關(guān)門時(shí)車內(nèi)聲場(chǎng)的仿真與試驗(yàn)研究*

劉 哲，高云凱，徐 翔，陳佳舉，馬 超

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

前言

車門作為汽車開(kāi)閉件的重要組成部分，其關(guān)閉時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲在開(kāi)閉件中占主導(dǎo)地位［1-3］。消費(fèi)者在購(gòu)買汽車時(shí)，首先接觸到NVH問(wèn)題便是車門關(guān)閉所產(chǎn)生的，因此這將直接影響到消費(fèi)者的購(gòu)買意愿。關(guān)門工況下的車內(nèi)噪聲測(cè)試均是在整車制造完成后才能通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲得。因此在已制造出首批車輛的情況下，如何對(duì)后續(xù)批次車輛的車內(nèi)噪聲進(jìn)行改進(jìn)預(yù)測(cè)顯得尤為重要，這對(duì)后續(xù)車門的結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化有著重要的指導(dǎo)意義［4-7］。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)車內(nèi)噪聲和關(guān)門聲品質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了研究。史文庫(kù)等［8］對(duì)某型號(hào)純電動(dòng)客車在加速和勻速工況下的振動(dòng)噪聲進(jìn)行了研究，總結(jié)出了振動(dòng)噪聲特性，為下一步的優(yōu)化改進(jìn)提供了依據(jù)。陳昌明等［9］利用多體動(dòng)力學(xué)、有限元法和邊界元法分析了路面不平激勵(lì)對(duì)車內(nèi)低頻噪聲的影響。代文強(qiáng)等［10］采用能量有限元分析方法對(duì)高速列車車內(nèi)的噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果在分析頻帶內(nèi)的聲壓級(jí)一致性較好。王登峰等［11］利用統(tǒng)計(jì)能量分析法對(duì)來(lái)自動(dòng)力總成振動(dòng)和路面隨機(jī)激勵(lì)在車內(nèi)產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。唐中華等［12］利用虛擬傳遞路徑分析方法對(duì)車內(nèi)低頻振動(dòng)噪聲進(jìn)行了分析，并根據(jù)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。Fiedler等［13］利用統(tǒng)計(jì)能量分析法預(yù)測(cè)了輕軌車輛的內(nèi)部聲壓級(jí)，并對(duì)各種噪聲貢獻(xiàn)路徑進(jìn)行了研究。Kim等［14］提出了利用混合傳遞路徑分析方法預(yù)測(cè)動(dòng)力總成振動(dòng)引起車內(nèi)噪聲的方法。Zhang等［15］利用有限元和邊界元方法分析了車門關(guān)閉聲品質(zhì)，并對(duì)車門主要設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了靈敏度分析。楊川等［16］提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的汽車關(guān)門聲品質(zhì)預(yù)測(cè)方法并驗(yàn)證了該方法的預(yù)測(cè)精度。Champ等［17］通過(guò)對(duì)環(huán)形圓盤進(jìn)行振動(dòng)噪聲的數(shù)值仿真，驗(yàn)證了對(duì)車門關(guān)閉聲品質(zhì)進(jìn)行數(shù)值仿真的復(fù)雜性。Kumar等［18］研究了通過(guò)改變車門的設(shè)計(jì)因素來(lái)改善關(guān)門聲品質(zhì)的可行性。楊川等［19］針對(duì)汽車關(guān)門噪聲進(jìn)行了優(yōu)化分析，采用響應(yīng)面法，以關(guān)門動(dòng)能最小為目標(biāo)，以車門主要板件厚度為設(shè)計(jì)變量，建立了一套優(yōu)化流程并驗(yàn)證了該方法的有效性。

上述對(duì)車內(nèi)噪聲的研究主要聚焦激勵(lì)源為動(dòng)力總成或路面激勵(lì)，對(duì)關(guān)門聲品質(zhì)的研究方法局限于數(shù)值仿真分析，均未應(yīng)用到車門關(guān)閉工況下車內(nèi)噪聲的預(yù)測(cè)研究。因此本文中以某車型為研究對(duì)象，利用實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法對(duì)其關(guān)門工況下車內(nèi)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。本文中對(duì)車門關(guān)閉時(shí)的瞬態(tài)載荷進(jìn)行離散化設(shè)計(jì)，利用傳遞路徑分析（TPA）方法求取離散化的瞬態(tài)載荷，將其作為瞬態(tài)有限元模型的輸入量，進(jìn)而將其瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)映射至聲腔邊界元模型，最終得到駕駛員耳旁聲壓。對(duì)車門關(guān)閉工況下車內(nèi)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)研究取得了一致性較好的結(jié)果。因此，本文中驗(yàn)證了通過(guò)離散化車門關(guān)閉的瞬態(tài)載荷對(duì)預(yù)測(cè)車內(nèi)聲場(chǎng)的可行性，并為后續(xù)批次車門的設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)。

1 TPA基本理論

在時(shí)域TPA理論中，對(duì)線性時(shí)不變系統(tǒng)，目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)由結(jié)構(gòu)聲和空氣聲線性疊加得到［6］:

式中:Pl（t）為第l個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的總貢獻(xiàn)量響應(yīng)；t為時(shí)域數(shù)據(jù)；Pli（t）為第i條路徑的結(jié)構(gòu)載荷對(duì)目標(biāo)點(diǎn)l的貢獻(xiàn)量；Plj（t）為第j條路徑的空氣載荷對(duì)目標(biāo)點(diǎn)l的貢獻(xiàn)量；n和m分別為結(jié)構(gòu)載荷和聲學(xué)載荷的傳遞路徑數(shù)量。

系統(tǒng)中每一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)由作用在該激勵(lì)點(diǎn)上的激勵(lì)載荷乘以該條路徑的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積得到，則式（1）可寫為

式中:fli（τ）和qlj（τ）分別為第i條路徑的結(jié)構(gòu)載荷和第j條路徑的聲學(xué)載荷；hli（t-τ）為第i條路徑的結(jié)構(gòu)載荷到第l個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的單位脈沖響應(yīng)；hlj（t-τ）為第j條路徑的聲學(xué)載荷到第l個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的單位脈沖響應(yīng)。

結(jié)構(gòu)載荷和聲學(xué)載荷對(duì)目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)的計(jì)算過(guò)程類似，為了文章的簡(jiǎn)潔性，本文中以結(jié)構(gòu)響應(yīng)為例進(jìn)行分析。在機(jī)械系統(tǒng)激勵(lì)點(diǎn)附近設(shè)置2倍的參考點(diǎn)用于求解激勵(lì)載荷，得到參考點(diǎn)的響應(yīng)和激勵(lì)點(diǎn)至參考點(diǎn)的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)，利用逆矩陣法得到激勵(lì)點(diǎn)載荷［2］。

式中:I（t）為參考點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)；f（τ）為激勵(lì)點(diǎn)激勵(lì)載荷構(gòu)成的n行列向量；h（t-τ）為各激勵(lì)點(diǎn)載荷至參考點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)。

利用反卷積即可從式（3）中求取激勵(lì)點(diǎn)載荷f（t）。假設(shè)反卷積的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)為r（τ′），則參考點(diǎn)加速度響應(yīng)I（t）通過(guò)反卷積系統(tǒng)時(shí)為

顯然式（4）成立的前提是式（5）成立:

式中δ1（t-τ），δ2（t-τ），...，δn（t-τ）為δ函數(shù)。對(duì)式（5）做傅里葉變換得到:

式中:R（ω）和H（ω）分別為r（t）和h（t）的傅里葉變換；E為單位矩陣。

由式（6）可得R（ω）和H（ω）互為逆矩陣，因此首先測(cè)量得到各激勵(lì)點(diǎn)至參考點(diǎn)的頻響函數(shù)矩陣H（ω），通過(guò)求其逆矩陣得到反卷積系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣R（ω），利用頻率采樣法將其構(gòu)造成有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器矩陣，將參考點(diǎn)時(shí)域振動(dòng)響應(yīng)通過(guò)濾波便可得到激勵(lì)點(diǎn)處的時(shí)域載荷。同樣可以獲得激勵(lì)點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的濾波器。

最終得到激勵(lì)載荷的表達(dá)式為

式中:rn2n（t）為激勵(lì)載荷fn（t）對(duì)參考點(diǎn)響應(yīng)I（t）的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)；“?”表示卷積計(jì)算。

由于一般時(shí)域信號(hào)較長(zhǎng)，應(yīng)用基于分段準(zhǔn)線性原理的離散形式對(duì)其進(jìn)行離散。這種離散形式將時(shí)域信號(hào)分解為足夠小的時(shí)間步長(zhǎng)，然后對(duì)每一個(gè)步長(zhǎng)進(jìn)行卷積計(jì)算。離散形式的方程為

式中xl（tj）為第l個(gè)目標(biāo)點(diǎn)在第j個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的響應(yīng)。

將式（7）代入式（8）中，可得到離散時(shí)域的響應(yīng)結(jié)果。將每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)依次排序，代入式（9）便可得到完整的時(shí)域響應(yīng)結(jié)果。

2 分析流程

本文中分析流程如下:

（1）根據(jù)第1節(jié)中公式可知，在整車試驗(yàn)中測(cè)量參考點(diǎn)的加速度振動(dòng)響應(yīng)；

（2）在臺(tái)架試驗(yàn)中測(cè)量激勵(lì)點(diǎn)至參考點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)；

（3）利用第1節(jié)中公式求出激勵(lì)點(diǎn)的瞬態(tài)沖擊載荷；

以Td1為界限,Td0～Td1段的斜率k1要小于Td1～Tdmax段的斜率k2,則有折線形特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

（4）建立整車模型，簡(jiǎn)化模型形成封閉聲腔，建立車內(nèi)聲腔和座椅有限元模型，建立車內(nèi)聲腔和座椅邊界元模型，建模流程如圖1所示；

圖1 模型建立流程

（5）將瞬態(tài)沖擊載荷作用到車門有限元模型上求出瞬態(tài)加速度振動(dòng)響應(yīng)；

（6）進(jìn)一步將瞬態(tài)加速度振動(dòng)響應(yīng)映射至聲腔邊界元模型從而得到聲場(chǎng)處的聲壓值；

（7）最后將仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定該方法的可行性。

3 數(shù)據(jù)采集

本文中研究對(duì)象為某乘用車左前車門玻璃下位工況，開(kāi)啟方式為順開(kāi)式車門，關(guān)門速度為1.5 m/s。車門在關(guān)閉瞬時(shí)主要受到鎖機(jī)（A1）和密封條（A2～A9）處的沖擊載荷，因此對(duì)密封條處的沖擊載荷進(jìn)行合理的離散化處理成為建立車門TPA模型的重點(diǎn)。為了便于后續(xù)分析研究，將密封條處的沖擊載荷離散為8個(gè)集中載荷［14］，離散化后的沖擊載荷所在位置如圖2所示。利用傳遞路徑求取激勵(lì)點(diǎn)載荷時(shí)，需要設(shè)置參考點(diǎn)，且參考點(diǎn)的數(shù)量為激勵(lì)點(diǎn)的2倍或以上，參考點(diǎn)所在的位置如圖3所示。通過(guò)前期的振動(dòng)水平摸底試驗(yàn)可知，引起關(guān)門異常振動(dòng)是有下位玻璃的異常振動(dòng)所導(dǎo)致的［1-2］。由于密封條（A2～A9）處的沖擊載荷僅為Y向，鎖機(jī)（A1）處的沖擊載荷為XYZ3向，因此離散化后的瞬態(tài)沖擊載荷的自由度為3×1+1×8=11。參考點(diǎn)的自由度為3×16=48，因此滿足TPA分析中參考點(diǎn)自由度為激勵(lì)點(diǎn)自由度的2倍或以上的要求。

圖2 離散化后的沖擊載荷所在位置

圖3 沖擊載荷對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)

3.1 整車試驗(yàn)

在圖3所示參考點(diǎn)位置粘貼三向加速度傳感器，如圖4所示。三向加速度傳感器的型號(hào)為PCB 35A16，信號(hào)采集系統(tǒng)為L(zhǎng)MS公司的120通道數(shù)采系統(tǒng)，型號(hào)為L(zhǎng)MSSC316?UTP，如圖5所示。

圖4 整車試驗(yàn)

圖5 數(shù)采系統(tǒng)

由于不同操作者的差異會(huì)導(dǎo)致不同的關(guān)門速度，進(jìn)而參考點(diǎn)處的振動(dòng)響應(yīng)和駕駛員耳旁聲壓響應(yīng)也會(huì)不一致，因此如何確定統(tǒng)一的關(guān)門速度成為后續(xù)研究的關(guān)鍵。

在車身側(cè)安裝門速儀用于記錄車門在關(guān)閉時(shí)的瞬時(shí)速度，利用彈性繩控制車門在關(guān)閉瞬時(shí)的速度，彈性繩的一端固連在車門內(nèi)側(cè)，彈性繩的另一端固連在車身內(nèi)側(cè)。彈性繩在彈性范圍內(nèi)，其產(chǎn)生的彈力與伸長(zhǎng)量成正比，因此可以通過(guò)改變車門的旋轉(zhuǎn)角度控制彈性繩產(chǎn)生的彈力進(jìn)一步控制車門關(guān)閉時(shí)的瞬時(shí)速度。因此可以通過(guò)彈性繩和門速儀的互相配合完成常用關(guān)門速度的采集，本文中選取的常用關(guān)門速度為1.5 m/s，如圖6所示。

圖6 車門速度控制裝置

由于車內(nèi)噪聲與測(cè)量位置有著直接關(guān)系，因此測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)該能夠代表駕駛員耳旁的噪聲分布，根據(jù)GB/T 18697—2002《聲學(xué)汽車車內(nèi)噪聲測(cè)量方法》，在駕駛員耳旁布置傳聲器采集車內(nèi)聲壓響應(yīng)，傳聲器型號(hào)為MPA 201，如圖7所示。

圖7 車門速度控制裝置

傳感器的布置位置和數(shù)量如表1所示。

表1 傳感器位置和數(shù)量

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)

由第1節(jié)可知，需要測(cè)量激勵(lì)點(diǎn)至參考點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)。利用力錘在圖2所示激勵(lì)點(diǎn)位置進(jìn)行敲擊。同理，在圖3所示參考點(diǎn)位置粘貼三向加速度傳感器拾取加速度振動(dòng)響應(yīng)，如圖8所示。每次敲擊5次取平均值作為最終的頻率響應(yīng)函數(shù)。

圖8 臺(tái)架試驗(yàn)

4 仿真分析

4.1 車門有限元仿真

車門系統(tǒng)有限元模型中，鈑金件采用Pshell 2D面網(wǎng)格，鉸鏈采用Psolid 3D四面體網(wǎng)格；車門內(nèi)板和外板為包邊處理采用共節(jié)點(diǎn)單元；車門外板和防撞梁為膠粘處理采用Area（adhesives）單元；車門內(nèi)板與加強(qiáng)板為點(diǎn)焊處理采用Acm（equivalenced-（T1+T2）/2）單元；鉸鏈和內(nèi)板為轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接采用Cbeam 1D單元。車門在關(guān)閉瞬時(shí)受到鉸鏈處6個(gè)自由度的約束，為了保證有限元仿真與試驗(yàn)過(guò)程的一致性，在車門上下兩個(gè)鉸鏈處施加6個(gè)自由度的約束。車門有限元模型及邊界條件如圖9所示。

圖9 沖擊載荷的作用點(diǎn)

根據(jù)3.1節(jié)整車試驗(yàn)和3.2節(jié)臺(tái)架試驗(yàn)，采集的參考點(diǎn)加速度振動(dòng)響應(yīng)和激勵(lì)點(diǎn)至參考點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)，利用第1節(jié)中公式求出激勵(lì)點(diǎn)處（見(jiàn)圖2）的瞬態(tài)沖擊載荷，如圖10所示，可以看出車門關(guān)閉時(shí)受到的載荷為作用時(shí)間極短的瞬態(tài)沖擊載荷，符合車門關(guān)閉工況的受力情況。將求出的瞬態(tài)沖擊載荷作用到激勵(lì)點(diǎn)處（見(jiàn)圖9），求解車門有限元模型的瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)。

圖10 激勵(lì)載荷

圖11為車門關(guān)閉瞬時(shí)的加速度振動(dòng)響應(yīng)云圖，可知車門門框處的加速度振動(dòng)響應(yīng)幅值最大，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致。

圖11 車門振動(dòng)響應(yīng)云圖

4.2 時(shí)域邊界元仿真

裝飾車身有限元模型包括白車身和相應(yīng)零部件，共計(jì)2 489 087個(gè)單元，如圖12（a）所示。進(jìn)行車內(nèi)駕駛員耳旁聲場(chǎng)預(yù)測(cè)分析前需要對(duì)乘客艙空腔和座椅有限元建模，因此需要對(duì)車身進(jìn)行模型質(zhì)量修復(fù)并簡(jiǎn)化，填充車身的特征孔洞以形成封閉空腔，如圖12（b）所示。對(duì)乘客艙空腔和座椅空腔進(jìn)行有限元建模，通過(guò)布爾運(yùn)算使其分離，單元大小為50 mm，均為CTETRA四面體單元，共計(jì)884 939個(gè)單元，如圖12（c）所示。在乘客艙和座椅有限元的表面進(jìn)行提取面網(wǎng)格、粗化表面等操作，得到共計(jì)7 526個(gè)單元，如圖12（d）所示。

圖12 邊界元建立流程

本文中選擇時(shí)域邊界元法計(jì)算車內(nèi)聲場(chǎng)，時(shí)域邊界元需要的網(wǎng)格為三角形面網(wǎng)格，因此聲腔和座椅邊界元模型為三角形面網(wǎng)格，場(chǎng)點(diǎn)模型為四邊形面網(wǎng)格，如圖13所示。定義流體為空氣，聲速為340 m/s，密度為1.225 kg/m3。通過(guò)聲阻抗定義材料的吸聲屬性，座椅的聲阻抗為975 Pa?s?m-1，內(nèi)飾的的聲阻抗為830 Pa?s?m-1。

圖13 邊界元模型

時(shí)域邊界元法是將結(jié)構(gòu)有限元的加速度振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果通過(guò)插值方法映射到聲學(xué)邊界元網(wǎng)格上，進(jìn)而進(jìn)行輻射噪聲計(jì)算。圖14為場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格處的聲壓云圖響應(yīng)。進(jìn)一步提取駕駛員右耳坐標(biāo)位置處的聲壓響應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)化為聲壓曲線，如圖15所示。

圖14 場(chǎng)點(diǎn)處聲壓響應(yīng)

由圖15可知，試驗(yàn)結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)在整體趨勢(shì)和局部峰值的一致性較好，仿真數(shù)據(jù)捕捉到了車門關(guān)閉工況下駕駛員耳旁的短時(shí)瞬態(tài)聲壓響應(yīng)。

圖15 耳旁聲壓實(shí)測(cè)值與仿真值

為了進(jìn)一步比較目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值和仿真值的吻合程度，本文中采用均方根誤差（RMSE）作為比較準(zhǔn)則進(jìn)行誤差分析，其公式［20］為

式中:yreal為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；ypred為仿真數(shù)據(jù)。

RMSE值越小，表明仿真數(shù)據(jù)ypred和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)yreal的誤差越小。駕駛員右耳處的實(shí)測(cè)聲壓響應(yīng)和仿真聲壓響應(yīng)的RMSE值為0.749，說(shuō)明兩者在趨勢(shì)上重合度較好，因此本文中提出的聲固耦合分析方法和離散化傳遞路徑分析模型適用于關(guān)門工況下車內(nèi)聲壓的預(yù)測(cè)分析。

5 結(jié)論

針對(duì)乘用車關(guān)門工況下車內(nèi)聲場(chǎng)預(yù)測(cè)僅能在整車制造完成后才能測(cè)量的問(wèn)題，本文中通過(guò)設(shè)計(jì)整車和臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)車門關(guān)閉載荷進(jìn)行離散化設(shè)計(jì)，利用TPA方法計(jì)算出離散載荷并施加到車門有限元模型，求得車門瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)，將加速度振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果映射至聲腔邊界元，最終得到駕駛員耳旁聲壓響應(yīng)，并比較了仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)結(jié)果，得到了具有良好的一致性的結(jié)果，本文中所做的工作和得到的主要結(jié)論如下。

（1）對(duì)車門關(guān)閉工況下的沖擊載荷進(jìn)行了離散化研究，利用TPA方法求出了車門關(guān)閉時(shí)的瞬態(tài)沖擊載荷，求出的載荷符合車門關(guān)閉工況下短時(shí)瞬態(tài)沖擊的性質(zhì)，驗(yàn)證了TPA方法在求取關(guān)門沖擊載荷時(shí)的可行性。

（2）對(duì)車門進(jìn)行了有限元建模、對(duì)聲腔進(jìn)行了邊界元建模，針對(duì)車門關(guān)閉工況，進(jìn)行了瞬態(tài)振動(dòng)有限元分析和時(shí)域邊界元的聲固耦合聯(lián)合仿真，得到了駕駛員耳旁聲壓，驗(yàn)證了該方法在求取關(guān)門工況下駕駛員耳旁聲壓的可行性。

（3）分析結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)制造完成的首批樣車進(jìn)行離散化傳遞路徑建模，在得到關(guān)門時(shí)的瞬態(tài)沖擊載荷后，可以提前對(duì)后續(xù)同款車輛車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的車內(nèi)噪聲進(jìn)行聲固耦合仿真預(yù)測(cè)，能夠指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向，從而節(jié)省大量的人力物力，進(jìn)一步促進(jìn)了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)流程。