基于隨機(jī)相位的車內(nèi)噪聲預(yù)測與目標(biāo)分解

郝耀東 鄧江華 顧燦松 李洪亮 董俊紅

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300399）

1 前言

車內(nèi)噪聲分析是整車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise,Vibration,Harshness，NVH）開發(fā)過程中最重要和有挑戰(zhàn)性的課題之一。精確的車內(nèi)噪聲分析方法可以幫助設(shè)計(jì)人員有效地預(yù)測車輛在各工況下的NVH水平，并提出工程解決方案。目前，車內(nèi)噪聲分析的方法主要包括統(tǒng)計(jì)能量分析法[1]、模態(tài)綜合法[2]、傳遞路徑分析法[3]等。其中，傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，TPA）因其精確性和便捷性得到了最廣泛的應(yīng)用[4-6]。

王萬英等人[7]建立了輪胎噪聲結(jié)構(gòu)傳遞路徑分析模型，得到車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)由結(jié)構(gòu)傳遞的合成聲，與實(shí)測聲壓有較好的吻合。張義民等人[8]采用路徑靈敏度作為度量準(zhǔn)則，提出振動(dòng)傳遞路徑參數(shù)貢獻(xiàn)度的計(jì)算途徑，并給出了理想的數(shù)值分析結(jié)果。但是，TPA需要激勵(lì)力和傳遞函數(shù)作為輸入，而在車輛開發(fā)過程中，只有開發(fā)末期才能得到完整的激勵(lì)力和傳遞函數(shù)數(shù)據(jù)。

目標(biāo)分解也是整車NVH 開發(fā)的難點(diǎn)之一。但現(xiàn)有的目標(biāo)分解方法絕大多數(shù)應(yīng)用在電子工程領(lǐng)域[9-11]，汽車NVH 開發(fā)中的目標(biāo)分解絕大部分依賴于對標(biāo)方法[12]。但是，對標(biāo)車型的結(jié)構(gòu)與開發(fā)車型存在較大不同，同時(shí)，對標(biāo)車型的目標(biāo)分解并不是最優(yōu)分解。

為在車輛開發(fā)初期預(yù)測車內(nèi)的噪聲水平，以及解決車輛NVH 開發(fā)過程中的目標(biāo)分解問題，本文提出基于傳遞路徑的車內(nèi)噪聲預(yù)測方法和目標(biāo)分解方法。首先將整車級目標(biāo)分配至每一條傳遞路徑，再制定傳遞函數(shù)和激勵(lì)力目標(biāo)，保證目標(biāo)分解的快捷性和合理性。

2 傳遞路徑分析

假設(shè)在車輛行駛過程中，車身受到的激勵(lì)力數(shù)量（路徑數(shù)量）為n，每個(gè)激勵(lì)力具有x、y、z3 個(gè)方向分量，如圖1 所示。激勵(lì)力作用的位置稱為車身關(guān)鍵硬點(diǎn)。在線性時(shí)不變的假設(shè)條件下，車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的聲壓水平p為各激勵(lì)力沿不同傳遞路徑傳播到該點(diǎn)聲壓的總和：

式中，Hij為第i個(gè)激勵(lì)力、第j個(gè)方向分量到車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的傳遞函數(shù)；Fij為第i個(gè)激勵(lì)力、第j個(gè)方向分量的激勵(lì)；ω為圓頻率；j=1,2,3分別為x、y、z3個(gè)方向。

圖1 傳遞路徑示意

由式（1）可知，傳遞函數(shù)和激勵(lì)力決定車內(nèi)噪聲的聲壓水平。噪聲傳遞函數(shù)可以通過直接頻響法或模態(tài)頻響法在仿真模型中計(jì)算得到，也可以通過試驗(yàn)直接獲取；激勵(lì)力的求解方法主要包括直接測量法、逆矩陣法等。

傳遞路徑分析不僅可以計(jì)算車內(nèi)噪聲，還可以識別各路徑對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)水平，從而找出關(guān)鍵的路徑，便于進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

3 基于傳遞路徑的車內(nèi)噪聲預(yù)測

噪聲傳遞函數(shù)是評價(jià)車身NVH 性能的主要指標(biāo)，激勵(lì)力是評價(jià)底盤和動(dòng)力總成NVH 性能的主要指標(biāo)。而由于車身、動(dòng)力總成與底盤開發(fā)不同步，需要設(shè)定傳遞函數(shù)目標(biāo)或激勵(lì)力目標(biāo)預(yù)測車內(nèi)噪聲水平。

假設(shè)車身關(guān)鍵硬點(diǎn)激勵(lì)力Fij已知，設(shè)定車身噪聲傳遞函數(shù)目標(biāo)h（所有傳遞函數(shù)在所有頻段均需滿足的峰值目標(biāo)），則此時(shí)車內(nèi)噪聲峰值可以表示為：

式（2）忽略了各傳遞路徑分量的相位差，因此，需要進(jìn)行修正：

式中，w1為比例因子，是n的函數(shù)。

本文在不同車型、工況和不同傳遞路徑數(shù)量條件下，實(shí)測了11 款車型的傳遞函數(shù)峰值和噪聲峰值。根據(jù)實(shí)測結(jié)果計(jì)算比例因子w1，結(jié)果如表1 所示。其中，3WOT 和4WOT 分別為3 擋全油門和4 擋全油門工況。由表1 可知，當(dāng)w1=n時(shí)，預(yù)測的噪聲結(jié)果具有較高的精度。

表1 比例因子w1計(jì)算結(jié)果

采用相同的方法在已知傳遞函數(shù)的情況下預(yù)估車內(nèi)噪聲，其計(jì)算公式為：

采用相同方法計(jì)算w2，即在不同車型、工況和不同傳遞路徑數(shù)量的條件下，測量激勵(lì)力和噪聲峰值，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，當(dāng)w2=1.5n時(shí)，預(yù)測的噪聲結(jié)果具有較高的精度。

表2 比例因子w2計(jì)算結(jié)果

綜上，可以采用式（3）及式（4）在開發(fā)前期進(jìn)行車內(nèi)噪聲的預(yù)測，其中比例因子w1=n，w2=1.5n。

4 基于傳遞路徑的車內(nèi)噪聲目標(biāo)分解

在已知各硬點(diǎn)激勵(lì)力的前提下，根據(jù)整車目標(biāo)制定車身噪聲傳遞函數(shù)目標(biāo)，其計(jì)算公式為：

同理，在已知車身噪聲傳遞函數(shù)的條件下，根據(jù)整車目標(biāo)制定激勵(lì)力目標(biāo)的計(jì)算公式為：

5 軟件編制及算例

5.1 軟件編制

基于上述理論，本文基于MATLAB 開發(fā)了“傳遞路徑分析與綜合”軟件，實(shí)現(xiàn)了傳遞路徑分析、車內(nèi)噪聲預(yù)測和目標(biāo)分解功能。軟件分為5 個(gè)模塊，各模塊輸入、輸出數(shù)據(jù)和功能如表3所示，軟件界面如圖2所示。

圖2 軟件界面

5.2 傳遞路徑分析算例

以某前置前驅(qū)MPV 車型4 擋全油門工況為例測試軟件的傳遞路徑分析功能，并以Altair 公司某商業(yè)軟件的計(jì)算結(jié)果作為對比。

該車型采用測試方法獲取激勵(lì)力文件，采用仿真方法獲取噪聲傳遞函數(shù)文件。開發(fā)軟件計(jì)算的噪聲與商業(yè)軟件計(jì)算的噪聲結(jié)果對比如圖3所示。

圖3 TPA車內(nèi)噪聲計(jì)算結(jié)果

由圖3 可知，自編軟件的噪聲計(jì)算結(jié)果與商業(yè)軟件基本相同，微小差別是由于軟件插值的方式不同引起的。

本文編寫的軟件還可以自動(dòng)輸出貢獻(xiàn)量最大的10條路徑的貢獻(xiàn)量、傳遞路徑峰值及激勵(lì)力峰值，68 Hz的分析結(jié)果如圖4 所示。軟件自動(dòng)輸出關(guān)鍵傳遞路徑編號對應(yīng)的傳遞路徑如表4所示。

圖4 傳遞路徑貢獻(xiàn)量

表4 關(guān)鍵傳遞路徑編號

5.3 車內(nèi)噪聲預(yù)測算例

以某前置后驅(qū)SUV 車型為例測試軟件的噪聲預(yù)測功能。采用逆矩陣法分別計(jì)算3WOT 激勵(lì)力、4WOT 激勵(lì)力的頻譜曲線，分別計(jì)算車身傳遞函數(shù)目標(biāo)峰值為60 dB、65 dB、70 dB 情況下駕駛員耳邊噪聲預(yù)測值，結(jié)果如表5所示。

表5 某SUV噪聲預(yù)測結(jié)果 dB

該車型實(shí)際傳遞函數(shù)峰值為67 dB，3WOT 和4WOT 工況下二階噪聲峰值分別為75.2 dB 和76.8 dB，與實(shí)際結(jié)果差值在1.5 dB以內(nèi)，說明該軟件可以在開發(fā)前期有效預(yù)測各工況的噪聲峰值。

5.4 目標(biāo)分解算例

某前置前驅(qū)MPV 車型在4WOT 工況下的關(guān)鍵硬點(diǎn)如圖5所示。其中每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝點(diǎn)包括x、y、z方向3條傳遞路徑，排氣系統(tǒng)吊點(diǎn)只考慮z方向，故每個(gè)點(diǎn)只有1條傳遞路徑，整個(gè)系統(tǒng)共包括15條傳遞路徑。

圖5 車身關(guān)鍵硬點(diǎn)

采用新型傳遞路徑分析（Operational-X Transfer Path Analysis，OPAX）方法[13]計(jì)算各條路徑的二階激勵(lì)力，部分激勵(lì)力頻譜曲線如圖6所示。

將激勵(lì)力頻譜曲線輸入軟件中，制定車內(nèi)噪聲目標(biāo)為68 dB，軟件自動(dòng)輸出各關(guān)鍵硬點(diǎn)各方向的噪聲傳遞函數(shù)目標(biāo)如表6所示。

圖6 關(guān)鍵硬點(diǎn)激勵(lì)力

由表6 可知，軟件將噪聲目標(biāo)分配至各條傳遞函數(shù)上，對比表6 和圖6 可知，激勵(lì)力較大的傳遞路徑具有較低的傳遞函數(shù)目標(biāo)值，反之則具有較高的傳遞函數(shù)目標(biāo)值。

6 結(jié)束語

本文在傳遞路徑分析的基礎(chǔ)上，提出一種車內(nèi)噪聲預(yù)測和目標(biāo)分解方法，并采用該方法編制了傳遞路徑分析與綜合軟件。基于傳遞路徑的車內(nèi)噪聲預(yù)測方法可以在車輛開發(fā)前期預(yù)測車內(nèi)噪聲，判斷車輛的NVH 水平。基于傳遞路徑的目標(biāo)分解方法克服了傳統(tǒng)對標(biāo)方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)力和噪聲傳遞函數(shù)目標(biāo)的合理和快捷分解。編寫的軟件實(shí)現(xiàn)了傳遞路徑分析、車內(nèi)噪聲預(yù)測和目標(biāo)分解功能，算例結(jié)果表明，該軟件可以準(zhǔn)確、有效地進(jìn)行車內(nèi)噪聲的計(jì)算、預(yù)測和目標(biāo)分解。