基于P/T靈敏度預(yù)測(cè)車內(nèi)轟鳴噪聲

毛 杰，朱 凌，劉顯臣，彭 鴻，郭志偉，黃新華

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

基于P/T靈敏度預(yù)測(cè)車內(nèi)轟鳴噪聲

毛 杰，朱 凌，劉顯臣，彭 鴻，郭志偉，黃新華

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

搭建某車型的整車有限元模型，并對(duì)動(dòng)力總成的當(dāng)量模型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。基于P/T靈敏度方法計(jì)算動(dòng)力總成質(zhì)心扭矩激勵(lì)下的車內(nèi)噪聲，發(fā)現(xiàn)其在3 350 r/min～3 750 r/min范圍內(nèi)超出目標(biāo)線，存在轟鳴風(fēng)險(xiǎn)。為驗(yàn)證該方法的有效性和可靠性，進(jìn)行3檔WOT工況下車內(nèi)噪聲測(cè)試，結(jié)果顯示在上述轉(zhuǎn)速帶內(nèi)存在轟鳴現(xiàn)象，從而證明了P/T靈敏度方法的正確性。

聲學(xué)；P/T靈敏度；轟鳴；動(dòng)力總成當(dāng)量模型

汽車輕量化設(shè)計(jì)是現(xiàn)階段汽車研發(fā)的方向，但與NVH性能是一對(duì)矛盾體，一些關(guān)鍵區(qū)域的鈑金件厚度減薄將惡化車內(nèi)的振聲性能，易引起車內(nèi)轟鳴噪聲。所謂轟鳴，即當(dāng)汽車以某些特定的速度行駛或者發(fā)動(dòng)機(jī)以某些特定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，在車內(nèi)出現(xiàn)明顯聲壓級(jí)峰值，嚴(yán)重影響車內(nèi)聲學(xué)品質(zhì)。

轟鳴屬于低頻噪聲，頻率范圍通常在200 Hz以下，根據(jù)激勵(lì)方式的不同可以分為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轟鳴（20 Hz～35 Hz）、發(fā)動(dòng)機(jī) WOT（Wide-open throttle）轟鳴（200 Hz以下）、傳動(dòng)系統(tǒng)轟鳴（30 Hz～80 Hz）、排氣系統(tǒng)轟鳴（20 Hz～100 Hz）、路噪轟鳴（20 Hz～100 Hz）、車身轟鳴（關(guān)注聲腔模態(tài)頻率附近的鈑金件整體模態(tài)，1階聲腔模態(tài)為50Hz～60Hz、2階為100～110Hz）[1]。在上述問(wèn)題中，發(fā)動(dòng)機(jī)WOT轟鳴由于工況惡劣、激勵(lì)大且頻域?qū)挘钦囬_發(fā)過(guò)程中最易出現(xiàn)且最難解決的NVH問(wèn)題之一。為此，如何在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)車內(nèi)轟鳴的有效預(yù)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)控制，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的問(wèn)題。

在乘用車轟鳴問(wèn)題研究方面，趙靜等基于試驗(yàn)分析了某型轎車車內(nèi)轟鳴的特性、發(fā)動(dòng)機(jī)隔振特性、車內(nèi)各壁板的振動(dòng)特性以及頂棚模態(tài)試驗(yàn)和空腔聲學(xué)模態(tài)，明確該轟鳴由發(fā)動(dòng)機(jī)2階振動(dòng)通過(guò)懸置傳遞到車身并使頂棚和空腔模態(tài)發(fā)生耦合引發(fā)，通過(guò)加強(qiáng)頂棚剛度來(lái)抑制振幅以控制轟鳴[2]。閆碩等研究了某款SUV怠速車內(nèi)低頻轟鳴機(jī)理，采用仿真與試驗(yàn)結(jié)合的手段確定轟鳴產(chǎn)生的根源，并通過(guò)加厚前風(fēng)擋玻璃使轟鳴幅值降低16.6 dB(A)[3]。谷玉川等通過(guò)整車車內(nèi)噪聲測(cè)試并對(duì)副車架進(jìn)行模態(tài)分析，明確2 400 r/min附近轟鳴來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)與前副車架第1階模態(tài)發(fā)生共振，進(jìn)而設(shè)計(jì)動(dòng)力吸振器以抑制前副車架的共振，改善整車NVH特性[4]。

雖然業(yè)內(nèi)研發(fā)人員已對(duì)車內(nèi)轟鳴開展了許多工作，但從上述工作中可以看到，轟鳴問(wèn)題都是在實(shí)車階段暴露出來(lái)，而如何在設(shè)計(jì)開發(fā)階段對(duì)轟鳴風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效預(yù)測(cè)和控制是一個(gè)亟待解決的難題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于缺乏基于樣車以開展激勵(lì)采集，無(wú)法求解整車WOT工況下的車內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)，即無(wú)法預(yù)知WOT轟鳴風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，文中采用P/T聲學(xué)靈敏度和聲學(xué)有限元方法，在動(dòng)力總成質(zhì)心加載繞曲軸軸線的寬頻力矩，基于模態(tài)疊加法提取駕駛員耳旁的聲壓級(jí)，評(píng)估是否存在具有轟鳴風(fēng)險(xiǎn)的轉(zhuǎn)速帶。最后，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證上述轉(zhuǎn)速帶是否實(shí)存在轟鳴問(wèn)題，用來(lái)驗(yàn)證分析方法的有效性和可靠性。

1 分析理論

1.1 聲學(xué)有限元方法

聲學(xué)有限元方法是汽車低頻分析的常規(guī)方法，其總方程為[5]

式中Qi為輸入的聲源向量；Vni為輸入的聲質(zhì)點(diǎn)法向速度向量，即聲質(zhì)點(diǎn)法向速度邊界條件；Pi為輸入的聲壓向量，即聲壓邊界條件；Fai為聲學(xué)激勵(lì)；pi為求解的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)聲壓；Ka+jωCa-ω2Ma為方程矩陣，為稀疏矩陣。

1.2 P/T靈敏度方法

在動(dòng)力總成質(zhì)心施加一個(gè)繞曲軸軸線的寬頻力矩T，通過(guò)動(dòng)力總成將激勵(lì)傳遞到車身和副車架上，進(jìn)而基于一系列傳遞路徑激發(fā)車身產(chǎn)生振動(dòng)，最終通過(guò)車身結(jié)構(gòu)和車內(nèi)聲腔的結(jié)構(gòu)-聲耦合，得到車內(nèi)駕駛員或乘客耳旁的聲學(xué)響應(yīng)P。因此，P/T聲學(xué)靈敏度傳遞函數(shù)H(f)可以表示為[6]

式中SPT(f)為聲壓P與力矩T的互功率譜；STT(f)為力矩T的自功率譜。

2 整車與動(dòng)力總成建模

整車模型包括車身、開閉件、底盤、動(dòng)力總成和內(nèi)外飾等。其中，為了在保證模型精度基礎(chǔ)上提高計(jì)算效率，內(nèi)外飾系統(tǒng)以配重（質(zhì)心坐標(biāo)、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等）的形式體現(xiàn)在模型中，如圖1所示。

為了有效評(píng)估動(dòng)力總成扭矩激勵(lì)下的車內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)，需要對(duì)動(dòng)力總成進(jìn)行準(zhǔn)確建模。一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)力總成可以用以下2種方式分別建模：

(1)動(dòng)力總成有限元模型。該模型可以考慮動(dòng)力總成的彈性變形，同時(shí)也可以更加真實(shí)地模擬出動(dòng)力總成與車身之間的相互作用。然而，這也急劇增加了整車模型的自由度，嚴(yán)重影響計(jì)算效率；

圖1 整車有限元模型

(2)動(dòng)力總成當(dāng)量模型。該模型包括動(dòng)力總成質(zhì)心坐標(biāo)、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，相較于上述有限元模型可以大幅提升計(jì)算速度，但是它無(wú)法考慮動(dòng)力總成彈性模態(tài)與車身之間的耦合關(guān)系。然而，考慮到內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)要求，一般需要保證動(dòng)力總成的整體模態(tài)高于200 Hz，使得動(dòng)力總成模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)主諧次激勵(lì)有效解耦，避免整機(jī)共振。同時(shí)，由于整車低頻轟鳴噪聲重點(diǎn)關(guān)注200 Hz以下的頻段，因此，文中采用動(dòng)力總成當(dāng)量模型來(lái)代替有限元模型，在保證準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上縮短分析周期。

動(dòng)力總成當(dāng)量模型如圖2所示。車型采用1.4 t四缸直列汽油機(jī)和6速手動(dòng)變速器，動(dòng)力總成質(zhì)量約為190 kg，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Ixx、Iyy、Izz）和慣性矩（Ixy、Iyz、Izx）如表1所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量模型

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量模型參數(shù)

動(dòng)力總成的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量定義在其質(zhì)心坐標(biāo)下，接著通過(guò)3條路徑傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒激勵(lì)和慣性激勵(lì)：

(1)動(dòng)力總成與懸置系統(tǒng)的連接。該連接將發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)通過(guò)懸置傳遞到車身上，是引起車內(nèi)振聲響應(yīng)的主要路徑。在建模時(shí)，需要考慮懸置的襯套動(dòng)剛度，一般與靜剛度之間存在1.4倍的關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)取各個(gè)懸置X、Y和Z向動(dòng)剛度，分別用參數(shù)K1、K2和K3表示，如表2所示。

表2 懸置動(dòng)剛度參數(shù)

(2)動(dòng)力總成與傳動(dòng)系統(tǒng)的連接。該連接是發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩從曲軸輸出、經(jīng)過(guò)變速系統(tǒng)到驅(qū)動(dòng)軸的路徑，建模如圖3所示。

機(jī)體與曲軸之間的主軸承用零長(zhǎng)度的彈性單元模擬，并設(shè)繞曲軸方向的剛度值為10 N/mm，其他方向的剛度非常大，以此仿真曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。飛輪慣量定義在曲軸當(dāng)量模型的另外一端，并通過(guò)多點(diǎn)約束（Multiple point constraint，MPC）單元模擬傳動(dòng)比。由于轟鳴問(wèn)題一般通過(guò)3檔WOT工況評(píng)估，在MPC單元上定義3檔和主減速器的傳動(dòng)比，其值分別為1.276和4.588。

圖3 動(dòng)力總成與傳動(dòng)系統(tǒng)的連接建模

(3)動(dòng)力總成與排氣系統(tǒng)的連接。該連接通過(guò)螺栓將前置催化器和排氣管固定，兩者之間有密封墊的作用。為了簡(jiǎn)便起見，可以將兩者進(jìn)行剛性連接。

動(dòng)力總成的建模直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的傳遞路徑，因此建模過(guò)程需要引起研發(fā)人員的重視。

3 靈敏度仿真與驗(yàn)證

建模完成后，一般通過(guò)模態(tài)分析確認(rèn)系統(tǒng)之間是否有連接上的問(wèn)題，并通過(guò)車身和底盤模態(tài)分析，初步評(píng)估模態(tài)頻率是否在合理的范圍內(nèi)。確認(rèn)整車有限元模型無(wú)誤后，可以開展動(dòng)力總成質(zhì)心靈敏度的仿真計(jì)算。選取發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心點(diǎn)為激勵(lì)點(diǎn)、方向?yàn)槔@曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)（與曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反）的1 000 N?mm扭矩，加載頻率范圍根據(jù)實(shí)際情況而定。以本車型為例，1.4 t四缸機(jī)主諧次為2階，考慮的WOT工況下轉(zhuǎn)速為1 000 r/min～5 000 r/min，對(duì)應(yīng)的2階頻段為33.3 Hz～166.7 Hz，則將此頻段作為加載掃頻范圍即可。

經(jīng)計(jì)算后，得到本車型動(dòng)力總成質(zhì)心聲學(xué)靈敏度結(jié)果，如圖4所示。

圖4 駕駛員左耳動(dòng)力總成質(zhì)心聲學(xué)靈敏度仿真結(jié)果

圖中實(shí)線為駕駛員左耳2階聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速變化的曲線圖，虛線為P/T靈敏度目標(biāo)線（發(fā)動(dòng)機(jī)固定扭矩激勵(lì)下的車內(nèi)聲壓級(jí)）。從圖中可以看到，車內(nèi)聲壓級(jí)總體上在目標(biāo)線以下，但是在3 350 r/min～3 750 r/min范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的超標(biāo)現(xiàn)象，該現(xiàn)象很可能引發(fā)轟鳴問(wèn)題。

為了評(píng)估基于P/T靈敏度預(yù)測(cè)車內(nèi)轟鳴噪聲的有效性和可靠性，開展WOT工況下的車內(nèi)噪聲采集試驗(yàn)。試驗(yàn)在整車消聲室的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，這樣可以排除風(fēng)噪的影響，同時(shí)路噪的貢獻(xiàn)也會(huì)小很多。在3檔WOT工況下，開展了轉(zhuǎn)速為1 300 r/min～4 500 r/min的駕駛員左耳聲壓級(jí)測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 WOT工況下車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，車內(nèi)WOT工況下噪聲總體上隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提升而增大，在3 000 r/min以下，車內(nèi)噪聲的增幅相對(duì)較為緩慢，但在3 350 r/min以上，車內(nèi)噪聲出現(xiàn)陡峭上升，最高到達(dá)3 750 r/min。與此同時(shí)，通過(guò)主觀評(píng)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在3 350 r/min～3 750 r/min范圍內(nèi)，駕駛員耳旁出現(xiàn)明顯的轟鳴，對(duì)于人耳的壓迫感非常強(qiáng)，嚴(yán)重影響聲學(xué)品質(zhì)。此外，該轉(zhuǎn)速范圍與動(dòng)力總成質(zhì)心靈敏度仿真的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)速帶非常吻合，從而證明靈敏度分析對(duì)于車內(nèi)轟鳴預(yù)測(cè)的有效性和可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

搭建某轎車整車有限元模型，評(píng)價(jià)動(dòng)力總成質(zhì)心聲學(xué)靈敏度與車內(nèi)轟鳴之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用于在設(shè)計(jì)階段有效預(yù)測(cè)車內(nèi)轟鳴問(wèn)題出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，在3 350 r/min～3 750 r/min轉(zhuǎn)速帶內(nèi)，質(zhì)心靈敏度仿真中出現(xiàn)明顯的峰值，同時(shí)在車內(nèi)噪聲測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)了轟鳴問(wèn)題，從而驗(yàn)證了文中基于P/T靈敏度預(yù)測(cè)車內(nèi)轟鳴風(fēng)險(xiǎn)的有效性和可靠性。

[1]王海濤，劉鵬，李平，等.關(guān)于某SUV車內(nèi)轟鳴聲的分析與研究[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2012，2(6)：464-467.

[2]趙靜，周鋐，梁映珍.轎車乘坐室轟鳴聲的分析與控制研究[J].設(shè)計(jì)計(jì)算研究，2009，10：16-20.

[3]閆碩，趙云，康菲.某款SUV車內(nèi)轟鳴聲問(wèn)題研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015，53(11)：61-63+76.

[4]谷玉川，樊帆，龍書成.應(yīng)用動(dòng)力吸振器降低車內(nèi)轟鳴噪聲[J].噪聲與振動(dòng)控制，2014，34(2)：181-184.

[5]THOMPSON L L.A review of finite-element methods for time-harmonic acoustics[J].Journal of the Acoustical Society ofAmerica,2006,119(3):1315-1330.

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Interior Booming Noise Prediction via P/T Sensitivity

MAOJie,ZHULing,LIU Xian-chen,PENG Hong,GUO Zhi-wei,HUANG Xin-hua
(GeelyAotumotive Research Institute(Ningbo)Co.Ltd.,Ningbo 312336,Zhejiang China)

A full-vehicle finite element model is built and the powertrain equivalent model of the vehicle is described in detail.Interior noise excited by the unit torque at the powertrain centroid is calculated using P/T(Pressure/Torque)sensitivity method.It is found that the predicted noise between 3 350 r/min and 3 750 r/min is above the target limit,which means that the booming risk exists.To validate the P/T method,an interior noise test at the 3rd gear under WOT condition is conducted.The measured results indicate that the booming problem exists in the same speed range as mentioned above,which verifies the accuracy of the P/T sensitivity method.

acoustics;P/T sensitivity;booming;powertrain equivalent model

U461.4

：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.045

1006-1355(2017)04-0223-04

2017-02-06

毛杰（1987－），男，浙江省余姚市人，博士，主要研究方向?yàn)槠嚰鞍l(fā)動(dòng)機(jī)NVH仿真開發(fā)。

E-mail:maojie1987@zju.edu.cn