基于隨機相位的車內(nèi)噪聲預測與目標分解

郝耀東 鄧江華 顧燦松 李洪亮 董俊紅

（1.天津大學，天津 300072；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300399）

1 前言

車內(nèi)噪聲分析是整車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise,Vibration,Harshness，NVH）開發(fā)過程中最重要和有挑戰(zhàn)性的課題之一。精確的車內(nèi)噪聲分析方法可以幫助設(shè)計人員有效地預測車輛在各工況下的NVH水平，并提出工程解決方案。目前，車內(nèi)噪聲分析的方法主要包括統(tǒng)計能量分析法[1]、模態(tài)綜合法[2]、傳遞路徑分析法[3]等。其中，傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，TPA）因其精確性和便捷性得到了最廣泛的應(yīng)用[4-6]。

王萬英等人[7]建立了輪胎噪聲結(jié)構(gòu)傳遞路徑分析模型，得到車內(nèi)目標點由結(jié)構(gòu)傳遞的合成聲，與實測聲壓有較好的吻合。張義民等人[8]采用路徑靈敏度作為度量準則，提出振動傳遞路徑參數(shù)貢獻度的計算途徑，并給出了理想的數(shù)值分析結(jié)果。但是，TPA需要激勵力和傳遞函數(shù)作為輸入，而在車輛開發(fā)過程中，只有開發(fā)末期才能得到完整的激勵力和傳遞函數(shù)數(shù)據(jù)。

目標分解也是整車NVH 開發(fā)的難點之一。但現(xiàn)有的目標分解方法絕大多數(shù)應(yīng)用在電子工程領(lǐng)域[9-11]，汽車NVH 開發(fā)中的目標分解絕大部分依賴于對標方法[12]。但是，對標車型的結(jié)構(gòu)與開發(fā)車型存在較大不同，同時，對標車型的目標分解并不是最優(yōu)分解。

為在車輛開發(fā)初期預測車內(nèi)的噪聲水平，以及解決車輛NVH 開發(fā)過程中的目標分解問題，本文提出基于傳遞路徑的車內(nèi)噪聲預測方法和目標分解方法。首先將整車級目標分配至每一條傳遞路徑，再制定傳遞函數(shù)和激勵力目標，保證目標分解的快捷性和合理性。

2 傳遞路徑分析

假設(shè)在車輛行駛過程中，車身受到的激勵力數(shù)量（路徑數(shù)量）為n，每個激勵力具有x、y、z3 個方向分量，如圖1 所示。激勵力作用的位置稱為車身關(guān)鍵硬點。在線性時不變的假設(shè)條件下，車內(nèi)目標點的聲壓水平p為各激勵力沿不同傳遞路徑傳播到該點聲壓的總和：

式中，Hij為第i個激勵力、第j個方向分量到車內(nèi)目標點的傳遞函數(shù)；Fij為第i個激勵力、第j個方向分量的激勵；ω為圓頻率；j=1,2,3分別為x、y、z3個方向。

圖1 傳遞路徑示意

由式（1）可知，傳遞函數(shù)和激勵力決定車內(nèi)噪聲的聲壓水平。噪聲傳遞函數(shù)可以通過直接頻響法或模態(tài)頻響法在仿真模型中計算得到，也可以通過試驗直接獲??；激勵力的求解方法主要包括直接測量法、逆矩陣法等。

傳遞路徑分析不僅可以計算車內(nèi)噪聲，還可以識別各路徑對車內(nèi)噪聲的貢獻水平，從而找出關(guān)鍵的路徑，便于進一步優(yōu)化改進。

3 基于傳遞路徑的車內(nèi)噪聲預測

噪聲傳遞函數(shù)是評價車身NVH 性能的主要指標，激勵力是評價底盤和動力總成NVH 性能的主要指標。而由于車身、動力總成與底盤開發(fā)不同步，需要設(shè)定傳遞函數(shù)目標或激勵力目標預測車內(nèi)噪聲水平。

假設(shè)車身關(guān)鍵硬點激勵力Fij已知，設(shè)定車身噪聲傳遞函數(shù)目標h（所有傳遞函數(shù)在所有頻段均需滿足的峰值目標），則此時車內(nèi)噪聲峰值可以表示為：

式（2）忽略了各傳遞路徑分量的相位差，因此，需要進行修正：

式中，w1為比例因子，是n的函數(shù)。

本文在不同車型、工況和不同傳遞路徑數(shù)量條件下，實測了11 款車型的傳遞函數(shù)峰值和噪聲峰值。根據(jù)實測結(jié)果計算比例因子w1，結(jié)果如表1 所示。其中，3WOT 和4WOT 分別為3 擋全油門和4 擋全油門工況。由表1 可知，當w1=n時，預測的噪聲結(jié)果具有較高的精度。

表1 比例因子w1計算結(jié)果

采用相同的方法在已知傳遞函數(shù)的情況下預估車內(nèi)噪聲，其計算公式為：

采用相同方法計算w2，即在不同車型、工況和不同傳遞路徑數(shù)量的條件下，測量激勵力和噪聲峰值，計算結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，當w2=1.5n時，預測的噪聲結(jié)果具有較高的精度。

表2 比例因子w2計算結(jié)果

綜上，可以采用式（3）及式（4）在開發(fā)前期進行車內(nèi)噪聲的預測，其中比例因子w1=n，w2=1.5n。

4 基于傳遞路徑的車內(nèi)噪聲目標分解

在已知各硬點激勵力的前提下，根據(jù)整車目標制定車身噪聲傳遞函數(shù)目標，其計算公式為：

同理，在已知車身噪聲傳遞函數(shù)的條件下，根據(jù)整車目標制定激勵力目標的計算公式為：

5 軟件編制及算例

5.1 軟件編制

基于上述理論，本文基于MATLAB 開發(fā)了“傳遞路徑分析與綜合”軟件，實現(xiàn)了傳遞路徑分析、車內(nèi)噪聲預測和目標分解功能。軟件分為5 個模塊，各模塊輸入、輸出數(shù)據(jù)和功能如表3所示，軟件界面如圖2所示。

圖2 軟件界面

5.2 傳遞路徑分析算例

以某前置前驅(qū)MPV 車型4 擋全油門工況為例測試軟件的傳遞路徑分析功能，并以Altair 公司某商業(yè)軟件的計算結(jié)果作為對比。

該車型采用測試方法獲取激勵力文件，采用仿真方法獲取噪聲傳遞函數(shù)文件。開發(fā)軟件計算的噪聲與商業(yè)軟件計算的噪聲結(jié)果對比如圖3所示。

圖3 TPA車內(nèi)噪聲計算結(jié)果

由圖3 可知，自編軟件的噪聲計算結(jié)果與商業(yè)軟件基本相同，微小差別是由于軟件插值的方式不同引起的。

本文編寫的軟件還可以自動輸出貢獻量最大的10條路徑的貢獻量、傳遞路徑峰值及激勵力峰值，68 Hz的分析結(jié)果如圖4 所示。軟件自動輸出關(guān)鍵傳遞路徑編號對應(yīng)的傳遞路徑如表4所示。

圖4 傳遞路徑貢獻量

表4 關(guān)鍵傳遞路徑編號

5.3 車內(nèi)噪聲預測算例

以某前置后驅(qū)SUV 車型為例測試軟件的噪聲預測功能。采用逆矩陣法分別計算3WOT 激勵力、4WOT 激勵力的頻譜曲線，分別計算車身傳遞函數(shù)目標峰值為60 dB、65 dB、70 dB 情況下駕駛員耳邊噪聲預測值，結(jié)果如表5所示。

表5 某SUV噪聲預測結(jié)果 dB

該車型實際傳遞函數(shù)峰值為67 dB，3WOT 和4WOT 工況下二階噪聲峰值分別為75.2 dB 和76.8 dB，與實際結(jié)果差值在1.5 dB以內(nèi)，說明該軟件可以在開發(fā)前期有效預測各工況的噪聲峰值。

5.4 目標分解算例

某前置前驅(qū)MPV 車型在4WOT 工況下的關(guān)鍵硬點如圖5所示。其中每個發(fā)動機懸置安裝點包括x、y、z方向3條傳遞路徑，排氣系統(tǒng)吊點只考慮z方向，故每個點只有1條傳遞路徑，整個系統(tǒng)共包括15條傳遞路徑。

圖5 車身關(guān)鍵硬點

采用新型傳遞路徑分析（Operational-X Transfer Path Analysis，OPAX）方法[13]計算各條路徑的二階激勵力，部分激勵力頻譜曲線如圖6所示。

將激勵力頻譜曲線輸入軟件中，制定車內(nèi)噪聲目標為68 dB，軟件自動輸出各關(guān)鍵硬點各方向的噪聲傳遞函數(shù)目標如表6所示。

圖6 關(guān)鍵硬點激勵力

由表6 可知，軟件將噪聲目標分配至各條傳遞函數(shù)上，對比表6 和圖6 可知，激勵力較大的傳遞路徑具有較低的傳遞函數(shù)目標值，反之則具有較高的傳遞函數(shù)目標值。

6 結(jié)束語

本文在傳遞路徑分析的基礎(chǔ)上，提出一種車內(nèi)噪聲預測和目標分解方法，并采用該方法編制了傳遞路徑分析與綜合軟件?；趥鬟f路徑的車內(nèi)噪聲預測方法可以在車輛開發(fā)前期預測車內(nèi)噪聲，判斷車輛的NVH 水平?；趥鬟f路徑的目標分解方法克服了傳統(tǒng)對標方法的缺點，實現(xiàn)了激勵力和噪聲傳遞函數(shù)目標的合理和快捷分解。編寫的軟件實現(xiàn)了傳遞路徑分析、車內(nèi)噪聲預測和目標分解功能，算例結(jié)果表明，該軟件可以準確、有效地進行車內(nèi)噪聲的計算、預測和目標分解。