基于传递路径分析的乘用车车内噪声数值模拟

李华良，熊卉，万攀，韦钰芳，郭钊

（1. 中国船舶重工集团公司第七一九研究所，湖北 武汉 430064；2. 武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430073）

基于传递路径分析的乘用车车内噪声数值模拟

李华良1，熊卉2，万攀2，韦钰芳2，郭钊2

（1. 中国船舶重工集团公司第七一九研究所，湖北 武汉 430064；2. 武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430073）

本文利用传递路径分析(TPA)方法对某一新型轿车进行轮胎引起的车内噪声分析，首先运用TPA方法拟合测试数据以求出路面对轮胎的轮心激励值，再将该值加载到CAE模型内进行数值模拟，计算车内噪声。数值模拟计算中发现乘用车后轴对整车噪声的贡献大于前轴，说明需要对乘用车的后轴进行改进；比较数值模拟结果与路面噪声的实际测试数据，发现分析误差可接受，完全可以反映出车辆车内噪声特性，验证了传递路径分析方法在车内噪声分析中的适用性和准确性。

车内噪声；乘用车；数值模拟；传递路径分析

CLC NO.:U467.4Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-87-04

引言

汽车车内噪声的水平是体现汽车品质的重要指标之一，为了满足客户需求，提高汽车档次并在市场竞争中占得先机，世界各大汽车厂商已经把降低车内噪声作为重要的研究方向。车内噪声主要来自于发动机、气流、车体振动、悬架系统及其他零部件等5个方面，其中轮胎已成为主要噪声源:路面对轮胎的激励力通过悬架系统传递到车身，引起车体振动，从而向车内辐射噪声[1]。在汽车设计阶段中分析预测轮胎引起的车内噪声场并改进车体声学设计，从而满足车辆噪声性能目标，对于缩短开发周期和降低开发成本具有重要意义[2]。已有车内噪声分析研究中，由于轮胎模态不能很好的在有限元中进行数值模拟，因此现有研究基本是通过测试手段分析及优化车内噪声[3,4]。鉴于此，本文从实际应用的角度，详细介绍如何利用传递路径分析（Transfer Path Analysis，简称TPA）方法将轮胎用试验载荷替代，以此进行整车路面噪声的数值模拟分析，并通过比较数值模拟模拟结果和路面噪声的实际测试数据来验证此方法的有效性。

1、传递路径分析基本理论

TPA（传递路径分析）原理[5]如图1所示，对于结构传递的噪声，每个路径的贡献等于该路径的输入点到输出点的传递函数乘以输入点上所受实际激励，各个路径的矢量和叠加到一起构成总的响应:假设一辆乘用车受m个激励力作用，每一个激励力都有x,y,z三个方向分量，每个激励力分量都对应n个传递路径，那么这个激励力分量对应的某个传递路径就产生了一个系统的相应分量。下图的公式中P为响应，H为传递函数，f为激励值。在测试过程中得到总的响应P及传递函数H后，采用逆矩阵方法即可得到激励力f。

2、实车的TPA全模型分析

本次车内噪声分析针对某一新型轿车分为测试和数值模拟两部分，其中测试又分为室内测试和室外测试。室内测试测定车辆静止不动时，4个轮胎受到力锤激励后的传递函数；室外测试测定车辆在路面上跑动时，4个轮胎的响应以及此时车内的噪声分贝。运用TPA原理拟合4个轮胎的传递函数和响应即可得到轮心受力值，将该值加载到CAE模型内计算路面噪声，通过对比模拟结果与实际测试结果验证TPA方法的正确性，并通过实车的CAE全模型分析，寻找对车内噪声起主导性的环节，通过控制这些环节，降低由路面激励产生的车内噪声。

这里之所以采用间接测试的方法，而不是以贴应变片去直接测力是因为在目前的技术和试验条件下得到的力只能应用于疲劳分析，而对于需要更高频率结果的NVH分析是不适用的[7]。

2.1 室内传递函数测试

室内测试理论上需在全消或半消声室中进行，本文中的室内测试在工厂中进行。测试时拆除试验车辆轮胎，试验车辆通过悬置部件支撑，支撑点在制动盘或制动鼓正下方位置，保证所有悬架部件的方向和导向跟整车状态时一致，以模拟整车悬架作用状，整车和悬置部件通过橡胶隔振隔绝。本测试主要是识别轮心销轴的传递函数，因此选取靠近销轴中心且刚度较大的位置粘贴4个三向加速度传感器，位置的选取如图2所示。

由于实际测试时车轮中心处不可能直接激励，因此在车轮中心周围粘贴铝块，通过测试铝块到加速度感应器的传递函数，计算车轮中心处到加速度感应器的传递函数。铝块粘贴的位置选取如图3所示。

按照上述传递函数测试方案对新型轿车进行操作，将加速度感应器测得的数据输入LMS Virtual. Lab传递路径分析软件即可得到所有铝块到各个车轮加速度感应器的传递函数，并最终简化为4个轮心到所有加速度感应器的传递函数。图4所示为轿车左前轮轮心点到16个加速度传感器的传递函数示意图。

2.2 室外响应和噪声测试

室外测试在一条长800m的粗糙道路上进行，路面情况如图5所示。汽车的行驶速度在60～70km/h之间。

为求取汽车行驶时轮胎的响应P，在4个车轮上布置三向加速度传感器，粘贴位置的选取和室内测试时相同；为测定汽车行驶时的车内的噪声分贝，在4个座椅上分别布置麦克风，麦克风位置的选取如图6所示。4个麦克风测定的车内噪声分贝曲线如图7所示，后排麦克风的噪声曲线在激励频率为104Hz和228Hz时有峰值。

2.3 TPA方法求轮心激励力

根据图1所示的TPA原理，在室内传递函数测试中已得到传递函数H，在室外响应测试中已经得到响应P，运用LMS Virtual. Lab中TPA模块的逆矩阵法即可求解路面对轮心激励力F，LMS Virtual. Lab软件可以预测和评价车身在激励力下的振动噪声响应，并能从实物试验数据中确定工作载荷，属于汽车NVH分析常用软件。图8所示为求解出的左前轮和左后轮轮心激励力，由图可看出路面对后轴的激励力明显大于前轴。

2.4 数值模拟

汽车路面噪声的数值模拟计算采用美国Altair公司的CAE应用软件包Hypermesh[8]，CAE模型是用声腔模型加TB(Trimed-body)模型建立起来的，声腔模型和TB模型如图9所示，CAE模型中包含有发动机、底盘、车身及其附件，其中底盘模型又包含车桥与前后悬架等。

将上述求解出的轮心激励力F加载到CAE模型中，可计算出乘用车中4个麦克风的噪声曲线，图9所示为加载左前轮输出的麦克风噪声曲线。拟合所有激励力的曲线即可得到最终的车内噪声曲线。

数值计算得到的整车车内噪声1/3倍频程曲线如图11所示，从图上可以看出后轴对整车噪声的贡献大于前轴，说明需要对乘用车的后轴部分进行改进。

2.5 结果对比

试验数据与数值模拟结果对比的曲线示意图和1/3倍频程曲线如图12和图13所示，数值模拟得到的路面噪声结果和实际测试结果相差不大，噪声曲线波峰和波谷对应的激励频率大致相似，部分存在少数延迟。室内测试时的测试环境未达标造成测定的传递函数H本身存在一些误差；同时室外测试时的路面不够粗糙，未能激振起车身所有的模态[9]，影响了作为检验标准的车内噪声测试数据的精确度；然而整体的分析误差仍在可接受范围之内，说明基于测试和数值模拟的混合模型完全可以实现轮胎引起的车内噪声的数值模拟分析，简化汽车车内噪声改进过程。该模型将测试-车身优化-测试的步骤简化为测试-CAE优化，对于缩短汽车开发周期和降低开发成本具有重要意义。

3、结论

本文利用传递路径分析方法对某一新型乘用车进行车内噪声数值模拟分析，发现乘用车后轴对整车噪声的贡献大于前轴，说明需要对乘用车的后轴部分进行改进。

本文将传递路径分析方法分析车内噪声的结果与车内噪声的实际测试数据进行比较，发现分析误差可接受，完全可以反映出车辆车内噪声特性，验证了该方法在路面噪声分析中的适用性和准确性。

利用传递路径分析将轮胎用试验载荷替代，进行车内噪声数值模拟的方法简化了轮胎引起的车内噪声改进流程，将测试-车身优化-测试的步骤简化为测试-CAE优化，对于缩短汽车开发周期和降低开发成本具有重要意义。

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Numerical simulation analysis on vehicle interior noise with Transfer Path Analysis

Li Hualiang1, Xiong Hui2, Wan Pan2, Wei Yufang2, Guo Zhao2
( 1.No.719 Research Institute,CSIC, Hubei Wuhan 430064; 2.School of Mechanical & Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430073 )

In this paper, the transfer analysis (TPA) was used to investigate the interior noise of a passenger car. First, the TPA method was used to fitting the test data to obtain the force value caused by the road on wheel center, and then the value was loaded into the CAE model to calculate interior noise. Numerical simulation shows that the rear axle of car contributions more noise than the front axle, rear axle needed to improvement. The CAE simulation result was compared with the actual test data of the car interior noise, the result shows that analytical error can be accepted which fully reflects the vehicle road noise characteristics and verifies the applicability and accuracy of the hybrid model in the analysis of interior noise.

car interior noise; passenger car; numerical simulation; Transfer Path Analysis

U467.4

A

1671-7988(2015)07-87-04

李华良，就职于中国船舶重工集团公司第七一九研究所。