基于OPAX方法的車內(nèi)噪聲傳遞路徑分析

陳 克，杜 充

(沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159)

汽車內(nèi)部的噪聲和振動現(xiàn)象，往往是由多個激勵經(jīng)由不同的傳遞路徑抵達(dá)目標(biāo)位置后疊加而成的[1]。對乘車舒適性要求的提高，使得駕乘人員對車內(nèi)的聲音環(huán)境有了越來越高的要求[2]。在當(dāng)今汽車行業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)過程中，為進(jìn)一步優(yōu)化整車NVH性能，要綜合考慮各個激勵和傳遞路徑的情況，傳遞路徑分析是一種有效優(yōu)化整車NVH性能的方法。在進(jìn)行傳遞路徑分析方面，Plunt Juha提出了修正傳遞路徑分析模型，使其擴(kuò)展應(yīng)用到可能存在模態(tài)重疊的中高頻問題上[3]。De Klerk D.等在經(jīng)典TPA的基礎(chǔ)上對傳遞路徑分析進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了工況傳遞路徑分析(Operational transfer path analysis，OPA)，并認(rèn)為其本質(zhì)是采用串?dāng)_抵消(Cross talk cancelation，CTC)和奇異值分解(singular value decomposition，SVD)技術(shù)的一種信號處理方法，縮短了建立傳遞路徑模型所需要的時間[4]。雖然OPA的時間成本低，但易出現(xiàn)丟失路徑或錯判路徑貢獻(xiàn)量的現(xiàn)象。Janssens Karl等針對這一問題提出了一種新的傳遞路徑分析方法，稱為OPAX方法，很好地解決了OPA方法易出現(xiàn)的問題，同時計算精度與經(jīng)典TPA相當(dāng)[5]?？捣频葢?yīng)用傳遞路徑分析解決了某車車內(nèi)噪聲異常問題并提出了相應(yīng)的改進(jìn)辦法[6]。周鈜等以某中型客車為研究對象，利用OPAX方法對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)傳遞路徑分析，并將分析結(jié)果與經(jīng)典TPA分析結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了OPAX方法的準(zhǔn)確性[7]。張秋華等基于LMS.OPAX方法對懸置傳遞路徑進(jìn)行分析，采用互易法利用低頻體積聲源獲取傳遞函數(shù)，改善了車內(nèi)轟鳴聲的問題[8]。

本文通過對某SUV乘用車進(jìn)行工況數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)頻響函數(shù)獲取，應(yīng)用LMS Test.Lab基于OPAX方法對車內(nèi)噪聲進(jìn)行傳遞路徑分析，找出車內(nèi)噪聲的主要貢獻(xiàn)路徑，并將分析結(jié)果與偏相干分析結(jié)果進(jìn)行對比，證明了本次試驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性及獲得數(shù)據(jù)的可靠性。

1 OPAX方法基本工作原理

OPAX方法是在傳遞路徑分析的基礎(chǔ)上，建立便攜的激勵源-路徑-響應(yīng)點(diǎn)模型，工況數(shù)據(jù)為主頻響函數(shù)獲取為輔，建立參數(shù)化載荷識別模型，進(jìn)而得到各條路徑對目標(biāo)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量。

假設(shè)系統(tǒng)是線性時不變的，以工作載荷激勵時，各激勵沿不同路徑傳播到車內(nèi)能量的疊加即為車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的聲壓或振動水平[9]，圖1所示為傳遞路徑分析示意圖，圖中Fi表示第i條路徑上的工作載荷。

本文主要進(jìn)行動力總成振動影響車內(nèi)噪聲的傳遞路徑分析，對空氣傳遞路徑不進(jìn)行詳細(xì)闡述。在整車系統(tǒng)中，動力總成作為激勵源為主動側(cè)，車身結(jié)構(gòu)為被動側(cè)，其間的耦合元件為懸置，起到支撐及隔振的作用。對于目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)，被動側(cè)每個懸置的每一個自由度到響應(yīng)點(diǎn)都形成一條獨(dú)立的傳遞路徑。通常只考慮x、y、z三個方向的平動自由度而忽略旋轉(zhuǎn)自由度[10]。如果已知某一條路徑上的系統(tǒng)頻響函數(shù)和工作載荷，那該路徑對響應(yīng)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量yik(ω)為

yki(ω)=Hki(ω)Fi(ω)

(1)

式中：k為響應(yīng)點(diǎn)的表示符號；Hki(ω)表示第i條路徑上的系統(tǒng)頻響函數(shù)；Fi(ω)表示第i條路徑上的工作載荷。

如果有n條路徑，則目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)可認(rèn)為是各條路徑貢獻(xiàn)量的線性疊加，表示為

(2)

式中yk(ω)表示目標(biāo)點(diǎn)k的響應(yīng)。

若要建立傳遞路徑分析模型，首先應(yīng)識別工作載荷，OPAX方法的核心是對工作載荷進(jìn)行參數(shù)化識別，這有別于其他TPA方法。為適應(yīng)不同的懸置特性，對應(yīng)有單自由度懸置模型和多頻帶懸置模型兩種參數(shù)化模型，前者僅適用于結(jié)構(gòu)載荷，后者既適用于結(jié)構(gòu)載荷也適用于聲學(xué)載荷；當(dāng)對每個頻點(diǎn)逐點(diǎn)求解時，則退化為逆矩陣法[11]。本文采用單自由度懸置模型進(jìn)行載荷識別，結(jié)構(gòu)載荷可表示為

(3)

式中：Ki(ω)表示懸置動剛度，Ki(ω)=-miω2+jciω+ki，其中mi、ci、ki分別表示彈性元件的動質(zhì)量、阻尼及靜剛度；aai(ω)、api(ω)分別表示懸置主、被動側(cè)的加速度；ω表示角速度。在OPAX方法中，mi、ci、ki這三個參數(shù)需要進(jìn)行識別。

將式(3)代入式(2)中可得

(4)

對于所有的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和階次切片數(shù)據(jù)來說，式(4)可以寫成矩陣形式。

[Ak][X]=[Bk]〗

(5)

式中：

由式(5)可以得到估計值Ki(ω)=-miω2+jciω+ki，進(jìn)而求得結(jié)構(gòu)載荷。每條路徑上的工作載荷乘以系統(tǒng)頻響函數(shù)既為每條路徑對目標(biāo)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量。

(6)

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

以某SUV乘用車為例，基于OPAX方法對車內(nèi)噪聲進(jìn)行傳遞路徑分析。動力總成與車架之間通過懸置連接，懸置的布置方式為三點(diǎn)布置。

2.1 工況數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)過程中所用到的設(shè)備包括LMS數(shù)據(jù)采集前端，6個三向加速度傳感器，一個聲壓傳感器以及相應(yīng)導(dǎo)線若干。分別在三個懸置的主、被動側(cè)安裝一個三向加速度傳感器，目標(biāo)點(diǎn)為駕駛員右耳側(cè)，安裝一個聲壓傳感器。測點(diǎn)的布置示意圖如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)布置示意圖

圖2中，1為左懸置主動側(cè)，2為左懸置被動側(cè)，3為右懸置主動側(cè)，4為右懸置被動側(cè)，5為后懸置主動側(cè)，6為后懸置被動側(cè)，7為駕駛員右耳側(cè)。

試驗(yàn)工況為定置勻加速工況，利用LMS Test.Lab配套的軟件設(shè)置參數(shù)，采樣頻率為6400Hz，頻率分辨率為0.390625Hz。在正式采集數(shù)據(jù)之前充分預(yù)熱試驗(yàn)車輛并進(jìn)行預(yù)采集，進(jìn)行多次工況數(shù)據(jù)采集以減小采集數(shù)據(jù)的誤差。

2.2 獲取系統(tǒng)頻響函數(shù)

不改變傳感器的布置位置，應(yīng)用LMS Test.Lab下的Impact Testing模塊進(jìn)行系統(tǒng)頻響函數(shù)測量，采用H1估計法進(jìn)行傳遞函數(shù)估計，用力錘分別敲擊三個懸置主、被動側(cè)的三個方向以獲取系統(tǒng)頻響函數(shù)。如圖3所示為右懸置X方向到駕駛員右耳的頻響函數(shù)。

圖3 圖3右懸置X方向到駕駛員右耳的頻響函數(shù)

右懸置X方向與駕駛員右耳的相干曲線如圖4所示。

圖4 右懸置X方向與駕駛員右耳的相干曲線

采樣頻率為6400Hz，采樣定理要求采樣頻率至少為關(guān)心頻率上限的2倍，關(guān)心頻率為0～3200Hz。以圖3為例，獲取的系統(tǒng)頻響函數(shù)對應(yīng)的相干曲線在0～3200Hz區(qū)間范圍內(nèi)，整體的平均相干系數(shù)約為0.94(圖4)，非常接近于1，證明所獲取的系統(tǒng)頻響函數(shù)可靠性較高。

3 建立OPAX模型

該SUV乘用車共有3個懸置，即3×3(x，y，z方向)共9條結(jié)構(gòu)傳遞路徑，圖5所示為傳遞路徑分析模型。

圖5 傳遞路徑分析模型

對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，首先提取工況數(shù)據(jù)的階次，應(yīng)用階次數(shù)據(jù)以及獲取的系統(tǒng)頻響函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行OPAX建模。通過參數(shù)化載荷識別得到各懸置三個方向的動剛度曲線，圖6所示為右懸置X方向的動剛度曲線。

圖6 右懸置X方向的動剛度曲線

4 貢獻(xiàn)量分析

已知懸置動剛度及懸置主、被動側(cè)的加速度，根據(jù)式(3)計算可得各條路徑的工作載荷，將式(3)的計算結(jié)果與各條路徑的系統(tǒng)頻響函數(shù)代入式(1)，得到各條路徑對目標(biāo)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量，目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)即為各條路徑貢獻(xiàn)量的總和。圖7所示為以駕駛員右耳為目標(biāo)點(diǎn)時，勻加速工況下，發(fā)動機(jī)在1000～4000r/min轉(zhuǎn)速段內(nèi)各條路徑對駕駛員右耳噪聲的貢獻(xiàn)量分析。

由圖7可以看出，車內(nèi)噪聲的主要貢獻(xiàn)路徑為右懸置X方向，其次為后懸置Z方向，第三為后懸置Y方向。由此可以推斷出發(fā)動機(jī)右懸置振動為車內(nèi)噪聲的主要貢獻(xiàn)路徑，后懸置振動次之，左懸置振動對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量最小。圖7特別標(biāo)注部分的數(shù)據(jù)表明駕駛員右耳噪聲實(shí)測值、擬合值及右懸置X方向的貢獻(xiàn)量峰值，基本在同一轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)，進(jìn)一步說明了右懸置的隔振效果差。同時，基于OPAX方法的傳遞路徑分析這種直觀查看具體某條貢獻(xiàn)路徑在某轉(zhuǎn)速下的貢獻(xiàn)量，為進(jìn)一步的改進(jìn)提供有價值的參考方向，使優(yōu)化更有針對性，更高效。

圖7 駕駛員右耳噪聲貢獻(xiàn)量分析

5 本文OPAX方法分析結(jié)果與偏相干分析結(jié)果的對比研究

對勻加速工況下駕駛員右耳噪聲響應(yīng)明顯的26Hz、56Hz和78Hz頻率點(diǎn)進(jìn)行偏相干分析，對比研究基于OPAX方法的傳遞路徑分析結(jié)果和偏相干分析結(jié)果。表1所示為勻加速工況下重點(diǎn)關(guān)注頻率點(diǎn)的偏相干識別系數(shù)。

表1 偏相干識別系數(shù)

從表1可以看出，在26Hz處后懸置的偏相干系數(shù)最大為0.60；56Hz處右懸置的偏相干系數(shù)最大為0.19；78Hz處右懸置的偏相干系數(shù)最大為0.30。綜合來看，車內(nèi)噪聲的主要激勵源為右懸置振動，后懸置振動次之。這與本文OPAX方法的傳遞路徑分析結(jié)果一致，表明本次試驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性及獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

6 結(jié)論

對某SUV乘用車車內(nèi)噪聲進(jìn)行基于OPAX方法的傳遞路徑分析，得出以下結(jié)論：通過振動噪聲采集試驗(yàn)，可知發(fā)動機(jī)右懸置振動為車內(nèi)噪聲主要貢獻(xiàn)路徑，說明發(fā)動機(jī)右懸置隔振效果差；通過對傳遞路徑分析結(jié)果與偏相干分析結(jié)果的對比研究，得出右懸置振動為車內(nèi)噪聲的主要激勵源，兩種分析結(jié)果的結(jié)論一致，表明了本次試驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性及獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。