基于虛擬傳遞路徑分析的商用車加速通過噪聲優(yōu)化控制

唐榮江， 劉威亞， 黃 莉， 鄭偉光*， 王青青， 施朝坤

(1.桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院, 桂林 541000； 2.東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心, 柳州 545000)

商用車作為主要的載貨交通工具之一,為滿足日益增加的載貨需求,其發(fā)動機功率在不斷增大,隨之帶來的是過大的噪聲。噪聲不僅對駕駛室內(nèi)造成影響[1],而且商用車在加速通過時會帶來嚴(yán)重的噪聲污染。同時相關(guān)法規(guī)對商用車加速通過噪聲的限值也在不斷降低,最新擬定的法規(guī)規(guī)定了其檢驗限值為78 dB(A),所以商用車加速通過噪聲的分析和控制成為重要課題。

對噪聲的控制往往需要研究各個噪聲源的激勵和傳遞路徑的情況,針對其各自貢獻量的大小更有效地采取處理措施。傳遞路徑分析(transfer path analysis, TPA)即是一種行之有效的方法[2-3]。Janssens等[4]依據(jù)基于TPA技術(shù)的空氣傳播噪聲量化(airborne source quantification, ASQ)分析原理,對某小型乘用車進行了室內(nèi)通過噪聲聲源貢獻量分析實驗。褚志剛等[5]、Chu等[6]運用時域傳遞路徑分析方法,分別對車內(nèi)噪聲、車外噪聲進行貢獻量分析,識別其主要聲源及貢獻路徑,為后續(xù)降噪措施制定指明方向。上述研究中,各學(xué)者對TPA技術(shù)都做了不同的改進與應(yīng)用,但當(dāng)進行貢獻量分析時都需進行繁雜的實車測試,存在實驗流程復(fù)雜、實驗周期長和可重復(fù)性低等問題。

隨著有限元法精度的不斷提高,以及多年來聲學(xué)有限元的應(yīng)用,基于仿真模型所計算的模態(tài)及傳遞函數(shù)與實驗所得結(jié)果基本吻合[7],虛擬傳遞路徑分析(virtual transfer path analysis, VTPA)逐漸被廣泛應(yīng)用。王智博[8]利用VTPA方法,建立了商用車駕駛室內(nèi)噪聲的虛擬傳遞路徑分析模型,找出了響度貢獻量最大的關(guān)鍵路徑。VTPA方法可有效減少傳統(tǒng)TPA的工作量,但多應(yīng)用于駕駛室內(nèi)的分析,對商用車加速通過噪聲鮮有分析。

現(xiàn)嘗試將VTPA方法應(yīng)用于商用車加速通過噪聲分析中,提出了一種商用車加速通過噪聲虛擬傳遞路徑分析方法,利用仿真模型對噪聲源與響應(yīng)點之間的傳遞函數(shù)進行分析與計算,簡化實驗流程。同時,采用麥克風(fēng)陣列聲源定位技術(shù),對商用車加速通過噪聲主要噪聲源進行定位,驗證仿真模型的正確性。最后依據(jù)VTPA結(jié)果進行了優(yōu)化方案設(shè)計及仿真。

1 基本原理

1.1 傳統(tǒng)傳遞路徑分析

假設(shè)研究的系統(tǒng)是線性不變的,則在目標(biāo)點處產(chǎn)生的響應(yīng)是各激勵源以工作載荷激勵時沿不同路徑傳遞到該點能量的疊加。TPA的目的就是研究能量在各個路徑上的傳播情況。其核心思想是將整個系統(tǒng)簡化為“激勵源—傳遞路徑—目標(biāo)點”分析模型[9],如圖1所示。

圖1 傳遞路徑分析模型

目標(biāo)點的響應(yīng)可以表示為

(1)

式(1)中：yk為第k個目標(biāo)點的總響應(yīng)；n、p分別為振動和聲學(xué)傳遞路徑的數(shù)量；Fi、Qj分別為第i條、第j條路徑上的結(jié)構(gòu)載荷和聲學(xué)載荷；Hki、Hkj分別為結(jié)構(gòu)載荷、聲學(xué)載荷至目標(biāo)點k之間的傳遞函數(shù)。

對于商用車加速通過工況,在目標(biāo)點只有空氣噪聲的傳播,由于在路徑上不存在耦合點,所以如果有p個噪聲源,則有p條到達響應(yīng)點的傳遞路徑,而且響應(yīng)點的總聲壓就等于各個路徑貢獻量的總和。因此目標(biāo)點處的響應(yīng)可簡化表示為

(2)

如果已知路徑j(luò)上的工作載荷和此條路徑的傳遞函數(shù),則該路徑對響應(yīng)點的貢獻量可以表示出來。由此可得,解決加速通過噪聲TPA問題分為兩個步驟,獲取傳遞函數(shù)和激勵點載荷。

傳統(tǒng)TPA分析求取傳遞函數(shù)的方法主要有直接法和互易法[10]。求取傳遞函數(shù)時,為避免耦合,常常需要對測試對象部件進行拆卸。激勵點載荷獲取方法有直接測量法和逆矩陣法等。傳統(tǒng)TPA方法是在固定實物的基礎(chǔ)上進行的,需要對實車部件進行拆裝,工作量較大、效率低,且不易改進。

1.2 虛擬傳遞路徑分析

VTPA技術(shù)主要通過仿真技術(shù)獲取傳遞函數(shù)和激勵,不依賴硬件原型或車輛系列,從而消除了費時費力的實驗的必要性[11]。同時,除了僅依賴于數(shù)值模擬數(shù)據(jù)之外,只要有此類測試數(shù)據(jù),VTPA工具還能夠處理實際測得的激勵或傳遞函數(shù)。因此,VTPA能夠涵蓋設(shè)計過程中的所有階段,如圖2所示,概念、原型和試產(chǎn)三個階段都包含激勵、傳遞函數(shù)和目標(biāo)3個部分,在激勵和傳遞函數(shù)部分任何一個階段都可以對VTPA輸入數(shù)據(jù)。

圖2 VTPA各個階段

對商用車加速通過噪聲分析,在VTPA傳遞函數(shù)階段應(yīng)用有限元模型進行計算,在VTPA激勵階段輸入實測數(shù)據(jù)。在獲得了所有傳遞函數(shù)和工作載荷的數(shù)據(jù)后,即可獲得各聲源對目標(biāo)點的聲壓貢獻量。最后,利用麥克風(fēng)陣列定位技術(shù)對VTPA分析結(jié)果進行驗證。

2 VTPA在商用車通過噪聲中的應(yīng)用

2.1 建立有限元模型

商用車車外噪聲主要包括發(fā)動機噪聲、底盤噪聲、車身噪聲等,如圖3所示。

圖3 整車車外噪聲分布

各噪聲源都是互相關(guān)聯(lián)的,聲能大的聲源掩蓋較小的聲源。對于商用車加速行駛時,主要以發(fā)動機本體噪聲、進氣系統(tǒng)噪聲和排氣系統(tǒng)噪聲為主[12],故以這幾部分為分析對象。

建立商用車簡化幾何模型,主要簡化了駕駛室下半部分、車架、發(fā)動機、排氣裝置的結(jié)構(gòu),整體長度為4.02 m,寬度為2.47 m,高度為2.2 m。并在其結(jié)構(gòu)間隙填充聲學(xué)體網(wǎng)格及定義自動匹配層(automatic matched layer, AML)輻射邊界條件[13],用于聲場求解,如圖4所示,劃分體網(wǎng)格單元為841 645個。

將發(fā)動機本體噪聲劃分為上下左右前后6個面的噪聲[14]。發(fā)動機前側(cè)位置即為進氣位置,所以視為一個聲源。排氣噪聲具有較強指向性,設(shè)置為面聲源,其余聲源設(shè)置為單極子聲源,激勵大小為單位激勵。替代聲源位置如圖5所示。

圖4 聲學(xué)有限元模型

2.2 求取傳遞函數(shù)

車外加速通過噪聲測試中,車輛與測量點的相對位置是實時變化的,所以傳遞函數(shù)也是變化的。在實驗或仿真中,通常使用多個響應(yīng)點模擬二者不同的相對位置求取傳遞函數(shù),如圖6所示。在模型左右兩側(cè)各設(shè)置20個響應(yīng)點,兩兩間隔1 m,分別求解各噪聲源到各響應(yīng)點的傳遞函數(shù)。

對于一個線性系統(tǒng),設(shè)其輸入激勵為x(t),輸出響應(yīng)為y(t),則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表達為

(3)

式(3)中：Y為輸出響應(yīng)的傅氏變換；X為輸入激勵的傅氏變換；SXY為y和x的互功率譜密度；SX為x自功率譜密度。

已知商用車在加速時會出現(xiàn)高頻噪聲且具有高聲壓值,故依據(jù)建立的聲學(xué)有限元模型分別求解各聲源頻率為100～4 000 Hz、步長為50 Hz的聲學(xué)響應(yīng)。設(shè)定傳遞函數(shù)的輸入點為各替代聲源,輸出點為車輛兩側(cè)的響應(yīng)點。圖7所示為發(fā)動機后側(cè)噪聲源到右側(cè)中間響應(yīng)點的傳遞函數(shù)。

2.3 噪聲源載荷識別

噪聲源載荷采用直接法測量[15],傳統(tǒng)小型乘用車在半消音室的轉(zhuǎn)股上進行測試,而對于大型商用車,實驗室的搭建相對困難,所以按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行商用車加速通過噪聲測試,如圖8所示。

在各聲源近場放置傳聲器直接測量載荷。圖9所示為發(fā)動機上側(cè)傳聲器位置。

圖7 傳遞函數(shù)

圖8 加速通過噪聲實驗

圖9 發(fā)動機上側(cè)傳聲器位置

采用直接法測量某處聲源輻射聲壓時,由于車輛作為一個整體各部分同時在工作,所以測量結(jié)果是所有聲源在這一點的疊加,可表示為

(4)

式(4)中：xi為聲源測量值,i=1,2,…,p；Qj為各聲源真實輻射聲壓；Gij為第j個聲源到第i個聲源測量點的傳遞函數(shù),當(dāng)j=i時Gij為1。

化為矩陣形式為

(5)

采用逆矩陣法即可求得各聲源真實輻射聲壓,即

(6)

各聲源之間的傳遞函數(shù)可在求解聲源到響應(yīng)點的傳遞函數(shù)時同時求解。

2.4 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

為驗證VTPA分析結(jié)果,進行加速通過噪聲實驗時在響應(yīng)點處采用麥克風(fēng)陣列裝置進行噪聲信息采集,裝置采用德國CAE公司的Bionic M-112 Array聲學(xué)照相機進。其主體結(jié)構(gòu)為麥克風(fēng)陣列且具有聲成像功能,利用它定位主要噪聲源及記錄商用車行駛畫面,如圖10所示。

圖11所示為商用車加速通過時聲學(xué)照相機測得的左側(cè)的瀑布圖,從圖11中可以看出,商用車在加速階段出現(xiàn)了幾處明顯的高聲壓頻段,其對響應(yīng)點有較大的貢獻量,為主要分析對象。

選取加速通過噪聲在響應(yīng)點處聲壓較高時刻的各近場測點的頻域數(shù)據(jù)進行分析,對于圖11所對應(yīng)的實驗,選取5.8 s時刻。同樣其他所有近場傳聲器都選取同時刻的數(shù)據(jù),如圖12所示,為發(fā)動機后側(cè)該時間點的頻域數(shù)據(jù)。

圖10 麥克風(fēng)陣列信息采集

圖11 左側(cè)加速通過噪聲

可以看出1～2 kHz、3.5～4 kHz和10～12 kHz頻率段為聲壓較大的頻段,由此需要分析引起各頻段聲壓較大的噪聲來源。對各個頻率段的分析,不僅可以依據(jù)聲壓進行針對降噪,還可以針對頻率使用不同的降噪措施。

通過陣列記錄商用車位置畫面,選取對應(yīng)的傳遞函數(shù)。在LMS Test.Lab TPA模塊對傳遞函數(shù)以及測得的數(shù)據(jù)進行處理,分析各聲源的貢獻量。同時,從圖12中還可以看出,不同的頻率對響應(yīng)點有不同的貢獻量,限于篇幅,僅選取較為明顯的3.5～4 kHz頻率段進行分析?？梢缘玫礁髟肼曉簇暙I量，如圖13所示。

通過各路徑對車外響應(yīng)點噪聲的貢獻量比較可知,在加速高頻階段發(fā)動機后側(cè)的貢獻量最大,為主要的傳遞路徑；而排氣和發(fā)動機前貢獻量較小。

圖12 發(fā)動機后側(cè)頻域聲壓級

圖13 通過噪聲貢獻量分析結(jié)果

文獻[16]采用噪聲隔離法對噪聲源進行識別,同樣求得了測試車輛車外各噪聲源貢獻量。其首先測得隔離掉所有研究對象聲源后的整車加速通過噪聲,然后拆除某個部件噪聲源的噪聲隔離件,使之產(chǎn)生噪聲,再次重復(fù)測試車輛加速通過噪聲,最后按噪聲能量疊加原理計算出此部件噪聲源的噪聲水平,試驗流程相對復(fù)雜繁瑣。

得出貢獻量分析結(jié)果后,采用麥克風(fēng)陣列定位主要噪聲源對其進行驗證。麥克風(fēng)陣列聲源定位有多種算法,選用應(yīng)用最為廣泛的波束形成算法。

如圖14所示,其定位的基本思想是將各陣元采集信號進行延時(加權(quán))求和形成波束,進而引導(dǎo)波束來搜索聲源可能的位置,并且更新權(quán)值直到麥克風(fēng)陣列的輸出功率達到最大,此時波束輸出功率最大的位置即聲源的位置[17]。

圖14 波束形成原理

采用波束形成算法對選取的頻率和時間段進行定位,由于商用車加速通過時速度較低,所以車速對定位結(jié)果的影響可以忽略不計。定位結(jié)果如圖15所示。

圖15 聲源定位結(jié)果

可以明顯看到定位到的主要噪聲源在發(fā)動機后方,從與車廂的空隙中傳播出來。與貢獻量分析結(jié)果一致,由此可以驗證商用車加速通過噪聲虛擬傳遞路徑分析方法的正確性,為下一步精確降噪提供依據(jù)。

3 優(yōu)化仿真分析

依據(jù)VTPA貢獻量結(jié)果,則可以進行精準(zhǔn)降噪仿真分析。由圖13可以看出,發(fā)動機后側(cè)為主要噪聲貢獻源,同時左右兩側(cè)及下側(cè)也具有較高的貢獻量,所以依據(jù)貢獻量分布設(shè)計兩種優(yōu)化降噪方案,如圖16所示。

圖16 降噪聲學(xué)包設(shè)計方案

創(chuàng)建不同厚度的吸聲材料層和隔聲材料層組合并將設(shè)計的聲學(xué)包添加到仿真模型中進行仿真計算[18]。方案1在發(fā)動機左右兩側(cè)設(shè)置了2 mm的隔聲層和20 mm的吸聲層,在發(fā)動機后側(cè)設(shè)置了5 mm的隔聲層。方案2在方案1的基礎(chǔ)上在發(fā)動機下側(cè)額外設(shè)置了與發(fā)動機左右兩側(cè)相同的吸聲層和隔聲層。仿真分析結(jié)果如圖17、表1所示。

圖17 優(yōu)化方案對比

表1 整體噪聲仿真結(jié)果

由圖17和表1可知,在依據(jù)VTPA分析結(jié)果的兩種方案在不同頻段都降低了噪聲聲壓,方案1左側(cè)降低了3.6 dB(A),右側(cè)降低了2.4 dB(A)；方案2左側(cè)降低了4.4 dB(A),右側(cè)降低了5.3 dB(A)。

4 結(jié)論

提出了一種基于VTPA的商用車加速通過噪聲貢獻量分析方法,具體工作總結(jié)如下。

(1)建立了商用車聲學(xué)有限元模型,模型兩側(cè)設(shè)置了兩排響應(yīng)點模擬車輛在實際通過時與響應(yīng)點的不同相對位置,求解了不同噪聲源到各個響應(yīng)點的傳遞函數(shù)。

(2)進行了實車加速通過噪聲測試,采用直接法獲取噪聲源聲壓。并在響應(yīng)點放置麥克風(fēng)陣列裝置定位主要噪聲源驗證VTPA分析結(jié)果。最后得出了在3.5～4 kHz頻率段各噪聲源的貢獻量,其中車輛左右兩側(cè)貢獻量最大處均為發(fā)動機后。

(3)依據(jù)VTPA分析結(jié)果提出兩種降噪方案進行了仿真,結(jié)果顯示對于商用車通過噪聲,方案1可達到3.6 dB(A)的降噪效果,方案2可達到5.3 dB(A)的降噪效果。