某客車(chē)低頻噪聲測(cè)試與改進(jìn)

湯海洋， 劉 永

(華菱星馬汽車(chē)(集團(tuán))股份有限公司， 安徽 馬鞍山 243000)

車(chē)輛在行駛過(guò)程中常因車(chē)速和路面的變化，使得發(fā)動(dòng)機(jī)和進(jìn)排氣系統(tǒng)等各種聲源對(duì)車(chē)內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)。噪聲在車(chē)內(nèi)傳播，會(huì)使駕駛員和乘客疲勞，同時(shí)造成心理的不適，嚴(yán)重影響汽車(chē)的舒適性[1]。

某客車(chē)在怠速及行駛過(guò)程中，車(chē)內(nèi)噪聲偏大。針對(duì)該問(wèn)題，本文首先通過(guò)各工況試驗(yàn)[2]獲得整車(chē)各關(guān)鍵部位的噪聲聲壓；然后對(duì)低頻噪聲(一般將200～400 Hz劃分為中低頻，400～800 Hz為中高頻，800 Hz以上為高頻)在總體噪聲中的比重,尤其是對(duì)重點(diǎn)發(fā)聲和車(chē)內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)的低頻噪聲特征進(jìn)行分析，再借助力錘并采用最小二乘指數(shù)法(LSCE)[3]與最小二乘復(fù)頻域法(PolyMAX)[4]對(duì)白車(chē)身進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 噪聲過(guò)大原因分析

某客車(chē)長(zhǎng)7 190 mm，寬2 200 mm，高2 770 mm。配備ISF3.8s5168發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率為125 kW，6擋手動(dòng)變速器，輪胎規(guī)格235/75R17.5，最高設(shè)計(jì)車(chē)速130 km/h。

1.1 道路噪聲試驗(yàn)方法

道路噪聲試驗(yàn)覆蓋了車(chē)輛的各種狀態(tài)，系統(tǒng)性地得到車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)時(shí)各關(guān)鍵部位噪聲聲壓級(jí)數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際道路、限速和使用條件，共包括怠速、GB 1495—2002加速、各擋位自由加速、勻速、連續(xù)自由升擋加速5種工況。由于整車(chē)發(fā)聲與接受聲音部位(場(chǎng)點(diǎn))眾多，綜合重要的場(chǎng)點(diǎn)，將噪聲測(cè)點(diǎn)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)各方向、進(jìn)排氣、變速器、車(chē)內(nèi)駕駛員和第3、5、7排座位處。

整車(chē)道路試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集設(shè)備為美國(guó)NI公司24位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制器為PXI-8196，機(jī)箱為PXI-1042Q，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡為NI-PXI4472共40通道。試驗(yàn)用傳聲器為北京聲望公司聲級(jí)計(jì)MPA401。進(jìn)氣口測(cè)點(diǎn)的傳聲器布置在與進(jìn)氣口成45°角且距離中心50 cm處；發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸處安裝光電傳感器以提取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。按照GB 16170—1996[5]的要求，測(cè)量聲壓時(shí)域信號(hào)。

1.2 怠速時(shí)車(chē)內(nèi)噪聲分析

在怠速 (750 r/min) 情況下，對(duì)噪聲能量分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)怠速時(shí)車(chē)輛噪聲源會(huì)出現(xiàn)明顯的階次現(xiàn)象，車(chē)內(nèi)噪聲特征主要集中于發(fā)動(dòng)機(jī)2階(25 Hz)、4階、6階、8階，以及125 Hz、250 Hz、400～520 Hz、1 250 Hz。由于發(fā)動(dòng)機(jī)為4缸4沖程，則對(duì)噪聲影響最大的是第2階。

通過(guò)測(cè)試獲得車(chē)內(nèi)測(cè)點(diǎn)部位的A計(jì)權(quán)1/3倍頻程數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在中低頻區(qū)域250 Hz左右有明顯峰值，說(shuō)明該頻段車(chē)內(nèi)噪聲與聲源有相關(guān)性。駕駛員右耳噪聲如圖1所示。

圖1 怠速時(shí)駕駛員右耳A計(jì)權(quán)1/3倍頻程聲壓級(jí)

1.3 行駛時(shí)車(chē)內(nèi)噪聲分析

各工況噪聲特征隨著轉(zhuǎn)速和車(chē)速的變化有很大的相關(guān)性和相似性。以低擋低速(4擋車(chē)速50 km/h)為例，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min左右(其2階頻率為60 Hz)，車(chē)內(nèi)噪聲特征主要集中于發(fā)動(dòng)機(jī)2階、4階和250 Hz(與怠速第8階激勵(lì)頻率一致)、400～550 Hz(駕駛員處)，其中第3排(如圖2所示)和5排的噪聲有明顯的突起。即在勻速行駛中噪聲能量主要集中在低頻段，高頻特別是1 000～1 250 Hz以上呈現(xiàn)斷崖式下降，可不作為分析研究的重點(diǎn)。

圖2 低速時(shí)第三排右耳A計(jì)權(quán)1/3倍頻程聲壓級(jí)

1.4 噪聲傳遞函數(shù)

噪聲傳遞函數(shù)是分頻段分析噪聲傳播過(guò)程中的衰減幅度。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)(上下左右4個(gè)方向)、進(jìn)氣口、傳動(dòng)軸、主減速器等部位的噪聲傳遞函數(shù)的分析可知,總體噪聲傳遞函數(shù)達(dá)到技術(shù)要求。圖3所示，激勵(lì)源在發(fā)動(dòng)機(jī)上，輸出端在駕駛員右耳時(shí)，傳遞函數(shù)在30～50 Hz和180～250 Hz的范圍內(nèi)有峰值，而在250 Hz 處普遍較大，是改進(jìn)的重點(diǎn)。

從傳遞函數(shù)而言，低頻部分較為突出，高頻部分衰減較大。

(a) 低頻(30～300 Hz)

(b) 高頻(300～7 000 Hz)

2 白車(chē)身模態(tài)試驗(yàn)分析

通過(guò)以上綜合分析可知， 怠速和某些行駛工況下的激勵(lì)處于250 Hz左右時(shí)，車(chē)內(nèi)乘員耳旁普遍存在明顯相對(duì)應(yīng)的峰值。在400 Hz以下，250 Hz附近噪聲傳遞函數(shù)偏大，當(dāng)外界激勵(lì)到了上述頻段附近就會(huì)引起結(jié)構(gòu)聲，車(chē)內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)噪聲有進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化的空間[6-7]，所以應(yīng)該重點(diǎn)從車(chē)身結(jié)構(gòu)上去分析和解決該問(wèn)題。為了確認(rèn)問(wèn)題之所在，對(duì)白車(chē)身進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)[8]。

2.1 測(cè)試流程

1) 試驗(yàn)準(zhǔn)備。以寬彈性軟繩在白車(chē)身底部4個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行吊裝，保證白車(chē)身處于平衡靜止?fàn)顟B(tài)，然后采用多次單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)拾振的方法進(jìn)行試驗(yàn)(一次僅敲擊1個(gè)點(diǎn)，3個(gè)激勵(lì)點(diǎn)輪流激勵(lì)。每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)獲得多組數(shù)據(jù)，3次激勵(lì)得到3輸入600輸出的矩陣數(shù)據(jù)用于模態(tài)參數(shù)識(shí)別)。這種吊裝方法避開(kāi)了主要模態(tài)的反節(jié)點(diǎn)(振動(dòng)最大的點(diǎn))。同時(shí)彈性軟繩的一階模態(tài)頻率(1.579 Hz)遠(yuǎn)小于白車(chē)身一階模態(tài)頻率(一般為30%以下)。測(cè)試用系統(tǒng)為L(zhǎng)MS-Test.lab系統(tǒng)，將所有獲得的矩陣數(shù)據(jù)分別采用LSCE時(shí)域分析法和PolyMAX頻域分析法對(duì)全局多自由度模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，并用MAC模態(tài)參數(shù)對(duì)這2種方法的結(jié)果進(jìn)行比較。這2種方法是LMS分析系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，如果兩者結(jié)果一致且符合MAC值，則說(shuō)明結(jié)果是正確的。

2) 傳感器布置。模擬車(chē)身的實(shí)際尺寸，建立振型顯示幾何模型圖，共計(jì)364個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)加速度傳感器的靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)，參照振型幾何圖，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)用筆進(jìn)行標(biāo)記，按組布置加速度傳感器，每組測(cè)試7個(gè)點(diǎn)，共測(cè)試52組。為保證測(cè)試精度，采用多輸入多輸出測(cè)試；激勵(lì)點(diǎn)要避開(kāi)模態(tài)節(jié)點(diǎn)和支撐點(diǎn)，選擇結(jié)構(gòu)上剛性較大的點(diǎn)，還要能激起整車(chē)的振型。因此選擇3個(gè)激勵(lì)點(diǎn)(箭頭處)，分別在底盤(pán)骨架右前輪胎附近、底盤(pán)骨架右后輪胎附近以及頂棚骨架左后部，如圖4所示。

圖4 原型車(chē)振型幾何圖及激勵(lì)點(diǎn)

3) 數(shù)據(jù)采集。設(shè)定采樣頻率為512 Hz，力錘激勵(lì)時(shí)加力指數(shù)窗，采樣時(shí)間為4 s，取3次的平均值。

2.2 模態(tài)分析

通過(guò)采集得到所有測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，計(jì)算每個(gè)輸出對(duì)應(yīng)輸入的頻率響應(yīng)函數(shù)(FRF)并求和。為提高分析精度，設(shè)定每次計(jì)算的頻域范圍為50 Hz。在確定計(jì)算階數(shù)后，采用穩(wěn)態(tài)圖的方法確定具體系統(tǒng)模態(tài)階次。根據(jù)所得信號(hào)計(jì)算得到分頻段的頻率響應(yīng)函數(shù)的和，包括230～280 Hz關(guān)鍵頻段。根據(jù)穩(wěn)態(tài)圖定義，采用PloyMAX方法得到穩(wěn)態(tài)圖如圖5所示，曲線(xiàn)在250 Hz處有較大峰值，因此可以選擇250 Hz為某一階模態(tài)。LSCE法的穩(wěn)態(tài)圖也在250 Hz附近有峰值。

圖5 力錘PolyMAX方法下230～280 Hz穩(wěn)態(tài)圖

采用力錘(Hammer)激勵(lì)的LSCE法和PolyMAX法可以分別得到系統(tǒng)模態(tài)階次。采用最小二乘頻域分解方法(LSFD)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，得到具體模態(tài)參數(shù)和每一階模態(tài)振型動(dòng)畫(huà)。2種方法獲得的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 LSCE法和PolyMAX法的模型參數(shù)對(duì)比

從表1可以看出，2種方法所獲得的模態(tài)頻率基本一致。

以PolyMAX法為例，獲得的部分模態(tài)參數(shù)和振型如下：

1) 1階頻率14.477 Hz，阻尼比為0.37%，振型為頂部一階扭轉(zhuǎn)，左右圍沿Y向左右一階扭轉(zhuǎn)。

2) 2階頻率16.953 Hz，阻尼比為0.51%，振型為頂部一階扭轉(zhuǎn)，左右圍沿Y向左右一階扭轉(zhuǎn)。

3) 17階頻率250.02 Hz，阻尼比為0.03%，振型為底板前部，右圍前下部振動(dòng)劇烈。

采用LSCE與PolyMAX方法進(jìn)行模態(tài)分析后，通常采用MAC值比較振型的一致性和驗(yàn)證模態(tài)參數(shù)的有效性。

PolyMAX自身的Auto-MAC對(duì)角線(xiàn)值為100%，其他數(shù)據(jù)大部分小于10%，說(shuō)明相同模態(tài)之間是一致的；PolyMAX與LSCE 2種方法之間的Co-MAC對(duì)角線(xiàn)值絕大部分大于85%，說(shuō)明不同方法得到的結(jié)果基本一致。綜上所述，對(duì)同一物理振型2種方法得到的結(jié)果基本一致。

2.3 分析結(jié)果與改進(jìn)

由上述模態(tài)參數(shù)和振型描述可以發(fā)現(xiàn)白車(chē)身第1階模態(tài)頻率為14.477 Hz，高于怠速1階頻率(12.5 Hz),并避開(kāi)了怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率，基本符合預(yù)計(jì)。第17階的頻率是250.02 Hz，由其振型描述可知，在底板前部、右圍前下部會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，這與在整車(chē)NVH測(cè)試中行駛狀態(tài)下車(chē)內(nèi)噪聲分析的結(jié)論相符，即外界激勵(lì)達(dá)到250 Hz后，會(huì)引起鈑金共振，且振幅較大，會(huì)引起結(jié)構(gòu)聲[9-10]。

為了改善由250 Hz外界激勵(lì)引起的共振狀況，先在發(fā)動(dòng)機(jī)罩后部到第三排座椅之間的位置粘貼約束阻尼材料[11-12]，再對(duì)樣車(chē)進(jìn)行50 km/h的行駛工況下的噪聲測(cè)試，發(fā)現(xiàn)頻譜圖的聲壓曲線(xiàn)在250 Hz左右有所下降，而車(chē)內(nèi)噪聲也得到改善，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 改進(jìn)前后車(chē)內(nèi)第三排測(cè)點(diǎn)聲壓對(duì)比

在個(gè)別頻率處，峰值比起改進(jìn)前有所上升，這是由于阻尼材料的粘貼改變了局部的模態(tài)，導(dǎo)致聲壓頻譜圖在頻域內(nèi)有部分遷移。但總體而言在0～500 Hz頻率范圍內(nèi)，第三排測(cè)點(diǎn)的頻譜圖在大部分頻段下降明顯，在250 Hz處降噪效果顯著。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某高端客車(chē)噪聲問(wèn)題進(jìn)行研究，通過(guò)整車(chē)NVH測(cè)試，進(jìn)行信號(hào)處理與分析，尋找到低頻振動(dòng)的特征，再采用模態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并提出改進(jìn)措施，系統(tǒng)地、有針對(duì)性地提出了一整套噪聲溯源追根、仿真改進(jìn)、試驗(yàn)驗(yàn)證的方法和流程，為改善車(chē)內(nèi)噪聲提供了思路和方法。