基于傳遞路徑分析的關(guān)門聲貢獻(xiàn)量研究

盧明洋，周 毅，靳 暢，李冰杰

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

基于傳遞路徑分析的關(guān)門聲貢獻(xiàn)量研究

盧明洋1，周 毅2，靳 暢2，李冰杰1

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

為了改善汽車關(guān)門聲品質(zhì)，研究不同部件對(duì)汽車關(guān)門噪聲的貢獻(xiàn)量，采用了傳遞路徑分析（TPA）方法。根據(jù)TPA的基礎(chǔ)理論，車門和車身發(fā)生碰撞的部位均為激勵(lì)源，由于激勵(lì)源為環(huán)狀，進(jìn)行了離散化處理，建立了汽車關(guān)門的傳遞路徑模型，并對(duì)某款車進(jìn)行了關(guān)門噪聲試驗(yàn)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了離散化處理和所建模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)得到車門、車身和門鎖對(duì)關(guān)門噪聲總體以及不同頻率下的貢獻(xiàn)量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，車門的噪聲貢獻(xiàn)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(xiàn)，而門鎖在低、中、高頻都具有較大貢獻(xiàn)量。

關(guān)門聲；傳遞路徑；分析貢獻(xiàn)量

0 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)汽車的NVH性能（Noise Vibration Harshness）關(guān)注度越來越高。關(guān)門聲品質(zhì)即屬于汽車NVH性能之一。顧客在買車時(shí)，通常會(huì)把汽車的關(guān)門聲作為衡量汽車質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一[1]。在研究關(guān)門聲的文獻(xiàn)中，往往是對(duì)關(guān)門聲進(jìn)行仿真或者采集整體的關(guān)門聲，而少有關(guān)于不同部件對(duì)關(guān)門聲貢獻(xiàn)方面的試驗(yàn)研究。汽車在關(guān)門過程中，會(huì)產(chǎn)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(dòng)所產(chǎn)生的噪聲。因此關(guān)門聲可看作是一系列機(jī)械部件產(chǎn)生的沖擊噪聲的集合[2]。為了研究不同部件對(duì)關(guān)門聲的貢獻(xiàn)，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(gè)路徑對(duì)關(guān)門聲的貢獻(xiàn)量，并可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本文建立了汽車關(guān)門過程的傳遞路徑分析模型，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和LMS軟件計(jì)算，得到不同部件對(duì)關(guān)門噪聲聲壓大小和不同頻率下的貢獻(xiàn)量，為后續(xù)改善關(guān)門聲品質(zhì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 TPA基礎(chǔ)理論

TPA的基本思想來源于線性系統(tǒng)的思想。對(duì)于一個(gè)線性系統(tǒng)，輸入與輸出的關(guān)系可表示為其中h(t)為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。對(duì)于N個(gè)輸入單個(gè)輸出的系統(tǒng)，則輸入與輸出的關(guān)系為在研究汽車的噪聲與振動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)是輸入稱為“源”，源通過汽車內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)板件以及空氣傳遞振動(dòng)與噪聲信號(hào)，稱為“路徑”，在所感興趣的地方布置傳感器采集振動(dòng)或者聲音信號(hào)，這些地方稱為“接收點(diǎn)（目標(biāo)點(diǎn)）”。通過計(jì)算每個(gè)激勵(lì)源通過每條路徑傳遞到接收點(diǎn)的響應(yīng)，將這些響應(yīng)疊加，便可得到接收點(diǎn)的總響應(yīng)。將用該方法計(jì)算得到的接收點(diǎn)響應(yīng)與實(shí)際用傳感器測(cè)得的該接收點(diǎn)的響應(yīng)進(jìn)行比較，可以判斷TPA的模型構(gòu)建的是否準(zhǔn)確。通過采用傳遞路徑分析，可有效識(shí)別不同激勵(lì)源對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量，為降低或改善噪聲與振動(dòng)提供基礎(chǔ)[3～5]。

需要強(qiáng)調(diào)的是，TPA與普通的線性現(xiàn)象有所不同。當(dāng)輸入為帶有相位的頻譜時(shí)，傳遞路徑分析需要進(jìn)行矢量的疊加。在進(jìn)行分組試驗(yàn)時(shí)，需要一個(gè)共同的參考點(diǎn)，以進(jìn)行相位的疊加。

為了計(jì)算得到激勵(lì)源到目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)，需要知道激勵(lì)源的信號(hào)以及源通過不同路徑傳遞到目標(biāo)點(diǎn)的傳遞函數(shù)。

1.1 激勵(lì)力

在試驗(yàn)過程中，雖然激勵(lì)源的信號(hào)輸入有多種形式，但在分析汽車振動(dòng)噪聲問題時(shí)，最常采用的還是力輸入。結(jié)構(gòu)傳遞路徑分析中常采用的激勵(lì)力識(shí)別方法有：直接測(cè)量法、矩陣求逆法、動(dòng)態(tài)復(fù)剛度法、單路徑求逆法和激勵(lì)點(diǎn)反演法等。本論文中采用的是矩陣求逆法，因此僅對(duì)該方法進(jìn)行簡介。

對(duì)于一個(gè)線性的振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)有激勵(lì)力F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)N存在時(shí)，存在響應(yīng)（通常為加速度響應(yīng)）A1，A2，…，Am。由系統(tǒng)方程得：

因此激勵(lì)力可用下式估計(jì)：

或者簡寫為：

其中，{F(f)}為激勵(lì)力組成的向量；{A(f)}為響應(yīng)向量。本文中，在激勵(lì)源附近粘貼加速度傳感器，這些粘貼的點(diǎn)被稱為參考點(diǎn)。加速度傳感器測(cè)量1到3個(gè)平動(dòng)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(yīng)Ai的傳遞函數(shù)。

1.2 振動(dòng)傳遞函數(shù)

在結(jié)構(gòu)傳遞路徑中，激勵(lì)為振動(dòng)，參考點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)可能為振動(dòng)或者聲音，因此振動(dòng)傳遞函數(shù)有兩種形式：振-振傳遞函數(shù)和振-聲傳遞函數(shù)。通常采用以下兩種方法獲得振動(dòng)傳遞函數(shù)：力錘激勵(lì)法和互易法。本文僅涉及力錘激勵(lì)法。

當(dāng)在激勵(lì)源施加力錘激勵(lì)信號(hào)時(shí)，激勵(lì)信號(hào)通過各條路徑傳遞到目標(biāo)點(diǎn)。正如上文中所提到的，試驗(yàn)過程中會(huì)在激勵(lì)源附近選取參考點(diǎn)并粘貼加速度傳感器。因此激勵(lì)力會(huì)同時(shí)引起參考點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)。在本文所研究的關(guān)門聲問題中，目標(biāo)點(diǎn)放置的是采集聲音信號(hào)的麥克風(fēng)。因此激勵(lì)點(diǎn)到參考點(diǎn)的傳遞函數(shù)即為振—振傳遞函數(shù)，即上文中的 ；激勵(lì)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的傳遞函數(shù)為振—聲傳遞函數(shù)，這里記為

圖1 力錘激勵(lì)法識(shí)別振動(dòng)傳遞函數(shù)

設(shè)目標(biāo)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為q，則有：

由式(2)和式(4)可得：

試驗(yàn)過程中，激勵(lì)力、加速度和聲音信號(hào)均為已知，因此可以得到振—振傳遞函數(shù)[H(f)]m×N和振—聲傳遞函數(shù)[T(f)]q×N。在實(shí)際工況中，根據(jù)式(5)，便可由參考點(diǎn)的加速度信號(hào)擬合出目標(biāo)點(diǎn)的聲音信號(hào)，同時(shí)得到各個(gè)激勵(lì)源對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的聲音貢獻(xiàn)量。

2 TPA建模與試驗(yàn)

汽車在關(guān)門過程中，車門與車身、鎖體和鎖扣均會(huì)發(fā)生碰撞。因此認(rèn)為汽車關(guān)門噪聲的源為車門與車身發(fā)生碰撞的一圈結(jié)構(gòu)（分別位于車門和車身上）、鎖扣和鎖體的碰撞點(diǎn)（分別位于鎖扣與鎖體上）。而實(shí)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(lì)，因此在試驗(yàn)中，力錘的激勵(lì)點(diǎn)位于車門里側(cè)和車身上密封條內(nèi)部和附近的金屬板件。鎖扣和鎖體的碰撞點(diǎn)也難以用力錘進(jìn)行激勵(lì)，因此試驗(yàn)過程中，激勵(lì)源選在碰撞點(diǎn)附近的位置。再者，車門與車身發(fā)生碰撞的為一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而力錘激勵(lì)只能激勵(lì)單個(gè)的點(diǎn)，因此需要進(jìn)行離散化的處理。即雖然車門和車身的激勵(lì)源分別只有一個(gè)，但不是傳統(tǒng)的點(diǎn)激勵(lì)源中的點(diǎn)，而是環(huán)狀。因此把該環(huán)狀激勵(lì)源分解為若干段，當(dāng)作同時(shí)存在的若干個(gè)點(diǎn)激勵(lì)源。實(shí)際試驗(yàn)中，在車門與車身上分別選取了一些較好的點(diǎn)作為力錘激勵(lì)點(diǎn)（激勵(lì)源），這些激勵(lì)點(diǎn)即為傳遞路徑的起點(diǎn)（傳遞路徑的終點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)）。

這里需要討論一下以上的處理對(duì)試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。首先是密封條的非線性特性對(duì)試驗(yàn)的影響。根據(jù)TPA的基礎(chǔ)理論，傳遞路徑的分析僅涉及源（路徑的起點(diǎn)）、路徑和目標(biāo)點(diǎn)（路徑的終點(diǎn)）。在關(guān)門過程中，雖然車門與密封條碰撞，密封條的振動(dòng)再引起車身的振動(dòng)。但是車身上激勵(lì)點(diǎn)的振動(dòng)通過板件和空氣的振動(dòng)最終傳遞到目標(biāo)點(diǎn)，傳遞路徑上不會(huì)經(jīng)過密封條，因此認(rèn)為這些傳遞路徑基本是線性的（這樣處理就相當(dāng)于認(rèn)為密封條的振動(dòng)不會(huì)引起噪聲，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有一定的影響）。其次是離散化處理對(duì)試驗(yàn)的影響。以本文中的車門為例，如果車門整個(gè)系統(tǒng)是完全線性的，即車門上不同點(diǎn)的振動(dòng)始終存在線性關(guān)系，根據(jù)TPA的基礎(chǔ)理論，僅一個(gè)激勵(lì)點(diǎn)就能代表車門的振動(dòng)，即能擬合出車門的噪聲貢獻(xiàn)。而實(shí)際上，車門不是完全線性的，因此選取足夠數(shù)目的激勵(lì)點(diǎn)能夠較好的保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)以上分析，并參考文獻(xiàn)[2]，在車門里側(cè)選取了9個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，僅考慮車門的Y向（整車坐標(biāo)系，下同）振動(dòng)，共有9條傳遞路徑。由于要保證m≥2N，在車門外側(cè)粘貼了18個(gè)單向加速度傳感器（即為參考點(diǎn)）。對(duì)于車身，選取了8個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，考慮到車身上X，Y，Z三個(gè)方向都具有較為明顯的振動(dòng)，在車身上選取了16個(gè)參考點(diǎn)，粘貼三向加速度傳感器。鎖扣和鎖體考慮激勵(lì)源X，Y，Z三個(gè)方向的振動(dòng)，因此分別具有三個(gè)傳遞路徑，各需要6個(gè)參考自由度，即粘貼兩個(gè)三向加速度傳感器。如圖9所示，為本文關(guān)門聲試驗(yàn)的所有激勵(lì)點(diǎn)和參考點(diǎn)的大致位置。

圖2 測(cè)點(diǎn)模型

圖3 加速度傳感器布點(diǎn)位置

整個(gè)試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)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(shí)際試驗(yàn)中某些加速度傳感器的布點(diǎn)位置。力錘采用PCB公司的ICP力錘。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為LMS公司的SCADAS316。數(shù)據(jù)采集和記錄軟件為LMS Testlab。試驗(yàn)中選取了一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)——關(guān)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(fēng)。

圖4 目標(biāo)點(diǎn)位置

試驗(yàn)主要分為兩大部分：傳遞函數(shù)的測(cè)量和工況數(shù)據(jù)的采集。測(cè)量傳遞函數(shù)時(shí)，由于關(guān)門過程中車門和車身激勵(lì)點(diǎn)的振動(dòng)主要是Y向的振動(dòng)，因此僅在Y向用力錘進(jìn)行激勵(lì)；對(duì)鎖扣和鎖體的激勵(lì)點(diǎn)進(jìn)行X，Y，Z三個(gè)方向的激勵(lì)。力錘進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，同時(shí)采集參考點(diǎn)的加速度信號(hào)和目標(biāo)點(diǎn)的聲音信號(hào)，即可同時(shí)得到振—振傳遞函數(shù)和振—聲傳遞函數(shù)。由于試驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)分三組進(jìn)行。采集工況數(shù)據(jù)時(shí)，為了保證每次關(guān)門速度大致相同，采用了橡皮筋（如圖5所示）和一個(gè)速度傳感器（如圖6所示）。

圖5 橡皮筋

圖6 關(guān)門測(cè)速裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在LMS/TPA模塊中，對(duì)車門、車身、鎖體和鎖扣上的各條路徑對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的貢獻(xiàn)進(jìn)行合成，并與實(shí)際在目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量的關(guān)門聲信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，通過TPA合成的目標(biāo)點(diǎn)關(guān)門噪聲與實(shí)測(cè)結(jié)果在頻域上的趨勢(shì)大體相同，驗(yàn)證了關(guān)門聲傳遞路徑建模及試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖7 目標(biāo)點(diǎn)關(guān)門噪聲合成與實(shí)測(cè)結(jié)果

實(shí)測(cè)噪聲與合成噪聲之間存在一定的差異，分析誤差產(chǎn)生原因可能有以下四點(diǎn)：

1）本試驗(yàn)沒有考慮空氣傳遞路徑（結(jié)構(gòu)傳遞路徑與空氣傳遞路徑所產(chǎn)生的噪聲在本試驗(yàn)中難以進(jìn)行分離）。實(shí)際上關(guān)門過程中密封條壓縮擠壓空氣，直接引起空氣振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲；

2）試驗(yàn)為分組進(jìn)行，每次采集工況數(shù)據(jù)時(shí)關(guān)門速度無法保證完全一致；

3）進(jìn)行路徑擬合時(shí)沒有考慮車門與車身之間的路徑耦合；

4）整個(gè)系統(tǒng)并不是完全線性的。

圖8為各條路徑對(duì)關(guān)門聲的貢獻(xiàn)譜圖，圖9為各條路徑對(duì)關(guān)門聲的貢獻(xiàn)量。

圖8 各條路徑對(duì)關(guān)門聲的貢獻(xiàn)譜

圖9 各條路徑對(duì)關(guān)門聲的貢獻(xiàn)量

由圖8可以看到，合成結(jié)果與實(shí)測(cè)關(guān)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(dòng)是所有路徑中貢獻(xiàn)最大的兩條。而從圖9可以看出，實(shí)測(cè)關(guān)門聲與合成關(guān)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(xù)的環(huán)形，還需要將以上單個(gè)傳遞路徑進(jìn)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(jié)果。為了清晰的觀察車身、門鎖和車門在不同頻率下對(duì)關(guān)門噪聲的貢獻(xiàn)，將其處理為1/3倍頻程圖，如圖11所示。

圖10 各組路徑對(duì)關(guān)門聲的貢獻(xiàn)譜

從圖10和11可以看到，車身振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲主要是低頻和中頻噪聲；車門產(chǎn)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(duì)關(guān)門聲具有較大的貢獻(xiàn)量。同時(shí)也可以總結(jié)出，汽車的關(guān)門聲不僅與門鎖的碰撞有關(guān)，與車門和車身的結(jié)構(gòu)也密切相關(guān)。

需要指出，通過本試驗(yàn)得到的門鎖對(duì)關(guān)門聲的貢獻(xiàn)，不僅包括門鎖本身振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，也包括由于門鎖受到激勵(lì)而引起的車身與車門振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲。因此門鎖在低、中、高頻都具有較大的貢獻(xiàn)量是合理的。

圖11 各組路徑貢獻(xiàn)的1/3倍頻程

4 結(jié)束語

本文根據(jù)TPA的基礎(chǔ)理論，對(duì)汽車關(guān)門這一過程進(jìn)行建模和試驗(yàn)，通過TPA的方法研究了汽車關(guān)門噪聲的貢獻(xiàn)因素和貢獻(xiàn)量。與傳統(tǒng)的傳遞路徑不同的是，關(guān)門傳遞路徑模型中激勵(lì)源為一環(huán)狀，并不是點(diǎn)激勵(lì)源。因此本文在建模過程進(jìn)行了離散化的處理，將環(huán)狀的激勵(lì)源看作是一定數(shù)目的點(diǎn)激勵(lì)源。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，首先驗(yàn)證了所建立的TPA模型的準(zhǔn)確性。其次，得到了車身、車門和門鎖三個(gè)部件對(duì)關(guān)門聲的整體貢獻(xiàn)量以及它們?cè)诓煌l率下的貢獻(xiàn)量。根據(jù)所得結(jié)果，可以為關(guān)門噪聲的優(yōu)化提供依據(jù)。

另外，本試驗(yàn)也得到了關(guān)門過程中各個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的關(guān)門力，為后續(xù)關(guān)門過程的諧響應(yīng)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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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?yàn)槠囋囼?yàn)。