基于NTF仿真的汽車噪聲源識(shí)別

程琨 張振東 袁衛(wèi)平 雷鐳 曾帥

摘要： 介紹了噪聲傳遞函數(shù)的基本理論.針對(duì)某款汽車，分析其道路試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1左右時(shí)車內(nèi)后排存在轟鳴聲.針對(duì)該問題采用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）方法進(jìn)行了分析，通過在傳動(dòng)系統(tǒng)與車身連接點(diǎn)施加單位激勵(lì)，運(yùn)用Hyperworks軟件中的Optistruct求解器求解后排右耳響應(yīng)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果.仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明：在54 Hz左右，發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)激起傳動(dòng)軸和后橋彎曲模態(tài)，產(chǎn)生共振，并通過車身連接點(diǎn)傳到車身，從而激起空腔模態(tài)，導(dǎo)致后排產(chǎn)生轟鳴聲.

關(guān)鍵詞：

傳動(dòng)系統(tǒng)； 噪聲源； 傳遞噪聲函數(shù)； 試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： U 467.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Study on the Noise Source Identification for NTF Simulation

CHENG Kun1， ZHANG Zhendong1， YUAN Weiping2， LEI Lei2， ZENG Shuai2

（1.School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science

and Technology， Shanghai 200093， China；

2.Commercial Vehicle Technical Center of SAIC Motor Corporation Limited， Shanghai 200438， China）

Abstract： Noise transfer function（NTF） basic theory was introduced in this paper.The acquisition data from road test was analyzed.It revealed that there existed booming at about 1 600 r·min-1 of the back seat of a car.Aimed at this problem，computer aided engineering（CAE） method was adopted by applying unit incentive to the connection point of both powertrain and body.The response from the rear of back seat was attained using the Optistruct solver of Hyperworks software.The simulation results were verified.Both the simulation and test results showed that the drive shaft and rear axle bended at about 54 Hz as a result of the 2nd order of ignition frequency.The vibration transferred through the connection point to the body and then excited the cavity mode.As a result，the booming of back seat occurred.

Keywords：

transmission system； noise source； noise transfer function； test

隨著汽車技術(shù)的快速發(fā)展，舒適性和安全性是未來研究的主要目標(biāo)，其中振動(dòng)和噪聲是評(píng)價(jià)汽車舒適性的主要指標(biāo).影響汽車車內(nèi)振動(dòng)和噪聲的直接因素是包圍空腔的所有板件的振動(dòng)和聲學(xué)特性[1].來自噪聲源的激勵(lì)通過底盤與車身連接點(diǎn)傳遞到車身引發(fā)車身振動(dòng)，車身振動(dòng)作用于內(nèi)部空氣，使內(nèi)部升壓，產(chǎn)生車內(nèi)噪聲；同時(shí)，車外聲音通過車身縫隙和孔進(jìn)入車內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生車內(nèi)噪聲.影響整車車內(nèi)噪聲、振動(dòng)和不舒適性的噪聲源主要有動(dòng)力總成和傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)、排氣系統(tǒng)振動(dòng)、風(fēng)激勵(lì)、進(jìn)氣聲以及胎噪，其中風(fēng)激勵(lì)和胎噪是汽車高速行駛下的激勵(lì)源.加速和怠速是評(píng)價(jià)車內(nèi)振動(dòng)和噪聲的主要工況.

噪聲傳遞函數(shù)（NTF）定義為輸入激勵(lì)與輸出噪聲之間的函數(shù)關(guān)系，可用于評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)對(duì)激勵(lì)的聲學(xué)靈敏度特性[2].NTF在整車開發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析中具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值：對(duì)整車噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度（NVH）開發(fā)進(jìn)行設(shè)定和分解；通過試驗(yàn)測(cè)試各部件的噪聲傳遞貢獻(xiàn)量；在特定頻率下，對(duì)各個(gè)面板貢獻(xiàn)量進(jìn)行分析.隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）方法被運(yùn)用到整車NTF分析中，CAE方法相對(duì)于試驗(yàn)方法，不僅快捷，效率高，而且可節(jié)約大量成本，為試驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供幫助.

本文主要針對(duì)某款多用途汽車（MPV）在試驗(yàn)測(cè)試中車內(nèi)后排存在明顯的轟鳴聲的現(xiàn)象進(jìn)行傳遞路徑分析，運(yùn)用Hyperworks軟件中的Optistruct求解器進(jìn)行NTF分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，尋找噪聲源和傳遞路徑，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供幫助.

2問題分析

某試驗(yàn)車輛為前置后驅(qū)、6個(gè)手動(dòng)前進(jìn)擋，發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸，承載式車身，傳動(dòng)系統(tǒng)主要由傳動(dòng)軸、中間支撐、驅(qū)動(dòng)橋、半軸組成.道路測(cè)試條件為：風(fēng)速小于8 km·h-1，背景噪聲比被測(cè)噪聲至少低10 dB，道路為柏油馬路.試驗(yàn)中主觀感受為當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1左右時(shí)，車內(nèi)后排出現(xiàn)轟鳴聲.在主駕右耳、中排左側(cè)右耳、后排左側(cè)右耳各布置一個(gè)傳聲器.測(cè)試工況分別為3檔和4檔全油門（WOT），測(cè)試軟件為L(zhǎng)MS Test Lab 12 A.根據(jù)Shannon采樣定理[4]有

fs>2fm

（5）

式中：fs為采樣頻率；fm為分析頻率.

依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般噪聲信號(hào)頻率不超過5 000 Hz，振動(dòng)信號(hào)頻率不超過600 Hz.根據(jù)式（5），測(cè)試過程中噪聲采樣頻率取12 800 Hz，分辨率取0.781 25 Hz；振動(dòng)采樣頻率取1 600 Hz，分辨率取1 Hz.數(shù)據(jù)采集設(shè)備型號(hào)為L(zhǎng)MS SCADAS Lab 40.車內(nèi)噪聲SPL測(cè)試結(jié)果如圖1所示，其中f為頻率.

從圖1可看出，在轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1左右時(shí)SPL存在明顯峰值，且該峰值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速與主觀感受到噪聲時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速基本一致.車內(nèi)噪聲峰值主要由二階聲壓組成，與發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)相關(guān).在轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1下對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率為54 Hz.對(duì)車內(nèi)后排噪聲信號(hào)和傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，初步判斷傳動(dòng)軸和后橋可能被發(fā)動(dòng)機(jī)二階點(diǎn)火頻率激起模態(tài)產(chǎn)生共振，所以選擇車身與傳動(dòng)軸、后橋等連接點(diǎn)為單位激勵(lì)加載點(diǎn)，響應(yīng)點(diǎn)為車內(nèi)后排耳旁.通過單位頻率響應(yīng)法得到車內(nèi)后排耳旁SPL隨f的變化.采用CAE方法分析時(shí)，考慮到模型誤差，頻率范圍選擇在55～65 Hz.

3NTF仿真分析

3.1有限元模型

TB（trimmed body）有限元模型主要采用SHELL163板殼單元模擬車身結(jié)構(gòu)，焊點(diǎn)采用CWELD單元，材料采用SPHC和SPCC.為了平衡建模質(zhì)量和計(jì)算速度，可忽略一些小尺寸工藝孔.有限元模型如圖2所示.

空腔有限元模型采用四面體SOLID單元模型，材料為空氣和座椅，定義為MAT10，空氣屬性和座椅屬性均定義為PSOLID.考慮到模型的精確性，空腔有限元模型應(yīng)為車身板件和座椅之間的空間模型，同時(shí)包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙和后翼子板腔體.空腔有限元模型如圖3所示.

3.2右耳激勵(lì)點(diǎn)仿真結(jié)果

在激勵(lì)點(diǎn)施加單位激勵(lì)，得到的頻率為55～65 Hz，后排右耳聲壓級(jí)峰值的對(duì)應(yīng)頻率分別與后懸架左縱臂、左后螺旋彈簧、穩(wěn)定桿和中間支撐振動(dòng)峰值的對(duì)應(yīng)頻率基本一致.圖4為激勵(lì)點(diǎn)仿真結(jié)果.為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，對(duì)后橋和傳動(dòng)軸工作變形進(jìn)行分析.傳動(dòng)軸中間支撐和后橋布置振動(dòng)加速度傳感器，采集相關(guān)振動(dòng)信號(hào).采集軟件為L(zhǎng)MS Test Lab 12 A.

4試驗(yàn)結(jié)果分析與驗(yàn)證

分析后橋測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速n0和頻率f變化的三維瀑布圖（如圖5所示）.由圖可知，當(dāng)n=1 600 r·min-1左右即對(duì)應(yīng)二階頻率為54 Hz左右時(shí)振動(dòng)幅值存在峰值.在轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)速切片分析，得到在該轉(zhuǎn)速下峰值隨頻率的變化，如圖6所示，圖中縱坐標(biāo)為振動(dòng)加速度a與重力加速度g的比值.圖6中在二階頻率為54 Hz左右后橋存在明顯的振動(dòng)峰值.

分析中間支撐測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速和頻率的變化，如圖7所示.在1 600 r·min-1即對(duì)應(yīng)二階頻

率為54 Hz時(shí)，同樣得到中間支撐存在明顯振動(dòng)峰值，如圖8所示.綜上分析，仿真與試驗(yàn)結(jié)果接

近，所以可得出，傳動(dòng)軸和后橋由于發(fā)動(dòng)機(jī)二階點(diǎn)火頻率激起其模態(tài)產(chǎn)生共振，通過中間支撐和后橋與車身連接點(diǎn)傳遞到車內(nèi)，引起車身振動(dòng)，激起空腔模態(tài)，導(dǎo)致后排產(chǎn)生轟鳴聲.解決這一問題的措施為在后橋處安裝質(zhì)量阻尼，在降低后橋振幅的同時(shí)還起到一定的移頻作用，從而消除車內(nèi)轟鳴聲.

5結(jié)論

（1） 介紹了NTF的流固聲學(xué)耦合和傳遞路徑

基本原理.運(yùn)用Hyperworks軟件中的Optistruct求解器，在傳動(dòng)軸和后橋激勵(lì)點(diǎn)施加單位激勵(lì)，對(duì)車內(nèi)后排右耳響應(yīng)進(jìn)行了分析，并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)

果進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明，由于點(diǎn)火頻率激起傳動(dòng)系

統(tǒng)彎曲模態(tài)產(chǎn)生共振，通過后橋與車身連接點(diǎn)將振動(dòng)傳遞到車身，導(dǎo)致車內(nèi)產(chǎn)生轟鳴聲.

（2） 通過CAE方法進(jìn)行噪聲傳遞函數(shù)分析，不僅目標(biāo)明確，而且效率高，可為試驗(yàn)提供理論依據(jù)，能有效分析NVH問題的來源，具有很好的工程實(shí)際價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

[1]靳曉雄，白勝勇，丁玉蘭，等.車身板件振動(dòng)聲學(xué)貢獻(xiàn)量的計(jì)算機(jī)模擬[J].汽車工程，2000，22（4）：236-239.

[2]周建文，龐劍.NTF分析在車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲問題整改中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，2009（12）：40-43.

[3]龐劍，諶剛.汽車噪聲與振動(dòng)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[4]李德葆，陸秋海.工程振動(dòng)試驗(yàn)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.