传递路径分析在车内噪声优化中的应用

彭洁 任增杰 方华

传递路径分析在车内噪声优化中的应用

彭洁 任增杰 方华

（北京汽车集团越野车研究院）

为实现对某款越野车车内噪声性能进行前期预测和优化，运用Altair公司HyperWorks软件NVH-Director模块搭建了“整备车身+整备车架”分析模型。通过传递路径贡献量分析找到影响车内噪声的关键路径，并结合模态贡献量分析识别出车身顶棚为关键影响部位。以整备车身结构作为优化对象制定优化方案，优化后车内噪声比优化前降低了约6 dB（A），达到优化目标。

1 前言

汽车车内噪声特性是汽车乘坐舒适性的重要评价指标之一。在进行汽车NVH问题的分析与改进过程中,如果能准确判断出各主要激励源和传递路径的贡献量,并对贡献量大的位置进行改进优化,则能够大幅提高汽车开发效率。传递路径分析方法能够准确判断各路径输入的激励能量在整个问题中所占的比例，找出传递路径上对车内噪声起主导作用的环节，通过控制主要环节参数（激励源大小、路径的声学灵敏度等）在合理的范围内，可使车内噪声控制在预定的目标值内【1】。

与具有承载式车身的车型相比，越野车因具有“非承载式车身+车架”结构，其车内噪声的控制路径更为复杂。为此，本文针对某越野汽车的NVH性能开发，在设计阶段运用Altair公司HyperWorks软件NVH-Direc⁃tor模块搭建分析模型，通过传递路径分析识别出影响车内噪声的关键路径和关键部件位置并进行结构优化，从而实现对车内噪声的前期预测和控制。

2 车内噪声传递路径分析

2.1 传递路径分析原理

车内结构噪声主要是低频噪声，其产生的原理是振动源将振动传递至车身引起车身壁板的振动，进而产生噪声声波，并通过车内空气传递到人耳【2】。传递路径分析是一种分解方式，即在激励源施加的载荷作为输入的情况下，将车内乘员耳旁噪声作为输出的整体响应分解为每个接附点位置的局部贡献。

各输入与输出的传递函数【3】为：

式中，H(ω)为传递函数，又称声学灵敏度；P(ω)为输出点（车内乘员耳旁噪声）声压级，参考声压为20×10-6Pa/N，可做A计权；F(ω)为输入点激励力。

对整体响应的局部贡献由通过每个连接点的传递力乘以相应的传递函数得到【3】：

式中，Pi(ω)为第i条路径所产生的输出点声压级；Fi(ω)为第i条路径所对应的输入点激励力；Hi(ω)为第i条路径所对应的输入与输出的传递函数。

贡献量分析是将每条传递路径对整体车内噪声的影响程度进行排序，通过识别出关键路径以指导后期优化。

2.2 传递路径分析模型建立

针对某款越野车的车内噪声分析结果和优化目标，建立“发动机激励-整备车架-整备车身-驾驶员耳旁噪声”传递路径分析模型，如图1所示。其中，发动机质心通过动力总成悬置与整备车架连接，整备车架通过4对车身悬置（图1中黑色圆点位置）与整备车身连接。动力总成悬置和车身悬置采用BUSH单元，并赋以相应的动刚度值。

分析模型前处理采用Hypermesh软件进行有限元网格划分，共建立1 855 553个单元、1 704 346个节点；车身板件材料为钢，其弹性模量取为206 800 MPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。

通常整车激励源主要来自发动机和地面，本文主要分析怠速工况，所以不考虑地面激励。边界条件为在发动机质心位置输入单位扭矩（1 N·mm）正弦激励，以实现各频率都有激励能量。

应用NVH-Director软件模块对车内噪声进行响应分析和传递路径分析，分析频率范围为100 Hz内低频区域。

2.3 传递路径分析

因车身结构的声学灵敏度（各车身悬置与车身侧连接点到驾驶员耳旁噪声的传递函数）是由其自身结构所决定的，所以主要以整备车身结构作为优化对象，通过对比相同激励下的车内噪声响应变化来验证车身结构优化效果，主要从车内噪声响应、传递路径、激励源三方面进行分析【5】。

2.3.1 车内噪声响应分析

经计算，车内驾驶员耳旁噪声响应如图2所示。

由图2可看出，在频率为23 Hz处驾驶员耳旁噪声峰值明显。因该越野车配置四缸发动机，怠速2阶激励频率为23.3 Hz（怠速转速为700±50 r/min），车内噪声响应峰值对应的频率（23 Hz）与发动机激励频率（23.3 Hz）接近，存在共振风险，故作为优化频率。

2.3.2 传递路径分析

本文以整备车身结构作为优化对象，整备车架结构保持不变。为识别各车身悬置与车身侧连接点到驾驶员耳旁的各传递路径对怠速车内噪声的影响程度，进行了传递路径贡献量计算。各传递路径贡献量分布如图3所示，主要传递路径贡献量（10%以上）统计结果如表1所列。

表1 主要传递路径贡献量（10%以上）

由表1可知，影响23 Hz频率响应的主要传递路径贡献量由大到小的排序为第4车身悬置、第3车身悬置、第1车身悬置。

2.3.3 激励源分析

当整备车身结构传递性能不变时，减少对整备车身的激励源输入也是降低车内噪声的一个重要方面。对整备车身而言，其激励源主要来自车身悬置与整备车身侧连接点处的输入力，该输入力计算结果如图4所示。

由图4可看出，在频率为20～200 Hz范围内，车身第2悬置（左、右）、车身第3悬置（右）的车身侧连接点在23 Hz时对整备车身的输入力较大，存在明显峰值。

因动力总成将动力传递到整备车架，再由整备车架通过车身悬置传递到整备车身，所以车身悬置的隔振量水平直接影响到整备车身输入力大小，其主要由车身悬置与车身侧连接点处动刚度和车身悬置本身的动刚度所决定。所以，要减小对整备车身的输入力，需要提高车身悬置的隔振量，即必须对车身悬置与车身侧连接点动刚度和车身悬置本身的动刚度进行控制。经计算车身悬置与车身侧各连接点处平均动刚度水平均满足设计要求，所以要提高车身悬置的隔振量可通过降低车身悬置本身的动刚度来实现。

综合车身悬置与车身侧连接点传递路径贡献量排序和输入力分布，可对车内噪声进行如下2方面的优化：

a.第4车身悬置传递贡献量最大，又因其载荷力输入较小、连接点处动刚度满足设计要求，所以可通过优化车身结构来降低车内噪声；

b.调整第2车身悬置和第3车身悬置本身的动刚度来衰减车架向整备车身的输入力，从而降低车内噪声响应。

2.4 模态贡献量计算

为进一步识别车身结构对车内噪声响应（23 Hz）的影响，进行了模态贡献量分析，以找到影响车内噪声的关键模态和部位，模态贡献量计算结果如图5和表2所示。

表2 模态贡献量

由上述分析可知，影响车内噪声响应（23 Hz）的主要模态为第37阶（22.23 Hz），经模态识别，其振型为顶棚局部模态，如图6所示。因模态分析模型为“整备车身+整备车架”模型，所以模态结果除包含车身、车架的整体模态外，还包括车身内及车架上各子系统的刚体模态和局部模态。

3 优化方案制定

3.1 车身结构优化

通过模态贡献量排查可知，车身顶棚是对23 Hz频率响应影响的关键位置，需要对其进行结构优化。优化方案为将顶棚3根横梁结构筋横向加宽和纵向加深各10 mm，同时增大横梁与车身纵梁接头连接处的接触面积，避免出现尖角搭接，如图7所示。

3.2 车身悬置动刚度优化

在车身结构优化方案的基础上，调整第2车身悬置和第3车身悬置本身动刚度，分别将Z向动刚度减少20%，以通过增加车身悬置的隔振量来衰减传递到车身悬置与车身侧连接点的输入力，从而降低车内噪声。

4 优化方案验证

应用NVH-Director对车身结构优化后的模型进行传递路径贡献量计算，计算结果表明，驾驶员耳旁噪声响应降低了6.05 dB（A），达到了预期的优化目标，如图8所示；传递函数下降了9.76 dB/N，如图9所示。

从减小对整备车身输入力的角度出发，针对车身悬置动刚度优化方案，在优化顶棚的基础上再分别降低第2车身悬置、第3车身悬置本身的Z向动刚度，车身悬置动刚度调整后驾驶员耳旁噪声对比曲线如图10所示。

由图10可看出，改变车身悬置与车身侧连接点输入力后，驾驶员耳旁噪声变化不明显。由此可知，优化顶棚结构的方案对车内噪声改善效果最明显。

5 结束语

本文针对某越野车，应用NVH-Director软件模块搭建了“发动机激励-整备车架-整备车身-驾驶员耳旁噪声”传递路径分析模型，对车内噪声响应进行了预测，并运用传递路径贡献量分析、模态贡献量分析等方法找到影响车内噪声的关键路径和关键位置，确定了优化目标。通过结构优化使车内噪声比改进前降低了6 dB（A），达到了很好的降噪效果。

1 刘东明，项党，罗清，等.传递路径分析技术在车内噪声与振动研究与分析中的应用.噪声与振动控制,2007（4）:73～77.

2 何渝生.汽车噪声控制.北京:机械工业出版社,1999.

3 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动--理论与应用.北京:北京理工大学出版社,2006.

4 赵彤航.基于传递路径分析的汽车车内噪声识别与控制：[学位论文].上海：同济大学,2008.

5 余琪，周鋐.传递路径分析用于车内噪声贡献量的研究.汽车技术，2010（4）:16～19.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2015年4月29日。

Application of Transfer Path Analysis in Vehicle Interior Noise Optimization

Peng Jie,Ren Zengjie,Fang Hua
（BAIC GROUP OFF-ROAD VEHICLE R&D INSTITUTE）

To predict and optimize interior noise performance of an off-road vehicle,an analysis model of trimmed body and trimmed frame is built with module NVH-Director of software Altair HyperWorks.The main transfer path of vehicle interior noise is found through transfer path contribution analysis,and the roof of the vehicle is identified to be the critical influential component with the method of mode contribution analysis.Finally,optimization plan is developed with the trimmed body structure as the optimization objective.After optimization,the interior noise of the vehicle is reduced by 6 dB(A),and the optimization target is achieved.

Interior noise,Transfer path,Structure optimization

车内噪声 传递路径 结构优化

U467.4+93

A

1000-3703（2015）05-0025-04