基于TPA方法低頻路噪分析與優化

辛萬濤　白楊翼　武俊杰

摘 要：某純電動汽車在粗糙路面勻速60km/h行駛過程中，車內后排乘客能感受到明顯轟鳴聲。通過整車聲腔模態、TPA傳遞路徑分析等試驗分析，?確認問題產生機理：路面激勵-后副車架本體模態放大-車內聲腔模態耦合。通過降低后副車架襯套硬度，整車轟鳴聲得到明顯改善，同時對優化后襯套進行耐久分析，最終確認為工程實施方案。關鍵詞：路噪;TPA貢獻量分析;聲腔模態耦合;后副車架中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-128-04

Abstract：?When Battery Electric Vehicles travels at a constant speed of 60km/h on rough road surface， passengers in the rear of the vehicle can feel the obvious roar.Through the analysis of vehicle acoustic cavity mode and TPA transmission path， the problem mechanism was confirmed： road excitation-rear subframe bulk mode amplification- car acoustic cavity mode coupling.By reducing the hardness of the rear subframe bushing， the roar of the whole vehicle is obviously improved. Meanwhile， the durability analysis of the optimized bushing is carried out， which is finally confirmed as the project implementation plan.Keywords： Road noise; TPA contribution analysis; Acoustic cavity modal coupling; Rear SubframeCLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-128-04

前言

當今社會下，人們對汽車的需求直線上升。目前國內外汽車市場，為解決環境污染與能源急速消耗的困擾，各大主機廠開始大力研發新能源汽車，其中投入生產的一個重要方向就是純電動汽車（Battery Electric Vehicle，簡稱BEV）。隨著國內汽車工業的快速發展及人們生活水平的提升，汽車市場對BEV的需求，已不僅僅局限于續航里程、安全性等基本性能，對其舒適性的要求日益提高。與傳統燃油車相比，BEV在行駛過程中，其動力總成產生的噪聲對車內影響已十分輕微，從而導致低中頻段的路面激勵噪聲、中高頻段的風激勵噪聲在車內十分凸顯，影響車內乘客的舒適性體驗。目前路噪問題的分析與控制，已成為新能源汽車研發的主要課題之一。

本文以市場某純電動汽車NVH開發為例，針對其道路激勵產生的轟鳴問題，對其激勵源、傳遞路徑與車身響應進行了全面分析，尋找出主要影響因素并進行優化，最終優化方案得到工程化實施，量產。

1 問題描述及初步分析

1.1 問題描述

某純電動汽車經主觀評價發現，在粗糙路勻速60kph行駛時，車內后排出現較明顯轟鳴聲，嚴重影響后排乘客的舒適性。通過路面對比分析，發現相同駕駛條件下在光滑瀝青路上行駛時，轟鳴聲消失。由此初步判斷：此轟鳴聲是經粗糙路激勵產生的路噪問題。

1.2 客觀數據分析

為了進一步分析問題原理，需針對本問題進行客觀測試，考慮外部激勵及汽車本身等影響因素，制定以下兩個試驗進行排查。

①道路試驗：試驗路面為試驗場內粗糙路段，車內噪聲測點位置參照企業標準，在駕駛員座椅右耳、后排右側座椅左耳位置進行布置，其測點布置距離信息如圖1所示。

采用NVH測試專用軟件LMS Test. Lab 16A對車內噪聲進行數據采集，通過軟件將時域信號throughput做FFT（快速傅里葉變換）轉換為頻域信號進行分析。由于路噪問題所在的頻率范圍較低，因此噪聲分析頻段為20-500Hz，設置采樣率為1，測試結果如圖2所示。

道路試驗結果析：勻速60kph粗糙路激勵的主要問題峰值為77 Hz與200 Hz。結合LMS軟件中濾波回放功能，分別屏蔽77H與200Hz對比，發現造成車內轟鳴聲的問題頻率為77Hz。

②聲腔模態試驗：參照企業標準AERI-XNNVH-WI-SY-?41-2012《乘員艙聲腔模態試驗實施細則》在整車內建立空間模型，布置測點。通過體積聲源發聲，采集模型各點的聲音信號，整體計算，分析模型的頻率特征。此試驗需在半消聲室里面進行，所需要設備有：LMS SCADAS MOBILE?數據采集前端、BK 1/2"傳聲器、雅馬哈650W 功放、LMS中低頻體積聲源、測試軟件LMS Test. Lab 16A等。參照AERI-XN/?NVH-WI-CZ《LMS SCADAS Mobile 數據采集系統操作規程》進行設置，采集。其中設置參數如圖3所示，采集結果如圖4所示。

聲腔模態結果分析：本樣車縱向二階聲腔模態為76Hz，與道路激勵的主要問題峰值77Hz高度一致。

1.3 初步判定

結合道路與聲腔模態試驗結果，初步判定車內轟鳴聲產生原因：粗糙道路激勵傳遞至車身結構產生共振，與聲腔模態耦合。

考慮到聲腔模態的優化，需變更其內飾設計、空間布置、甚至整車模型，而樣車階段此類數據凍結，無法實現。故后續需在道路激勵路徑上做噪聲優化及工程方案。

2 機理分析

2.1 問題峰值分析

結合以往經驗，路面噪聲在20-500Hz頻段內一般分為5段問題集中區域，如圖5所示：

各段區域總結如下：

① 20-50Hz：路面激勵，易激發上車體薄弱處模態造成影響，如面積較大板金，開閉件等。

② 50-180Hz：路面激勵，經車身的底盤件結構傳遞路徑放大，傳遞至車內。

③ 180-220Hz：此頻段多為輪胎空腔模態集中區域。

④ 220-380Hz：路面激勵，經底盤件或底盤件安裝點等位置放大，傳遞至車內。

⑤ 380-500Hz：空氣路徑，多受輪胎花紋輻射噪聲，整車聲學包吸隔聲性能等影響。

結合實測分析結果，77Hz峰值可歸為問題②區間，即輪胎經粗糙路路面激勵，由轉向節傳遞至各底盤桿件，經底盤件結構傳遞至車內，造成車內噪聲惡化。

2.2 傳遞路徑描述

以某在研純電動汽車底盤件（前懸架為麥弗遜式獨立懸架，后懸架為多連桿結構）為例，由輪胎激勵，經“轉向節—底盤件-車身”路徑下的所有傳遞路徑如圖6所示。

輪胎受激勵后，經轉向節向車身傳遞的路徑有許多種，同一問題可經過不同的桿件路徑傳遞至車內，且不路徑的桿件屬性、襯套屬性不同，對同一激勵傳遞至車內的貢獻量亦不同。若單一排查，容易遺漏問題點，不利于對問題源進行精確分析。綜合以上考慮，后續做整車傳遞路徑貢獻量分析進行問題路徑排查。

2.3 傳遞路徑分析

傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，簡稱TPA）是一種基于試驗的振動噪聲分析方法，一般將整個系統劃分為幾個較為獨立的子結構，每個子結構都以傳遞函數來表征其結構特性。關于TPA詳細原理介紹，目前行業內文獻較多，本文不再贅述。

進行TPA分析，需結合粗糙路60kph路面激勵車內噪聲結果、車內噪聲傳遞函數NTF（Noise transfer function）、安裝點動剛度加速度導納IPI（Input Point Inertance）等數據，導入LMS Test. Lab軟件計算整車傳遞路徑貢獻量。因數據量較大，本文選取部分計算結果作為分析對象，車內后排噪聲TPA計算結果如圖7所示。

經TPA貢獻量分析，發現后排轟鳴聲的主要貢獻量來源于后副車架Z向振動激勵，如圖8所示。

此BEV樣車后副車架4個安裝點均帶有隔振襯套，與車身彈性連接，其模型如圖9所示。

通過對副車架的設計結構分析，其本體可能出現問題的方向可分為兩類：

① 整體模態影響;

② 局部模態（單一的彎臂或者橫梁）影響。

下一步則針對兩個方向分別做優化方案驗證。

3 方案制定及優化效果

3.1 方案制定

后副車架安裝于車身時，其結構整體類似于一套單自由度系統，公式如下：

其中：f=固有頻率;M=質量;K=總剛度。

為排查后副車架整體模態是否對整車造成影響，從公式上分析，可降低其襯套剛度或者增加其整體質量，而增加質量與汽車輕量化設計理念相違背，工程化方案不易推動，故方案制定以降低襯套剛度為主，因襯套剛度與硬度正相關，在襯套的橡膠工藝上硬度參數更易控制，故在原67HR（前襯套）、60HR（后襯套）基礎上，前后襯套硬度各降低5HR，如圖10所示。

為排查后副車架局部模態是否對整車造成影響，需改變其局部結構。以少量金屬角鐵焊接其彎臂與橫梁，改變其結構的同時，不會造成質量過多對整體模態的影響，如圖11所示。

3.2 方案優化效果

后副車架焊接角鋼前后對比，車內后排噪聲無改善效果;而副車架襯套硬度降低后，后排噪聲77Hz峰值處降低7dB（A），轟鳴聲改善十分明顯，后排主觀感受可接受，對比結果如圖12所示。后續通過耐久性驗證，方案工程化實施。

4 總結

本文主要針對某純電動車在粗糙路上60kph勻速行駛時，后排轟鳴問題的路徑分析和原因排查，確認問題產生原因：路面激勵-后副車架本體模態放大-車內聲腔模態耦合。通過降低襯套硬度最終成功解決轟鳴問題。

通過此問題，獲取經驗如下：

① 路噪問題分析中，要全面綜合的考慮外部激勵與汽車本身因素。

② TPA對于路噪的傳遞路徑分析具有比較完整、全面的優勢，能突出優先級，且不易遺漏問題點。

③ 后副車架襯套硬度的調整，是改變了后副車架的剛體模態，對于車內由路面激勵產生的轟鳴聲改善效果十分明顯，工程化方案中，襯套的更改需做耐久性驗證。

參考文獻

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