基于NTF仿真的汽車噪聲源識別

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.針對某款汽車，分析其道路試驗得到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1左右時車內(nèi)后排存在轟鳴聲.針對該問題采用計算機輔助工程（CAE）方法進行了分析，通過在傳動系統(tǒng)與車身連接點施加單位激勵，運用Hyperworks軟件中的Optistruct求解器求解后排右耳響應，并通過試驗驗證了仿真結(jié)果.仿真和試驗結(jié)果均表明：在54 Hz左右，發(fā)動機二階激勵激起傳動軸和后橋彎曲模態(tài)，產(chǎn)生共振，并通過車身連接點傳到車身，從而激起空腔模態(tài)，導致后排產(chǎn)生轟鳴聲.

關(guān)鍵詞：

傳動系統(tǒng)； 噪聲源； 傳遞噪聲函數(shù)； 試驗

中圖分類號： U 467.4文獻標志碼： 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，其中振動和噪聲是評價汽車舒適性的主要指標.影響汽車車內(nèi)振動和噪聲的直接因素是包圍空腔的所有板件的振動和聲學特性[1].來自噪聲源的激勵通過底盤與車身連接點傳遞到車身引發(fā)車身振動，車身振動作用于內(nèi)部空氣，使內(nèi)部升壓，產(chǎn)生車內(nèi)噪聲；同時，車外聲音通過車身縫隙和孔進入車內(nèi)也會產(chǎn)生車內(nèi)噪聲.影響整車車內(nèi)噪聲、振動和不舒適性的噪聲源主要有動力總成和傳動系統(tǒng)振動、排氣系統(tǒng)振動、風激勵、進氣聲以及胎噪，其中風激勵和胎噪是汽車高速行駛下的激勵源.加速和怠速是評價車內(nèi)振動和噪聲的主要工況.

噪聲傳遞函數(shù)（NTF）定義為輸入激勵與輸出噪聲之間的函數(shù)關(guān)系，可用于評價結(jié)構(gòu)對激勵的聲學靈敏度特性[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用價值：對整車噪聲、振動、聲振粗糙度（NVH）開發(fā)進行設(shè)定和分解；通過試驗測試各部件的噪聲傳遞貢獻量；在特定頻率下，對各個面板貢獻量進行分析.隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助工程（CAE）方法被運用到整車NTF分析中，CAE方法相對于試驗方法，不僅快捷，效率高，而且可節(jié)約大量成本，為試驗設(shè)計、分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供幫助.

本文主要針對某款多用途汽車（MPV）在試驗測試中車內(nèi)后排存在明顯的轟鳴聲的現(xiàn)象進行傳遞路徑分析，運用Hyperworks軟件中的Optistruct求解器進行NTF分析，并與試驗結(jié)果進行對比，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

某試驗車輛為前置后驅(qū)、6個手動前進擋，發(fā)動機為直列四缸，承載式車身，傳動系統(tǒng)主要由傳動軸、中間支撐、驅(qū)動橋、半軸組成.道路測試條件為：風速小于8 km·h-1，背景噪聲比被測噪聲至少低10 dB，道路為柏油馬路.試驗中主觀感受為當轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1左右時，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)右耳各布置一個傳聲器.測試工況分別為3檔和4檔全油門（WOT），測試軟件為LMS 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，一般噪聲信號頻率不超過5 000 Hz，振動信號頻率不超過600 Hz.根據(jù)式（5），測試過程中噪聲采樣頻率取12 800 Hz，分辨率取0.781 25 Hz；振動采樣頻率取1 600 Hz，分辨率取1 Hz.數(shù)據(jù)采集設(shè)備型號為LMS SCADAS Lab 40.車內(nèi)噪聲SPL測試結(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SPL存在明顯峰值，且該峰值對應的轉(zhuǎn)速與主觀感受到噪聲時對應的轉(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)動機二階激勵相關(guān).在轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1下對應的發(fā)動機二階激勵頻率為54 Hz.對車內(nèi)后排噪聲信號和傳動系統(tǒng)振動信號進行相關(guān)性分析，初步判斷傳動軸和后橋可能被發(fā)動機二階點火頻率激起模態(tài)產(chǎn)生共振，所以選擇車身與傳動軸、后橋等連接點為單位激勵加載點，響應點為車內(nèi)后排耳旁.通過單位頻率響應法得到車內(nèi)后排耳旁SPL隨f的變化.采用CAE方法分析時，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)，焊點采用CWELD單元，材料采用SPHC和SPCC.為了平衡建模質(zhì)量和計算速度，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，空腔有限元模型應為車身板件和座椅之間的空間模型，同時包括發(fā)動機艙和后翼子板腔體.空腔有限元模型如圖3所示.

3.2右耳激勵點仿真結(jié)果

在激勵點施加單位激勵，得到的頻率為55～65 Hz，后排右耳聲壓級峰值的對應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峰值的對應頻率基本一致.圖4為激勵點仿真結(jié)果.為驗證仿真結(jié)果的正確性，對后橋和傳動軸工作變形進行分析.傳動軸中間支撐和后橋布置振動加速度傳感器，采集相關(guān)振動信號.采集軟件為LMS Test Lab 12 A.

4試驗結(jié)果分析與驗證

分析后橋測點振動幅值隨轉(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n=1 600 r·min-1左右即對應二階頻率為54 Hz左右時振動幅值存在峰值.在轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1時進行轉(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，圖中縱坐標為振動加速度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峰值.

分析中間支撐測點振動幅值隨轉(zhuǎn)速和頻率的變化，如圖7所示.在1 600 r·min-1即對應二階頻

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

近，所以可得出，傳動軸和后橋由于發(fā)動機二階點火頻率激起其模態(tài)產(chǎn)生共振，通過中間支撐和后橋與車身連接點傳遞到車內(nèi)，引起車身振動，激起空腔模態(tài)，導致后排產(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的流固聲學耦合和傳遞路徑

基本原理.運用Hyperworks軟件中的Optistruct求解器，在傳動軸和后橋激勵點施加單位激勵，對車內(nèi)后排右耳響應進行了分析，并結(jié)合試驗對仿真結(jié)

果進行驗證.結(jié)果表明，由于點火頻率激起傳動系

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

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

參考文獻：

[1]靳曉雄，白勝勇，丁玉蘭，等.車身板件振動聲學貢獻量的計算機模擬[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用[J].汽車技術(shù)，2009（12）：40-43.

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

[4]李德葆，陸秋海.工程振動試驗分析[M].北京：清華大學出版社，2004.