時域傳遞路徑分析在路噪聲品質開發中的應用*

毛杰 陳志東 邱毅 周昌水 張亞楠 姚再起

(1 浙江吉利控股集團有限公司汽車工程學院杭州 310000）

(2 浙江大學能源工程學院杭州 310027）

(3 吉利汽車研究開發寧波有限公司寧波 315336）

0 引言

當車輛以60 km/h或80 km/h勻速行駛在粗糙路面時，內燃機噪聲和風噪一般不是主要的噪聲源，而路面不平順度經過輪胎和懸架傳遞到車身引起的結構噪聲(路噪)，以及輪胎與路面相互作用引起的空氣噪聲(胎噪)，是該工況下最易引起客戶抱怨的NVH(Noise,Vibration,Harshness)問題。其中，在汽車NVH開發領域，路噪與輪胎的力傳遞、懸架的選型、車身的設計強相關，而胎噪與輪胎的花紋設計、車身的聲學包設計強相關。在當前的乘用車市場上，隨著電動汽車的快速發展，在缺少內燃機對低頻噪聲的掩蔽效應后，以結構聲為主的路噪一直是售后抱怨的痛點。

在路噪的研究方面，Lee等[1]掃描了路譜，以強迫振動的形式加載到輪胎與路面的接觸面上，激勵整車有限元模型(包含輪胎)計算路噪。黃劍鋒等[2]采用傳遞路徑分析(Transfer path analysis,TPA)技術進行了從整車到部件的路噪問題診斷和優化。Baro等[3]建立了一個線性輪胎模型用于預測200 Hz附件輪胎空腔聲的機理，用于降低空腔聲經懸架結構傳遞到車內的噪聲。

主機廠在車型仿真開發階段，重點工作集中在頻域范圍內的路噪聲壓級上，只能等到試驗樣車調校階段才能開展主觀評價(又稱路噪的聲品質評價)。而根據心理聲學理論，聲壓級的降低和聲品質的改善之間并不存在絕對的關聯。換言之，仿真階段一味地追求聲壓級的降低，在一定程度上會引起過設計的現象，并且無法確保對于后續樣車的聲品質帶來收益。

因此，基于項目開發中的痛點問題，本文采用時域TPA(Time-domain TPA)方法，搭建了某乘用車的NVH仿真-測試混合TPA模型，可以實現噪聲的回放、編輯以及仿真方案的主觀評價，在一定程度上縮短開發周期、降低設計變更成本以及減少人力投入。

1 時域TPA簡介

TPA目前已廣泛應用于汽車NVH的開發工作中[4-5]，對于識別振動或噪聲問題的關鍵路徑、提出針對性的優化方向，具有直接且有效的作用。

常見的TPA分為頻域和時域兩種，本文對它們的優缺點和應用場景做一個簡單的介紹。頻域TPA用工作載荷的頻譜乘以傳遞函數的頻譜，得到該條路徑的頻域貢獻量，最后通過矢量疊加所有結構聲和空氣聲貢獻路徑得到車內總噪聲，如式(1)所示：

式(1)中：f表示頻率；pdriver(f)表示頻域下的駕駛員耳旁聲壓；i和j分別表示結構聲(Structureborne,SB)和空氣聲(Airborne,AB)的貢獻路徑數量；分別表示第i條結構聲傳遞函數和第j條空氣聲傳遞函數；Fi和Qj分別表示第i條結構聲傳遞路徑的力載荷和第j條空氣聲傳遞路徑的聲載荷。

在進行汽車NVH開發時，頻域TPA可以快速把問題頻率下的振動或噪聲問題的主要貢獻路徑識別出來，進而再識別該貢獻路徑的主導因素是激勵源還是傳遞函數，最后可以開展針對性的優化工作。頻域TPA的缺點在于無法進行聲音的回放和評價。

而時域TPA用工作載荷的時域時間與傳遞函數的逆快速傅里葉變換(Fast Fourier transform,FFT)做卷積，得到該條路徑的時域貢獻量，如式(2)所示：

式(2)中各變量定義同式(1)。

時域TPA方法在汽車NVH開發中具有廣泛的應用價值，比如：(1)內燃機車型的啟動/熄火是一個瞬態工況，適合從時域上進行分析和優化；(2)聲音的回放功能可以減少實車調教過程中的“試錯”次數，提高開發效率，同樣需要適合從時域上進行結構聲和空氣聲的分析和優化。

2 路噪聲品質問題簡介

在車輛勻速行駛在粗糙路面上時，在不同的頻段內易引起不同的路噪聲品質抱怨，如轟鳴聲(20～50 Hz)、敲鼓聲(70～90 Hz)、隆隆聲(100～160 Hz)、輪胎空腔聲(180～250 Hz)，相關描述如表1所示。需要說明的是：(1)上述問題頻段的定義在不同的主機廠會略有差異，但不影響路噪問題的表述；(2)輪胎空腔聲以單頻噪聲問題為主，表1中所示頻段較寬(180～250 Hz)的原因是根據輪胎尺寸、車速、溫度等差異，空腔單頻噪聲會在200 Hz上下偏移；(3)300 Hz以上胎噪問題不在本文的討論范圍內。

圖1是某SUV在粗糙路面以60 km/h勻速行駛時的駕駛員耳旁路噪時域和頻域結果，其中由圖1(b)可以看到與表1相對應的路噪問題。其中，在20～50 Hz頻段內，因聲壓級幅值高、低頻聲能集中，在行駛過程中引起了明顯的低頻壓耳感的路噪聲品質抱怨，亟需對該問題展開分析和優化。

表1 常見的路噪聲品質問題Table 1 Common road noise sound quality issues

圖1 某SUV車內路噪時域和頻域曲線Fig.1 Interior time-domain and frequencydomain road noise curve of an SUV

3 路噪聲品質仿真和優化

基于路噪聲品質的開發需求，本文首先采用時域TPA方法對某SUV的路噪聲品質問題進行復現，鎖定關鍵貢獻路徑和問題頻段，接著采用CAE方法對特定頻段的子系統進行優化。

3.1 基于時域TPA的問題復現

目前，基于整車路噪仿真技術，可以完成從路面載荷提取到車內噪聲計算的全流程分析。然而，單純依賴于仿真手段，在實際項目開發過程中常會遇到以下場景：

(1)整車有限元模型在20～300 Hz頻段內的仿真精度問題。整車路噪仿真方法一般有2種常用的方法，一是路面不平順度加載到輪胎模型的方法，二是直接提取軸頭力加載到車輪中心的方法。雖然以上方法已經較為成熟，但是在實際應用時，輪胎、懸架、車身等有限元模型在不同頻率下均會產生一定的誤差，從而影響仿真結果和問題判斷的精度，尤其是在100 Hz以上，這種誤差會逐步突顯出來，需要耗費大量的時間去獲取準確的輸入、對標各問題頻率下的有限元模型精度等。

(2)通過上述仿真方法得到的頻域路噪結果，因缺乏時域信號而無法進行聲音回放，所以路噪優化工作只能通過降低聲壓級開展，無法建立起仿真優化方案和主觀評價直接的聯系，易引起過設計的現象。

因路噪激勵特性和傳遞路徑較為復雜，若不借助于有效的問題診斷手段，只能在實車上通過試錯的方式進行問題排查，效率低且成本高。基于現有仿真技術的瓶頸，本文采用仿真和試驗混合的方法，進行路噪低頻壓耳感問題的復現和優化：

(1)采用時域TPA方法進行路噪聲品質問題的診斷分析。該方法的優點在上文理論部分已經介紹，不僅可以實現傳統TPA方法對于車內噪聲主要貢獻路徑的識別，還可以實現聲音的回放。

(2)采用CAE方法對主要貢獻路徑的問題進行針對性優化，并且將優化的結果替換到時域TPA模型中，實現優化方案的回放，減少大量試錯和方案試制的時間。

(3)在平臺化造車的時代，基于平臺第一款車型上完成(1)和(2)的工作后，可以對后續車型的開發效率提升提供幫助。

本文搭建的某SUV路噪時域TPA模型如圖2所示，主要包含由螺旋彈簧、前減振器和前副車架組成的前懸架路噪，以及由后減振器和后副車架組成的后懸架路噪。將前后懸架的路噪結果進一步合成后，可以得到時域的車內路噪結果，不僅可以通過FFT后得到路噪的頻域聲壓級曲線，還可以直接將時域結果回放進行主觀評價。需要說明的是，300 Hz以下的路噪是結構聲強相關的噪聲，可以忽略空氣聲的影響。因此，本文在提取路噪TPA的路徑的時候，只需要考慮結構聲傳遞函數HiSB即可(如圖2所示)。提取的過程是通過工況傳遞路徑分析(Operational transfer path analysis,OTPA)多工況擬合的方式，即獲取不同工況下的底盤激勵結果和車內噪聲響應結果，然后通過OTPA自帶的傳函擬合算法，即算法中默認每一條底盤硬點到車內的傳遞函數是固定的，從而通過多個工況的測試結果矩陣計算得到每一條傳遞函數結果。

圖2 路噪聲品質時域TPA分析Fig.2 Time-domain TPA analysis of road noise sound quality

為了確保時域TPA分析的準確性，需要對比它和車內傳聲器測試結果的一致性，如圖3所示。從圖3(a)中可以看到，在0～10 s時域內，時域TPA合成路噪和車內傳聲器測試路噪的時域聲壓曲線基本重合；在20～300 Hz頻段內，時域TPA合成路噪和車內傳聲器測試路噪的一致性較好，從而證明了TPA模型和結果的有效性，可以用于路噪聲品質問題的排查、分析和優化。需要說明的是，圖3(b)的頻域結果在75～100 Hz區間內相對其他頻段存在較大的誤差，這主要是因為測試過程采用了時域TPA中的工況TPA方法，測試效率更高，但是會損失一部分精度。而該誤差對于圖3(a)中的兩個時域壓耳聲品質的主觀評價幾乎沒有影響。因此，在工程應用時，建議通過前后測試多個穩態和瞬態工況，如不同車速的勻速工況、怠速工況、節氣門全開/半開加速工況等，通過多工況的相互耦合，提升工況TPA對于傳遞函數求解的精度，從而提升車內噪聲擬合結果的精度。

圖3 某SUV車內路噪時域和頻域曲線Fig.3 Interior time-domain and frequencydomain road noise SPL curve of an SUV

將時域TPA合成的路噪結果在聲品質評價試驗室內組織主觀評價，選取了10名不同年齡、性別的評價人員，主觀評價路噪低頻壓耳感得分為6.5分，目標7分。

3.2 基于時域TPA的問題分析

基于準確的TPA結果，可以快速實現噪聲貢獻路徑的合成和分解，從而確定路噪低頻壓耳感問題的主要貢獻路徑。

圖4是低頻壓耳感問題的TPA分解，結合公式(1)，以35 Hz聲壓級峰值頻率為例，把組成該頻率下車內噪聲的所有路徑進行貢獻排序后，可以得到排名前3的懸架傳遞路徑分別是后副車架右前Z向、左后Z向和右后Z向，即以后副車架為主的路徑決定了低頻壓耳感聲品質問題的產生。

圖4 低頻路噪傳遞路徑分解(35 Hz)Fig.4 Chassis transfer path decomposition of the low-frequency road noise(35 Hz)

3.3 基于CAE的問題優化

基于鎖定的懸架傳遞路徑，通過CAE的手段可以針對性地定位到問題產生的本質原因，理論上可以通過“源-路徑-響應”三個方面進行優化。

“源”來自于路面和輪胎的相互作用。在30～40 Hz，輪胎存在整體的滾動模態，是引起低頻壓耳問題的激勵源。在粗糙路面的隨機載荷激勵下，輪胎滾動模態被激發，從而在輪心處產生了明顯的輪心力峰值。然而，輪胎的滾動模態往往是無法避免的，只能通過輪胎尺寸、運動或舒適風格的優化選型，在一定程度上降低滾動模態頻率附近的輪胎力傳遞特性，但當車輛造型和風格確定后，在輪胎上可以調校的空間非常狹小，即“源”的大小無法進行有效的控制。

“路徑”來自于懸架系統的傳遞。若在問題頻率附近存在懸架整體模態，則會放大輪心力在懸架結構上的力傳遞；若懸架不存在整體模態，則也會被輪心力強迫激勵，從而在懸架和車身的連接點上產生不同幅值的力，常稱之為車身側懸架接附點力。圖5是引起低頻壓耳感問題的主要貢獻路徑的接附點力，發現在30～40 Hz頻段內均存在力的峰值。

圖5 主要貢獻路徑的接附點力Fig.5 Attachment forces of main contribution paths

“響應”來自于車身系統的噪聲敏感度，即懸架系統在車身側的安裝點在單位力的掃頻激勵下，引起的車內聲學響應，通常稱之為噪聲傳遞函數(Noise transfer function,NTF)。如果關鍵路徑的NTF在問題頻率附近存在明顯的峰值，則會進一步放大懸架力激勵車身引起的車內噪聲。NTF存在峰值的原因一般有3種可能性：一是安裝點在問題頻率附近剛度不足，無法有效抑制懸架力的激勵；二是車身存在整體模態，帶動了車身的共振；三是車身某些大面板結構(如尾門、風擋玻璃、地板等)存在模態，該模態被激發后壓迫車內聲腔，從而形成車內噪聲的貢獻。

當新車型開發搭載較為成熟的平臺架構后，一般無法對“源”和“路徑”做大范圍的調整，因此本文重點通過“響應”進行低頻壓耳感問題的優化。

由圖6(a)所示關鍵路徑的NTF可以發現，在30～40 Hz內存在明顯的峰值。因此可以基本確定，在關鍵路徑的接附點力和NTF均存在明顯峰值的情況下，引起了本文的路噪壓耳感問題。采用面板貢獻量分析對NTF峰值進行診斷，發現尾門的貢獻為41%，占了主導貢獻，如圖6(b)所示。因為尾門在問題頻率下存在前后方向整體的拍擊模態，容易和車內聲腔的1階前后方向整體模態進行耦合，從而形成底盤路噪的主導貢獻。

圖6 內飾車身噪聲敏感度問題分析Fig.6 Noise sensitivity analysis of a trimmed-body

本文研究的某SUV因采用貫穿式尾燈設計，因此尾門外板的中部設計了凹槽結構，致使尾門的整體剛度降低，整體模態頻率下的振幅升高，從而形成了超過40%的噪聲貢獻。優化方案主要針對尾門外板的弱點，在不改變貫穿式尾燈造型的需求下，通過增加尾門內外板之間的連接點提升整體剛度，降低尾門拍擊模態下的振幅。優化后，30～40 Hz內的路噪峰值下降4 dB，如圖7所示。

圖7 路噪優化設計及結果Fig.7 Road noise optimal design and result

3.4 基于回放技術的主觀評價

將CAE優化方案的效果替換到時域TPA回放模型中，組織10位專家進行優化前后的主觀評價，主觀評分從6.5分提升至7分，達到目標要求。

最后，基于主觀評價后的CAE優化方案，進行試驗驗證，實車的客觀測試和主觀評價結果與上文的仿真結論基本一致，從而在項目開發過程中大幅降低了試錯的成本，提高了開發效率。

4 結論

本文針對復雜的路噪聲品質問題，采用時域TPA方法進行了問題的分解，并結合CAE方法開展了關鍵路徑的分析和優化，可以為相關工程問題的解決提供技術參考。

(1)基于TPA分解技術，量化各個貢獻路徑的分解，實現復雜問題的聚焦；

(2)通過試驗-仿真混合的方法，充分發揮CAE在解決實車工程問題中的能力，解釋問題的本質并提出針對性的有效方案，最終使30～40 Hz的路噪降低了約4 dB，有效改善了低頻壓耳感問題；

(3)基于本文搭建的時域TPA回放模型，在后續平臺化造車的項目中，可以實現平臺化問題的快速聚焦、仿真結果的主觀評價，大幅提高NVH開發效率。