時(shí)域傳遞路徑分析在路噪聲品質(zhì)開發(fā)中的應(yīng)用*

毛杰 陳志東 邱毅 周昌水 張亞楠 姚再起

(1 浙江吉利控股集團(tuán)有限公司汽車工程學(xué)院杭州 310000）

(2 浙江大學(xué)能源工程學(xué)院杭州 310027）

(3 吉利汽車研究開發(fā)寧波有限公司寧波 315336）

0 引言

當(dāng)車輛以60 km/h或80 km/h勻速行駛在粗糙路面時(shí)，內(nèi)燃機(jī)噪聲和風(fēng)噪一般不是主要的噪聲源，而路面不平順度經(jīng)過輪胎和懸架傳遞到車身引起的結(jié)構(gòu)噪聲(路噪)，以及輪胎與路面相互作用引起的空氣噪聲(胎噪)，是該工況下最易引起客戶抱怨的NVH(Noise,Vibration,Harshness)問題。其中，在汽車NVH開發(fā)領(lǐng)域，路噪與輪胎的力傳遞、懸架的選型、車身的設(shè)計(jì)強(qiáng)相關(guān)，而胎噪與輪胎的花紋設(shè)計(jì)、車身的聲學(xué)包設(shè)計(jì)強(qiáng)相關(guān)。在當(dāng)前的乘用車市場上，隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，在缺少內(nèi)燃機(jī)對(duì)低頻噪聲的掩蔽效應(yīng)后，以結(jié)構(gòu)聲為主的路噪一直是售后抱怨的痛點(diǎn)。

在路噪的研究方面，Lee等[1]掃描了路譜，以強(qiáng)迫振動(dòng)的形式加載到輪胎與路面的接觸面上，激勵(lì)整車有限元模型(包含輪胎)計(jì)算路噪。黃劍鋒等[2]采用傳遞路徑分析(Transfer path analysis,TPA)技術(shù)進(jìn)行了從整車到部件的路噪問題診斷和優(yōu)化。Baro等[3]建立了一個(gè)線性輪胎模型用于預(yù)測200 Hz附件輪胎空腔聲的機(jī)理，用于降低空腔聲經(jīng)懸架結(jié)構(gòu)傳遞到車內(nèi)的噪聲。

主機(jī)廠在車型仿真開發(fā)階段，重點(diǎn)工作集中在頻域范圍內(nèi)的路噪聲壓級(jí)上，只能等到試驗(yàn)樣車調(diào)校階段才能開展主觀評(píng)價(jià)(又稱路噪的聲品質(zhì)評(píng)價(jià))。而根據(jù)心理聲學(xué)理論，聲壓級(jí)的降低和聲品質(zhì)的改善之間并不存在絕對(duì)的關(guān)聯(lián)。換言之，仿真階段一味地追求聲壓級(jí)的降低，在一定程度上會(huì)引起過設(shè)計(jì)的現(xiàn)象，并且無法確保對(duì)于后續(xù)樣車的聲品質(zhì)帶來收益。

因此，基于項(xiàng)目開發(fā)中的痛點(diǎn)問題，本文采用時(shí)域TPA(Time-domain TPA)方法，搭建了某乘用車的NVH仿真-測試混合TPA模型，可以實(shí)現(xiàn)噪聲的回放、編輯以及仿真方案的主觀評(píng)價(jià)，在一定程度上縮短開發(fā)周期、降低設(shè)計(jì)變更成本以及減少人力投入。

1 時(shí)域TPA簡介

TPA目前已廣泛應(yīng)用于汽車NVH的開發(fā)工作中[4-5]，對(duì)于識(shí)別振動(dòng)或噪聲問題的關(guān)鍵路徑、提出針對(duì)性的優(yōu)化方向，具有直接且有效的作用。

常見的TPA分為頻域和時(shí)域兩種，本文對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場景做一個(gè)簡單的介紹。頻域TPA用工作載荷的頻譜乘以傳遞函數(shù)的頻譜，得到該條路徑的頻域貢獻(xiàn)量，最后通過矢量疊加所有結(jié)構(gòu)聲和空氣聲貢獻(xiàn)路徑得到車內(nèi)總噪聲，如式(1)所示：

式(1)中：f表示頻率；pdriver(f)表示頻域下的駕駛員耳旁聲壓；i和j分別表示結(jié)構(gòu)聲(Structureborne,SB)和空氣聲(Airborne,AB)的貢獻(xiàn)路徑數(shù)量；分別表示第i條結(jié)構(gòu)聲傳遞函數(shù)和第j條空氣聲傳遞函數(shù)；Fi和Qj分別表示第i條結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑的力載荷和第j條空氣聲傳遞路徑的聲載荷。

在進(jìn)行汽車NVH開發(fā)時(shí)，頻域TPA可以快速把問題頻率下的振動(dòng)或噪聲問題的主要貢獻(xiàn)路徑識(shí)別出來，進(jìn)而再識(shí)別該貢獻(xiàn)路徑的主導(dǎo)因素是激勵(lì)源還是傳遞函數(shù)，最后可以開展針對(duì)性的優(yōu)化工作。頻域TPA的缺點(diǎn)在于無法進(jìn)行聲音的回放和評(píng)價(jià)。

而時(shí)域TPA用工作載荷的時(shí)域時(shí)間與傳遞函數(shù)的逆快速傅里葉變換(Fast Fourier transform,FFT)做卷積，得到該條路徑的時(shí)域貢獻(xiàn)量，如式(2)所示：

式(2)中各變量定義同式(1)。

時(shí)域TPA方法在汽車NVH開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，比如：(1)內(nèi)燃機(jī)車型的啟動(dòng)/熄火是一個(gè)瞬態(tài)工況，適合從時(shí)域上進(jìn)行分析和優(yōu)化；(2)聲音的回放功能可以減少實(shí)車調(diào)教過程中的“試錯(cuò)”次數(shù)，提高開發(fā)效率，同樣需要適合從時(shí)域上進(jìn)行結(jié)構(gòu)聲和空氣聲的分析和優(yōu)化。

2 路噪聲品質(zhì)問題簡介

在車輛勻速行駛在粗糙路面上時(shí)，在不同的頻段內(nèi)易引起不同的路噪聲品質(zhì)抱怨，如轟鳴聲(20～50 Hz)、敲鼓聲(70～90 Hz)、隆隆聲(100～160 Hz)、輪胎空腔聲(180～250 Hz)，相關(guān)描述如表1所示。需要說明的是：(1)上述問題頻段的定義在不同的主機(jī)廠會(huì)略有差異，但不影響路噪問題的表述；(2)輪胎空腔聲以單頻噪聲問題為主，表1中所示頻段較寬(180～250 Hz)的原因是根據(jù)輪胎尺寸、車速、溫度等差異，空腔單頻噪聲會(huì)在200 Hz上下偏移；(3)300 Hz以上胎噪問題不在本文的討論范圍內(nèi)。

圖1是某SUV在粗糙路面以60 km/h勻速行駛時(shí)的駕駛員耳旁路噪時(shí)域和頻域結(jié)果，其中由圖1(b)可以看到與表1相對(duì)應(yīng)的路噪問題。其中，在20～50 Hz頻段內(nèi)，因聲壓級(jí)幅值高、低頻聲能集中，在行駛過程中引起了明顯的低頻壓耳感的路噪聲品質(zhì)抱怨，亟需對(duì)該問題展開分析和優(yōu)化。

表1 常見的路噪聲品質(zhì)問題Table 1 Common road noise sound quality issues

圖1 某SUV車內(nèi)路噪時(shí)域和頻域曲線Fig.1 Interior time-domain and frequencydomain road noise curve of an SUV

3 路噪聲品質(zhì)仿真和優(yōu)化

基于路噪聲品質(zhì)的開發(fā)需求，本文首先采用時(shí)域TPA方法對(duì)某SUV的路噪聲品質(zhì)問題進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，鎖定關(guān)鍵貢獻(xiàn)路徑和問題頻段，接著采用CAE方法對(duì)特定頻段的子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 基于時(shí)域TPA的問題復(fù)現(xiàn)

目前，基于整車路噪仿真技術(shù)，可以完成從路面載荷提取到車內(nèi)噪聲計(jì)算的全流程分析。然而，單純依賴于仿真手段，在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)過程中常會(huì)遇到以下場景：

(1)整車有限元模型在20～300 Hz頻段內(nèi)的仿真精度問題。整車路噪仿真方法一般有2種常用的方法，一是路面不平順度加載到輪胎模型的方法，二是直接提取軸頭力加載到車輪中心的方法。雖然以上方法已經(jīng)較為成熟，但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，輪胎、懸架、車身等有限元模型在不同頻率下均會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，從而影響仿真結(jié)果和問題判斷的精度，尤其是在100 Hz以上，這種誤差會(huì)逐步突顯出來，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間去獲取準(zhǔn)確的輸入、對(duì)標(biāo)各問題頻率下的有限元模型精度等。

(2)通過上述仿真方法得到的頻域路噪結(jié)果，因缺乏時(shí)域信號(hào)而無法進(jìn)行聲音回放，所以路噪優(yōu)化工作只能通過降低聲壓級(jí)開展，無法建立起仿真優(yōu)化方案和主觀評(píng)價(jià)直接的聯(lián)系，易引起過設(shè)計(jì)的現(xiàn)象。

因路噪激勵(lì)特性和傳遞路徑較為復(fù)雜，若不借助于有效的問題診斷手段，只能在實(shí)車上通過試錯(cuò)的方式進(jìn)行問題排查，效率低且成本高。基于現(xiàn)有仿真技術(shù)的瓶頸，本文采用仿真和試驗(yàn)混合的方法，進(jìn)行路噪低頻壓耳感問題的復(fù)現(xiàn)和優(yōu)化：

(1)采用時(shí)域TPA方法進(jìn)行路噪聲品質(zhì)問題的診斷分析。該方法的優(yōu)點(diǎn)在上文理論部分已經(jīng)介紹，不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)TPA方法對(duì)于車內(nèi)噪聲主要貢獻(xiàn)路徑的識(shí)別，還可以實(shí)現(xiàn)聲音的回放。

(2)采用CAE方法對(duì)主要貢獻(xiàn)路徑的問題進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，并且將優(yōu)化的結(jié)果替換到時(shí)域TPA模型中，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案的回放，減少大量試錯(cuò)和方案試制的時(shí)間。

(3)在平臺(tái)化造車的時(shí)代，基于平臺(tái)第一款車型上完成(1)和(2)的工作后，可以對(duì)后續(xù)車型的開發(fā)效率提升提供幫助。

本文搭建的某SUV路噪時(shí)域TPA模型如圖2所示，主要包含由螺旋彈簧、前減振器和前副車架組成的前懸架路噪，以及由后減振器和后副車架組成的后懸架路噪。將前后懸架的路噪結(jié)果進(jìn)一步合成后，可以得到時(shí)域的車內(nèi)路噪結(jié)果，不僅可以通過FFT后得到路噪的頻域聲壓級(jí)曲線，還可以直接將時(shí)域結(jié)果回放進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。需要說明的是，300 Hz以下的路噪是結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)相關(guān)的噪聲，可以忽略空氣聲的影響。因此，本文在提取路噪TPA的路徑的時(shí)候，只需要考慮結(jié)構(gòu)聲傳遞函數(shù)HiSB即可(如圖2所示)。提取的過程是通過工況傳遞路徑分析(Operational transfer path analysis,OTPA)多工況擬合的方式，即獲取不同工況下的底盤激勵(lì)結(jié)果和車內(nèi)噪聲響應(yīng)結(jié)果，然后通過OTPA自帶的傳函擬合算法，即算法中默認(rèn)每一條底盤硬點(diǎn)到車內(nèi)的傳遞函數(shù)是固定的，從而通過多個(gè)工況的測試結(jié)果矩陣計(jì)算得到每一條傳遞函數(shù)結(jié)果。

圖2 路噪聲品質(zhì)時(shí)域TPA分析Fig.2 Time-domain TPA analysis of road noise sound quality

為了確保時(shí)域TPA分析的準(zhǔn)確性，需要對(duì)比它和車內(nèi)傳聲器測試結(jié)果的一致性，如圖3所示。從圖3(a)中可以看到，在0～10 s時(shí)域內(nèi)，時(shí)域TPA合成路噪和車內(nèi)傳聲器測試路噪的時(shí)域聲壓曲線基本重合；在20～300 Hz頻段內(nèi)，時(shí)域TPA合成路噪和車內(nèi)傳聲器測試路噪的一致性較好，從而證明了TPA模型和結(jié)果的有效性，可以用于路噪聲品質(zhì)問題的排查、分析和優(yōu)化。需要說明的是，圖3(b)的頻域結(jié)果在75～100 Hz區(qū)間內(nèi)相對(duì)其他頻段存在較大的誤差，這主要是因?yàn)闇y試過程采用了時(shí)域TPA中的工況TPA方法，測試效率更高，但是會(huì)損失一部分精度。而該誤差對(duì)于圖3(a)中的兩個(gè)時(shí)域壓耳聲品質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)幾乎沒有影響。因此，在工程應(yīng)用時(shí)，建議通過前后測試多個(gè)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況，如不同車速的勻速工況、怠速工況、節(jié)氣門全開/半開加速工況等，通過多工況的相互耦合，提升工況TPA對(duì)于傳遞函數(shù)求解的精度，從而提升車內(nèi)噪聲擬合結(jié)果的精度。

圖3 某SUV車內(nèi)路噪時(shí)域和頻域曲線Fig.3 Interior time-domain and frequencydomain road noise SPL curve of an SUV

將時(shí)域TPA合成的路噪結(jié)果在聲品質(zhì)評(píng)價(jià)試驗(yàn)室內(nèi)組織主觀評(píng)價(jià)，選取了10名不同年齡、性別的評(píng)價(jià)人員，主觀評(píng)價(jià)路噪低頻壓耳感得分為6.5分，目標(biāo)7分。

3.2 基于時(shí)域TPA的問題分析

基于準(zhǔn)確的TPA結(jié)果，可以快速實(shí)現(xiàn)噪聲貢獻(xiàn)路徑的合成和分解，從而確定路噪低頻壓耳感問題的主要貢獻(xiàn)路徑。

圖4是低頻壓耳感問題的TPA分解，結(jié)合公式(1)，以35 Hz聲壓級(jí)峰值頻率為例，把組成該頻率下車內(nèi)噪聲的所有路徑進(jìn)行貢獻(xiàn)排序后，可以得到排名前3的懸架傳遞路徑分別是后副車架右前Z向、左后Z向和右后Z向，即以后副車架為主的路徑?jīng)Q定了低頻壓耳感聲品質(zhì)問題的產(chǎn)生。

圖4 低頻路噪傳遞路徑分解(35 Hz)Fig.4 Chassis transfer path decomposition of the low-frequency road noise(35 Hz)

3.3 基于CAE的問題優(yōu)化

基于鎖定的懸架傳遞路徑，通過CAE的手段可以針對(duì)性地定位到問題產(chǎn)生的本質(zhì)原因，理論上可以通過“源-路徑-響應(yīng)”三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

“源”來自于路面和輪胎的相互作用。在30～40 Hz，輪胎存在整體的滾動(dòng)模態(tài)，是引起低頻壓耳問題的激勵(lì)源。在粗糙路面的隨機(jī)載荷激勵(lì)下，輪胎滾動(dòng)模態(tài)被激發(fā)，從而在輪心處產(chǎn)生了明顯的輪心力峰值。然而，輪胎的滾動(dòng)模態(tài)往往是無法避免的，只能通過輪胎尺寸、運(yùn)動(dòng)或舒適風(fēng)格的優(yōu)化選型，在一定程度上降低滾動(dòng)模態(tài)頻率附近的輪胎力傳遞特性，但當(dāng)車輛造型和風(fēng)格確定后，在輪胎上可以調(diào)校的空間非常狹小，即“源”的大小無法進(jìn)行有效的控制。

“路徑”來自于懸架系統(tǒng)的傳遞。若在問題頻率附近存在懸架整體模態(tài)，則會(huì)放大輪心力在懸架結(jié)構(gòu)上的力傳遞；若懸架不存在整體模態(tài)，則也會(huì)被輪心力強(qiáng)迫激勵(lì)，從而在懸架和車身的連接點(diǎn)上產(chǎn)生不同幅值的力，常稱之為車身側(cè)懸架接附點(diǎn)力。圖5是引起低頻壓耳感問題的主要貢獻(xiàn)路徑的接附點(diǎn)力，發(fā)現(xiàn)在30～40 Hz頻段內(nèi)均存在力的峰值。

圖5 主要貢獻(xiàn)路徑的接附點(diǎn)力Fig.5 Attachment forces of main contribution paths

“響應(yīng)”來自于車身系統(tǒng)的噪聲敏感度，即懸架系統(tǒng)在車身側(cè)的安裝點(diǎn)在單位力的掃頻激勵(lì)下，引起的車內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)，通常稱之為噪聲傳遞函數(shù)(Noise transfer function,NTF)。如果關(guān)鍵路徑的NTF在問題頻率附近存在明顯的峰值，則會(huì)進(jìn)一步放大懸架力激勵(lì)車身引起的車內(nèi)噪聲。NTF存在峰值的原因一般有3種可能性：一是安裝點(diǎn)在問題頻率附近剛度不足，無法有效抑制懸架力的激勵(lì)；二是車身存在整體模態(tài)，帶動(dòng)了車身的共振；三是車身某些大面板結(jié)構(gòu)(如尾門、風(fēng)擋玻璃、地板等)存在模態(tài)，該模態(tài)被激發(fā)后壓迫車內(nèi)聲腔，從而形成車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)。

當(dāng)新車型開發(fā)搭載較為成熟的平臺(tái)架構(gòu)后，一般無法對(duì)“源”和“路徑”做大范圍的調(diào)整，因此本文重點(diǎn)通過“響應(yīng)”進(jìn)行低頻壓耳感問題的優(yōu)化。

由圖6(a)所示關(guān)鍵路徑的NTF可以發(fā)現(xiàn)，在30～40 Hz內(nèi)存在明顯的峰值。因此可以基本確定，在關(guān)鍵路徑的接附點(diǎn)力和NTF均存在明顯峰值的情況下，引起了本文的路噪壓耳感問題。采用面板貢獻(xiàn)量分析對(duì)NTF峰值進(jìn)行診斷，發(fā)現(xiàn)尾門的貢獻(xiàn)為41%，占了主導(dǎo)貢獻(xiàn)，如圖6(b)所示。因?yàn)槲查T在問題頻率下存在前后方向整體的拍擊模態(tài)，容易和車內(nèi)聲腔的1階前后方向整體模態(tài)進(jìn)行耦合，從而形成底盤路噪的主導(dǎo)貢獻(xiàn)。

圖6 內(nèi)飾車身噪聲敏感度問題分析Fig.6 Noise sensitivity analysis of a trimmed-body

本文研究的某SUV因采用貫穿式尾燈設(shè)計(jì)，因此尾門外板的中部設(shè)計(jì)了凹槽結(jié)構(gòu)，致使尾門的整體剛度降低，整體模態(tài)頻率下的振幅升高，從而形成了超過40%的噪聲貢獻(xiàn)。優(yōu)化方案主要針對(duì)尾門外板的弱點(diǎn)，在不改變貫穿式尾燈造型的需求下，通過增加尾門內(nèi)外板之間的連接點(diǎn)提升整體剛度，降低尾門拍擊模態(tài)下的振幅。優(yōu)化后，30～40 Hz內(nèi)的路噪峰值下降4 dB，如圖7所示。

圖7 路噪優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果Fig.7 Road noise optimal design and result

3.4 基于回放技術(shù)的主觀評(píng)價(jià)

將CAE優(yōu)化方案的效果替換到時(shí)域TPA回放模型中，組織10位專家進(jìn)行優(yōu)化前后的主觀評(píng)價(jià)，主觀評(píng)分從6.5分提升至7分，達(dá)到目標(biāo)要求。

最后，基于主觀評(píng)價(jià)后的CAE優(yōu)化方案，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)車的客觀測試和主觀評(píng)價(jià)結(jié)果與上文的仿真結(jié)論基本一致，從而在項(xiàng)目開發(fā)過程中大幅降低了試錯(cuò)的成本，提高了開發(fā)效率。

4 結(jié)論

本文針對(duì)復(fù)雜的路噪聲品質(zhì)問題，采用時(shí)域TPA方法進(jìn)行了問題的分解，并結(jié)合CAE方法開展了關(guān)鍵路徑的分析和優(yōu)化，可以為相關(guān)工程問題的解決提供技術(shù)參考。

(1)基于TPA分解技術(shù)，量化各個(gè)貢獻(xiàn)路徑的分解，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題的聚焦；

(2)通過試驗(yàn)-仿真混合的方法，充分發(fā)揮CAE在解決實(shí)車工程問題中的能力，解釋問題的本質(zhì)并提出針對(duì)性的有效方案，最終使30～40 Hz的路噪降低了約4 dB，有效改善了低頻壓耳感問題；

(3)基于本文搭建的時(shí)域TPA回放模型，在后續(xù)平臺(tái)化造車的項(xiàng)目中，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化問題的快速聚焦、仿真結(jié)果的主觀評(píng)價(jià)，大幅提高NVH開發(fā)效率。