基于時域TPA 的加速聲品質仿真和優(yōu)化*

毛 杰 陳志東 邱 毅 周昌水 張亞楠 姚再起

（1-浙江吉利控股集團有限公司汽車工程學院 浙江 杭州 310000 2-吉利汽車研究開發(fā)（寧波）有限公司 3-浙江大學能源工程學系）

引言

寬泛地講，整車結構NVH 問題可以大致分為動力和底盤NVH 兩大類。其中，動力NVH 問題因工況復雜（怠速、加速、滑行、啟動/熄火等）、問題頻段寬（怠速低頻抖動、加速低頻轟鳴、滑行高頻嘯叫、啟動低頻沖擊等），對內(nèi)燃機車型的整車NVH 開發(fā)帶來了很大的挑戰(zhàn)。

在動力總成運行工況引起的整車振動和噪聲仿真開發(fā)方面，王偉東等[1]基于CAE 預測了四缸發(fā)動機氣體力激勵和慣性力激勵下的怠速工況座椅振動，結合傳遞路徑分析提出了懸置支架優(yōu)化方案，使振動性能達到設計目標。馮擎峰等[2]搭建整車有限元仿真模型，預測了節(jié)氣門全開工況下的車內(nèi)噪聲，并準確地復現(xiàn)了3 300～3 700 r/min 實車加速轟鳴問題。石代云等[3]基于搭建了發(fā)動機與懸置系統(tǒng)多體動力學仿真模型，研究了不同懸置系統(tǒng)對整車啟動性能的影響，發(fā)現(xiàn)當懸置系統(tǒng)的彈性軸與扭矩軸之間的距離減小時，車內(nèi)振動會明顯減小。

目前，在動力總成引起的整車結構振動和噪聲的開發(fā)方面，工程師可以通過成熟的CAE 方法開展仿真分析和優(yōu)化。然而，在整車聲品質的開發(fā)方面，業(yè)內(nèi)主要依賴于測試手段[4-5]，這也意味著動力總成引起的整車聲品質問題[6]需要樣車出來后才能評價，可能造成開發(fā)周期的延長、設計變更成本的上升、人力投入的增加等問題。

在上述背景下，本文基于時域傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，TPA）方法，搭建了某轎車的整車仿真—測試混合TPA 模型，可以實現(xiàn)噪聲的回放、編輯、以及仿真方案的效果評價。

1 時域TPA 理論

傳遞路徑分析（TPA）目前已廣泛應用于汽車NVH的開發(fā)工作中[7-8]，對于識別振動或噪聲問題的關鍵路徑、提出針對性的優(yōu)化方向，具有直接且有效的作用。

常見的TPA 分為頻域和時域兩種。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量，最后疊加所有結構聲和空氣聲貢獻路徑得到車內(nèi)總噪聲。

而時域TPA 用工作載荷的時域時間與傳遞函數(shù)的逆FFT 做卷積，得到該條路徑的時域貢獻量。

時域TPA 方法在汽車NVH 開發(fā)中具有廣泛的應用價值，比如：

1）內(nèi)燃機車型的啟動/熄火是一個瞬態(tài)工況，適合從時域上進行分析和優(yōu)化；

2）聲音的回放功能可以有效減少實車調教過程中的“試錯”次數(shù)，提高開發(fā)效率，同樣需要適合從時域上進行結構聲和空氣聲的分析和優(yōu)化。

2 加速聲品質問題描述

在發(fā)動機加速過程中，通常會出現(xiàn)兩類噪聲問題，分別是加速轟鳴問題和加速聲品質問題。

2.1 加速轟鳴問題

加速轟鳴問題普遍存在于三缸機和四缸機的傳統(tǒng)動力配置車型中，一般由其點火主階次噪聲成分超標引起，如三缸機的1.5 階和四缸機的2 階噪聲。在眾多轟鳴問題中，發(fā)動機節(jié)氣門全開（Wide-Open Throttle，WOT）轟鳴由于工況惡劣、激勵大，是整車開發(fā)過程中最易出現(xiàn)且最難解決的NVH 問題之一[2]。但由于主階次轟鳴問題通常出現(xiàn)在200 Hz 以內(nèi)，依靠業(yè)內(nèi)比較成熟的整車有限元仿真方法，已經(jīng)可以準確通過CAE 手段進行復現(xiàn)和優(yōu)化，如懸置襯套動剛度優(yōu)化、懸置支架被動側NTF 優(yōu)化等，控制傳遞路徑和車身靈敏度有效降低轟鳴。因此，相關工作不在本文中贅述。

2.2 加速聲品質問題

近年來，隨著發(fā)動機本體輻射噪聲的持續(xù)降低以及200 Hz 以內(nèi)的車內(nèi)轟鳴問題的有效改善，在缺少相關噪聲的掩蔽效應后，一些中高頻段的動力總成噪聲問題逐步突顯了出來，其噪聲特性給駕駛員或乘客帶來一種“雜音”、“不好聽”的主觀感覺，本文統(tǒng)一稱之為加速聲品質問題。

加速聲品質問題一般因為部分零部件在中高頻段產(chǎn)生共振進而放大了激勵或傳遞路徑。在問題頻段內(nèi)，動力總成、懸置、車身等“來源-路徑-響應”系統(tǒng)均存在引起加速聲品質問題的元素，比如在300～500 Hz 甚至更高的頻段內(nèi)：

1）在來源上，發(fā)動機和變速箱的裝配一致性、點火角對燃燒特性的影響等會導致中高頻段的載荷擾動大，又因該頻段內(nèi)存在曲軸軸系的模態(tài)、動力總成的模態(tài)等，進而在相關模態(tài)頻率下形成較大的激勵。

2）在路徑上，若懸置的主被動側支架設計不合理，同樣會在問題頻段內(nèi)出現(xiàn)支架的整體模態(tài)，進而引起路徑的共振并放大激勵的傳遞。另外，與低頻段轟鳴問題不一樣的是，加速聲品質問題還會通過機艙的管路（如空調管路）的高頻振動進行傳遞，控制難度也會加大。

3）在響應上，無論是懸置還是管路路徑，因300 Hz以上車身存在大量的局部模態(tài)，因此通過車身鈑金結構進行加速聲品質的控制是一項難度非常大的工作，因此本文主要推薦前兩種途徑。

從以上描述中可以看到，加速聲品質是對傳統(tǒng)動力總成NVH 性能的更高要求，而且因其路徑多、頻段寬，單純依靠CAE 的手段很難準確地復現(xiàn)問題并優(yōu)化。比如，在整車有限元模型中，業(yè)內(nèi)普遍的仿真方法無法考慮動力總成到管路的傳遞路徑。

3 加速聲品質仿真和優(yōu)化

基于加速聲品質的開發(fā)需求以及CAE 方法在該問題中的技術瓶頸，本文首先采用時域TPA 方法對某四缸機轎車的加速聲品質問題進行復現(xiàn)，鎖定關鍵貢獻路徑和問題頻段，接著采用CAE 方法對特定頻段的子系統(tǒng)進行優(yōu)化。

3.1 基于時域TPA 的問題復現(xiàn)

某車型搭載渦輪增壓四缸汽油機后，在3 擋全油門工況下存在加速聲品質問題，主觀“雜音感”較強。該工況下通過車內(nèi)駕駛員耳旁傳聲器直接測得的車內(nèi)噪聲結果如圖1 所示，其中橫坐標是頻率，縱坐標是轉速。從圖中可以看到，隨著縱坐標轉速的上升，在橫坐標500～650 Hz 頻段內(nèi)一直存在共振帶，即本文關注的加速聲品質問題。

圖1 車內(nèi)噪聲瀑布圖：車內(nèi)傳聲器測試結果

此時，因粗糙聲激勵特性和傳遞路徑較為復雜，若不借助于有效的問題診斷手段，只能在實車上通過試錯的方式進行問題排查，效率低且成本高。因此，本文采用時域TPA 方法進行加速粗糙聲的診斷分析。加速聲品質問題的排查主要分為結構聲和空氣聲兩大類，其中：

1）結構聲是指動力總成和底盤結構傳遞的噪聲成分，主要包括動力總成懸置、懸架轉向節(jié)（輪心）、管路等結構傳遞路徑。

2）空氣聲是指通過發(fā)動機艙內(nèi)聲場和車外空氣聲場傳遞的噪聲成分，主要包括進排氣口、發(fā)動機近場、變速箱近場等空氣傳遞路徑。其中，風噪和胎噪因與此加速共振帶問題不相關，且在光滑轉鼓半消聲室內(nèi)相關問題也不突出，為了減少排查工作量，本文忽略它們對加速聲品質問題的貢獻。

為了確保時域TPA 分析的準確性，需要對比車內(nèi)傳聲器測試結果和TPA 多路徑的合成結果，如圖1 和圖3 所示。從圖中可以看到，圖3 的時域TPA 合成結果和圖1 的車內(nèi)傳聲器測試結果相比，無論是低頻段的階次特性，還是中高頻段共振帶引起的加速聲品質特性，兩者都高度一致，從而證明了TPA 模型和結果的有效性，可以用于加速聲品質問題的排查、分析和優(yōu)化。

圖3 車內(nèi)噪聲瀑布圖：時域TPA 合成結果

3.2 多級TPA 問題分析

基于準確的TPA 結果，可以快速實現(xiàn)噪聲貢獻路徑的合成和分解，從而確定加速聲品質問題的主要貢獻路徑。

如圖4 所示是加速聲品質問題的第一級TPA 分解，即結構聲和空氣聲的貢獻量。從圖中可以看到，加速聲品質問題主要通過結構聲路徑傳遞到車內(nèi)，空氣聲的貢獻主要體現(xiàn)在低頻段（本文主要指向進排氣的階次噪聲）。因此，某個結構傳遞路徑中存在模態(tài)，引起共振現(xiàn)象的產(chǎn)生并對動力總成的激勵造成了進一步的放大，接下去需要鎖定結構傳遞主路徑。

圖4 加速聲品質TPA 分解：結構聲和空氣聲貢獻

如圖5 所示是加速聲品質問題的第二級TPA 分解，即由動力總成懸置、懸架、機艙管路組成的結構聲主要貢獻路徑。本文因篇幅不再一一羅列各個路徑、各個方向的瀑布圖，最終確定結構聲成分中，對500～650 Hz 共振帶起主導作用的是右懸置的X 向，說明在車輛急加速過程中，因動力總成存在向后傾倒的現(xiàn)象，導致右懸置襯套出現(xiàn)X 向擠壓，進而通過懸置支架共振或強迫振動傳遞到車內(nèi)引起加速聲品質問題。

圖5 結構聲主路徑：右懸置X 向（優(yōu)化前）

3.3 基于CAE 的問題優(yōu)化

對于右懸置X 向結構聲貢獻路徑，理論上可以通過“來源-路徑-響應”三個方面進行優(yōu)化。但由于實車階段，“來源”的優(yōu)化涉及動力總成模態(tài)、軸系模態(tài)、裝配間隙等改進，將會造成動力總成的設計變更，對于一款成熟的動力總成而言并不是一項首選的工作；“路徑”的優(yōu)化主要針對懸置襯套的隔振性能改進，一般需要降低襯套的動剛度以提升隔振性能，對于啟動熄火、怠速等工況的NVH 性能以及高速行駛工況的車輛動力學性能均會造成影響，同樣不建議作為優(yōu)化工作的首選；因此，“響應”的優(yōu)化成為了實車階段改進的重點。

如圖6 所示是加速聲品質問題的第三級TPA 分解，即形成右懸置X 向結構聲“X 向激勵×X 向噪聲傳遞函數(shù)”中的X 向噪聲傳遞函數(shù)。從圖6a 中可以看到，右懸置的X 向噪聲傳遞函數(shù)在500～650 Hz 頻段內(nèi)存在明顯的峰值，從而使車內(nèi)噪聲出現(xiàn)了明顯的共振帶。通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，在問題頻段內(nèi)，右懸置被動側支架存在柔性變形模態(tài)，如圖6b 所示。

圖6 右懸置被動側支架X 向噪聲傳遞函數(shù)和模態(tài)

在項目開發(fā)后期的實車調校階段，因涉及到模具變更導致的周期延長和費用增加等問題，可以快速地通過吸振器等補救措施進行實車問題的解決。本文主要通過CAE 改變支架的模態(tài)、降低噪聲傳遞函數(shù)的幅值，優(yōu)化效果如圖7 所示。從圖中可以看到，優(yōu)化方案使噪聲傳遞函數(shù)下降了5～10 dB，共振帶引起的加速聲品質問題也得到了有效的改善（對比圖5），并且實車驗證后的主觀評價也得到了一致的效果。

圖7 右懸置被動側支架優(yōu)化效果

4 結論

本文針對復雜的加速聲品質問題，采用時域TPA 方法進行了問題的分解，并結合CAE 方法開展了關鍵路徑的分析和優(yōu)化，可以為相關工程問題的解決提供技術參考。

1）基于TPA 技術多級分解技術，量化各個貢獻路徑的分解，實現(xiàn)復雜問題的聚焦。

2）通過試驗-仿真混合的方法，充分發(fā)揮CAE在解決實車工程問題中的能力，解釋問題的本質并提出針對性的有效方案，最終使關鍵路徑噪聲傳遞函數(shù)下降5～10 dB，有效改善了加速聲品質問題。