞函數即為振—振傳遞函數，即上文中的 ；激勵點到目標點的傳遞函數為振—聲傳遞函數，這里記為

圖1 力錘激勵法識別振動傳遞函數

設目標點的個數為q，則有：

由式(2)和式(4)可得：

試驗過程中，激勵力、加速度和聲音信號均為已知，因此可以得到振—振傳遞函數[H(f)]m×N和振—聲傳遞函數[T(f)]q×N。在實際工況中，根據式(5)，便可由參考點的加速度信號擬合出目標點的聲音信號，同時得到各個激勵源對目標點的聲音貢獻量。

2 TPA建模與試驗

汽車在關門過程中，車門與車身、鎖體和鎖扣均會發生碰撞。因此認為汽車關門噪聲的源為車門與車身發生碰撞的一圈結構（分別位于車門和車身上）、鎖扣和鎖體的碰撞點（分別位于鎖扣與鎖體上）。而實際上，車身與車門之間存在密封條，二者并不是直接碰撞。由于密封條具有明顯的非線性特性，且難以用力錘激勵，因此在試驗中，力錘的激勵點位于車門里側和車身上密封條內部和附近的金屬板件。鎖扣和鎖體的碰撞點也難以用力錘進行激勵，因此試驗過程中，激勵源選在碰撞點附近的位置。再者，車門與車身發生碰撞的為一個環狀結構，而力錘激勵只能激勵單個的點，因此需要進行離散化的處理。即雖然車門和車身的激勵源分別只有一個，但不是傳統的點激勵源中的點，而是環狀。因此把該環狀激勵源分解為若干段，當作同時存在的若干個點激勵源。實際試驗中，在車門與車身上分別選取了一些較好的點作為力錘激勵點（激勵源），這些激勵點即為傳遞路徑的起點（傳遞路徑的終點為目標點）。

這里需要討論一下以上的處理對試驗結果準確性的影響。首先是密封條的非線性特性對試驗的影響。根據TPA的基礎理論，傳遞路徑的分析僅涉及源（路徑的起點）、路徑和目標點（路徑的終點）。在關門過程中，雖然車門與密封條碰撞，密封條的振動再引起車身的振動。但是車身上激勵點的振動通過板件和空氣的振動最終傳遞到目標點，傳遞路徑上不會經過密封條，因此認為這些傳遞路徑基本是線性的（這樣處理就相當于認為密封條的振動不會引起噪聲，對試驗結果具有一定的影響）。其次是離散化處理對試驗的影響。以本文中的車門為例，如果車門整個系統是完全線性的，即車門上不同點的振動始終存在線性關系，根據TPA的基礎理論，僅一個激勵點就能代表車門的振動，即能擬合出車門的噪聲貢獻。而實際上，車門不是完全線性的，因此選取足夠數目的激勵點能夠較好的保證試驗結果的準確性。

根據以上分析，并參考文獻[2]，在車門里側選取了9個激勵點，僅考慮車門的Y向（整車坐標系，下同）振動，共有9條傳遞路徑。由于要保證m≥2N，在車門外側粘貼了18個單向加速度傳感器（即為參考點）。對于車身，選取了8個激勵點，考慮到車身上X，Y，Z三個方向都具有較為明顯的振動，在車身上選取了16個參考點，粘貼三向加速度傳感器。鎖扣和鎖體考慮激勵源X，Y，Z三個方向的振動，因此分別具有三個傳遞路徑，各需要6個參考自由度，即粘貼兩個三向加速度傳感器。如圖9所示，為本文關門聲試驗的所有激勵點和參考點的大致位置。

圖2 測點模型

圖3 加速度傳感器布點位置

整個試驗在半消聲室內進行。使用的加速度傳感器為PCB公司的ICP壓電晶體加速度傳感器，圖3為實際試驗中某些加速度傳感器的布點位置。力錘采用PCB公司的ICP力錘。數據采集系統為LMS公司的SCADAS316。數據采集和記錄軟件為LMS Testlab。試驗中選取了一個目標點——關門操作者耳朵中心。具體位置如圖4所示。在該位置布置G.R.A.S公司的ICP壓電式麥克風。

圖4 目標點位置

試驗主要分為兩大部分：傳遞函數的測量和工況數據的采集。測量傳遞函數時，由于關門過程中車門和車身激勵點的振動主要是Y向的振動，因此僅在Y向用力錘進行激勵；對鎖扣和鎖體的激勵點進行X，Y，Z三個方向的激勵。力錘進行激勵時，同時采集參考點的加速度信號和目標點的聲音信號，即可同時得到振—振傳遞函數和振—聲傳遞函數。由于試驗條件的限制，試驗分三組進行。采集工況數據時，為了保證每次關門速度大致相同，采用了橡皮筋（如圖5所示）和一個速度傳感器（如圖6所示）。

圖5 橡皮筋

圖6 關門測速裝置

3 試驗結果分析

在LMS/TPA模塊中，對車門、車身、鎖體和鎖扣上的各條路徑對目標點的貢獻進行合成，并與實際在目標點測量的關門聲信號進行對比，得到結果如圖7所示。從圖中可以看出，通過TPA合成的目標點關門噪聲與實測結果在頻域上的趨勢大體相同，驗證了關門聲傳遞路徑建模及試驗的準確性。

圖7 目標點關門噪聲合成與實測結果

實測噪聲與合成噪聲之間存在一定的差異，分析誤差產生原因可能有以下四點：

1）本試驗沒有考慮空氣傳遞路徑（結構傳遞路徑與空氣傳遞路徑所產生的噪聲在本試驗中難以進行分離）。實際上關門過程中密封條壓縮擠壓空氣，直接引起空氣振動，產生噪聲；

2）試驗為分組進行，每次采集工況數據時關門速度無法保證完全一致；

3）進行路徑擬合時沒有考慮車門與車身之間的路徑耦合；

4）整個系統并不是完全線性的。

圖8為各條路徑對關門聲的貢獻譜圖，圖9為各條路徑對關門聲的貢獻量。

圖8 各條路徑對關門聲的貢獻譜

圖9 各條路徑對關門聲的貢獻量

由圖8可以看到，合成結果與實測關門聲在頻域上存在一定的差別，但基本相近。鎖體和鎖扣的Y向振動是所有路徑中貢獻最大的兩條。而從圖9可以看出，實測關門聲與合成關門聲的dB值基本相同。由于車身與車門上的傳遞路徑是連續的環形，還需要將以上單個傳遞路徑進行分組整合。

將路徑分組，分為車門，車身和門鎖，得到如圖10所示結果。為了清晰的觀察車身、門鎖和車門在不同頻率下對關門噪聲的貢獻，將其處理為1/3倍頻程圖，如圖11所示。

圖10 各組路徑對關門聲的貢獻譜

從圖10和11可以看到，車身振動產生的噪聲主要是低頻和中頻噪聲；車門產生的噪聲主要集中在中頻和高頻；而門鎖的噪聲在低、中、高頻都對關門聲具有較大的貢獻量。同時也可以總結出，汽車的關門聲不僅與門鎖的碰撞有關，與車門和車身的結構也密切相關。

需要指出，通過本試驗得到的門鎖對關門聲的貢獻，不僅包括門鎖本身振動產生的噪聲，也包括由于門鎖受到激勵而引起的車身與車門振動所產生的噪聲。因此門鎖在低、中、高頻都具有較大的貢獻量是合理的。

圖11 各組路徑貢獻的1/3倍頻程

4 結束語

本文根據TPA的基礎理論，對汽車關門這一過程進行建模和試驗，通過TPA的方法研究了汽車關門噪聲的貢獻因素和貢獻量。與傳統的傳遞路徑不同的是，關門傳遞路徑模型中激勵源為一環狀，并不是點激勵源。因此本文在建模過程進行了離散化的處理，將環狀的激勵源看作是一定數目的點激勵源。根據試驗結果，首先驗證了所建立的TPA模型的準確性。其次，得到了車身、車門和門鎖三個部件對關門聲的整體貢獻量以及它們在不同頻率下的貢獻量。根據所得結果，可以為關門噪聲的優化提供依據。

另外，本試驗也得到了關門過程中各個激勵點的關門力，為后續關門過程的諧響應分析提供數據基礎。

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The contribution to door closing sound research based on transfer path analysis

LU Ming-yang1, ZHOU Yi2, JIN Chang2, LI Bing-jie1

U467.1+2

：A

：1009-0134(2017)05-0068-05

2017-01-22

盧明洋（1992 -），男，河南信陽人，在讀研究生，研究方向為汽車試驗。