某車型路噪低頻轟鳴聲控制技術(shù)研究

陳德欣 孫宇軒 顏伏伍 雷超宏 張宇

摘 要：以某車型路噪轟鳴聲為研究對(duì)象，首先通過試驗(yàn)測(cè)試和聲腔模態(tài)分析獲知問題產(chǎn)生的原因?yàn)槁暪恬詈稀Ｈ缓筢槍?duì)問題頻率，提出利用儀表板下方空間加裝大容積低頻諧振腔的噪聲控制方法。最后試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方案使得噪聲峰值下降6dB（A），有效控制了低頻路噪轟鳴聲問題。該技術(shù)可為類似問題的控制與優(yōu)化提供參考思路和方案借鑒，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：路噪，低頻諧振腔，聲腔模態(tài)

Abstract： This paper took the "Boom" road noise as the research object and found out the reason is structure-acoustic coupling through experiment and acoustic modal analysis firstly. Then the method of noise control was proposed with the application of a large low frequency resonator under the dashboard. Finally， the results verified by experiment show that 6dB （A） is reduced at the noise amplitude and the "Boom" at low frequency is controlled efficiently. This method provides approaches and references for similar problem and has a great value in engineering application.

Key words： road noise， boom，Low frequency resonator，Acoustical modal

1. 前言

汽車行駛時(shí)駕乘人員對(duì)車內(nèi)噪聲有著直觀感受，而車內(nèi)噪聲往往直接影響消費(fèi)者的購買意愿和使用滿意度。車輛在中低速行駛過程中，如果存在由路面激勵(lì)引起的類似于敲鼓的“咚、咚、咚”低頻轟鳴聲時(shí)，會(huì)有極不舒服的壓耳感，極易引起人耳不適，甚至頭暈、惡心，必將導(dǎo)致駕乘人員產(chǎn)生抱怨和提起投訴。雖然在前期整車集成過程中有對(duì)NVH性能進(jìn)行嚴(yán)格的控制，但在后期調(diào)教過程中仍然會(huì)遇到一些意料之外的難題，路面引起的低頻轟鳴聲便是其中較為典型的一種，因此它成為汽車NVH性能研究的焦點(diǎn)之一。

路噪低頻轟鳴聲主要是因?yàn)檐囕v在行駛狀態(tài)下，受到來自路面的激勵(lì)，經(jīng)底盤懸架系統(tǒng)傳遞到車身系統(tǒng)，與車身某些鈑金件振動(dòng)頻率和聲腔固有模態(tài)頻率產(chǎn)生強(qiáng)耦合作用，使聲腔體積發(fā)生變化而在車內(nèi)產(chǎn)生較高壓力脈動(dòng)所致。

由于聲腔模態(tài)很難改變，因此在工程應(yīng)用中，解決路噪低頻轟鳴聲問題通常有以下途徑：一是控制振動(dòng)傳遞，衰減傳到車身上激勵(lì)。例如優(yōu)化懸架系統(tǒng)，衰減激勵(lì)力[1];二是加強(qiáng)壁板結(jié)構(gòu)，降低輻射噪聲。例如使用補(bǔ)強(qiáng)膠提高板件剛度[2];三是優(yōu)化結(jié)構(gòu)頻率，避免聲固耦合。例如通過優(yōu)化車身壁板加強(qiáng)筋等措施改變車身結(jié)構(gòu)模態(tài)[3]-[4]。然而在整車開發(fā)的后期，如若對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更和重新設(shè)計(jì)，將導(dǎo)致成本增加和大量資源浪費(fèi)。基于這一情況，本文針對(duì)某車型路噪低頻轟鳴聲問題，提出利用儀表板下方的空間加裝大容積的低頻諧振腔的噪聲控制方案，為解決該問題提供了一種新的思路和途徑。

2. 車內(nèi)路噪低頻轟鳴聲原因分析

2.1狀態(tài)呈現(xiàn)

某車型以50km/h的速度勻速行駛在粗糙水泥面上時(shí)，駕乘人員明顯感受到 “咚、咚、咚”類似敲鼓的低頻轟鳴聲，嚴(yán)重影響乘坐舒適性。車輛在此行駛工況下，激勵(lì)力主要來自發(fā)動(dòng)機(jī)和凹凸不平的路面，于是在駕駛員右耳旁布置麥克風(fēng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和懸架控制臂布置振動(dòng)傳感器，測(cè)試該工況下的噪聲和振動(dòng)。

測(cè)試數(shù)據(jù)（見圖1）表明，該工況下駕駛員耳旁噪聲總值69dB（A），雖不算很高，但在41Hz處存在一個(gè)59.5dB（A）低頻噪聲峰值，能量遠(yuǎn)高于其它頻帶上的噪聲，為主要貢獻(xiàn)量。與主觀感受到的低頻轟鳴聲相吻合，由此可知，該低頻轟鳴聲對(duì)應(yīng)主要貢獻(xiàn)中心頻率約為41Hz。

2.2 問題診斷分析

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和懸架控制臂的振動(dòng)對(duì)噪聲的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，以確定激勵(lì)源。振動(dòng)、噪聲頻譜圖（圖2）表明，控制臂振動(dòng)能量基本完全集中在41Hz處，形成很大的振動(dòng)能量峰，與問題噪聲特性一致，而懸置振動(dòng)頻譜無這一特性。由此可知，主觀感受到的低頻轟鳴聲是由來自路面激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)噪聲。

結(jié)構(gòu)路噪引起的主要原因是路面的激勵(lì)經(jīng)過懸架傳遞到車身輻射到乘客耳旁的噪聲，如果與聲腔模態(tài)耦合，噪聲會(huì)進(jìn)一步被放大，從而引起不舒服的壓耳感，使人感到頭暈、惡心。

進(jìn)一步對(duì)聲腔模態(tài)進(jìn)行分析，車室聲腔為白車身、車窗玻璃、開閉件等共同構(gòu)成的封閉空間。通過有限元仿真計(jì)算，得到聲腔模態(tài)頻率及振型見表1。

由表1可知，第一階聲腔模態(tài)頻率的計(jì)算結(jié)果為43Hz，與路面激勵(lì)頻率41Hz、問題噪聲主要貢獻(xiàn)頻率極為接近，判斷有發(fā)生聲固耦合，從而放大輻射噪聲。下一步工作則是針對(duì)問題頻率在儀表板內(nèi)設(shè)計(jì)諧振腔。

3. 車內(nèi)路噪低頻敲鼓噪聲優(yōu)化控制

3.1 諧振腔設(shè)計(jì)思路

諧振器是基于Helmholtz諧振原理設(shè)計(jì)的，圖3為諧振器原理圖。諧振器是由3個(gè)容積不同的諧振腔組成，分別用來降低不同頻率的噪聲。其中V、S、L分別表示諧振腔的容積、喉口截面積、喉口長度。當(dāng)聲波傳到諧振器時(shí)，喉口處的氣體在聲波的壓力下，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于喉口中的氣體具有一定的質(zhì)量，它會(huì)抗拒由于聲波作用引起的速度變化;頸壁的摩擦和阻尼作用而將部分聲能變?yōu)闊崮芟牡?，充滿氣體的空腔V具有阻礙小孔的壓力變化的性能。當(dāng)外來聲波的頻率與諧振器的固有頻率相同時(shí)，就發(fā)生共振，共振時(shí)喉口處的小氣柱振幅最大，運(yùn)動(dòng)速度也最大，摩擦阻尼吸收的聲能也最多[5]-[6]。

諧振腔公式：

式中，f=諧振頻率，C=聲速，s=喉口截面積，d=喉口直徑，L=喉口長度，t =0.8d

3.2 仿真模型驗(yàn)證

通過數(shù)模檢查，儀表盤板在內(nèi)部大約有6L左右的異形空間可以利用?；陧?xiàng)目組提供的空間尺寸設(shè)計(jì)諧振腔，通過仿真手段驗(yàn)證方案的可行性。

由表2可知，在43Hz附近的第一階聲腔模態(tài)響應(yīng)幅值大幅下降，方案具備可行性。

3.2試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

制作諧振腔手工樣件，并測(cè)試手工樣件的共振頻率以確保制作準(zhǔn)確。手工樣件如圖4，其共振頻率43.7Hz，如圖5。

3.3 效果驗(yàn)證

諧振腔安裝后，開展整車粗糙水泥路面50Km/h勻速噪聲試驗(yàn)測(cè)試，獲取駕駛員耳旁噪聲測(cè)試結(jié)果見圖6。由圖6可知，采取整改措施后，41Hz處的低頻噪聲峰值降低6dB（A）。主觀駕評(píng)結(jié)果表明，該況下已無“咚、咚、咚”的低頻轟鳴聲。

4. 結(jié)論

（1）引起低頻結(jié)構(gòu)路噪的主要原因是路面的激勵(lì)經(jīng)過懸架傳遞到車身輻射到乘客耳旁的噪聲，如果與聲腔模態(tài)耦合，噪聲會(huì)進(jìn)一步被放大，引起轟鳴聲。

（2） 提出利用儀表板下方空間加裝大容積低頻諧振腔的噪聲控制技術(shù)來解決聲固耦合的路噪問題，有效控制了某車型路噪低頻轟鳴聲。

（3） 本文的研究工作為NVH性能優(yōu)化提供了思路參考和方案借鑒。

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