应用TPA法的路面结构噪声诊断及控制

刘博伦，孔传旭

(1.河北工业大学 机械工程学院， 天津 300130；2.中国汽车技术研究中心，汽车工程研究院， 天津 300300)

应用TPA法的路面结构噪声诊断及控制

刘博伦1，孔传旭2

(1.河北工业大学 机械工程学院， 天津 300130；2.中国汽车技术研究中心，汽车工程研究院， 天津 300300)

介绍了传递路径分析和工况传递路径分析的基本理论，建立了路面噪声传递模型，并运用传递路径模型找到具体的问题源。在监测振动源主被动端振动加速度及其传递路径的基础上进行了道路试验。运用传递路径分析方法得到的结果表明：在250 Hz以下拟合得到的声音与实测声压基本吻合，进而验证了传递路径模型的准确性。应用该模型缩小了传递路径的查找范围，并准确得出了人耳噪声在100～250 Hz的各传递路径的贡献量。

路面噪声；工况传递路径；传递路径

在进行汽车NVH问题的分析时，对声源及其通过结构或空气传播路径的识别直接关系到问题的解决是否合理高效[1-5]。传递路径分析作为NVH分析的有效手段已被大多数工程师认可，它不仅能识别出引起噪声的主要声源，还能将整车的NVH目标分解到各个子部件，并能对设计的改进结果进行快速评估[6-12]。

作为传递路径分析的经典方法，实践证明TPA对于复杂结构的声振特性分析及噪声振动问题的解决十分有效。然而，整个 TPA模型的建立需要大量的工作，耗时耗力，并且试验过程中拆除了发动机等声源造成边界条件错误。

基于以上原因产生了一种更简单快捷的方法：工况传递路径分析。该方法仅需测得实际工况下声源处和目标点处的响应就能表征各条路径。本文主要运用工况传递路径分析方法，精确缩小噪声源范围，简化试验过程，大幅节省人力、物力和时间。此外，还运用传递路径方法找到对车内噪声起主导作用的零部件，并进行改进，以降低车内噪声，同时为乘用车路面结构噪声的研究提供一种思路。

1 基本原理

1.1 运行工况传递路径分析的基本原理

在线性系统的假设基础上，系统响应可以表示为各传递路径贡献量的叠加：

(1)

式中：Fi为激励力，表示振动源作用到机械系统上的结构载荷；Qj为体积加速度，表示由声源作用在机械系统上的声载荷；Hik、Hjk表示激励力i或声源j到响应点k的频响函数。目标点的响应由结构贡献和空气贡献叠加而成。由于本文研究的是结构噪声，因此式(1)可化简为

(2)

1.2 传递路径分析

1.2.1 传递路径分析基本原理

在传递路径模型中，目标点响应可表示为

(3)

其中：Fi为激励力，表示由振动源作用在机械系统上的结构载荷；Qj为体积加速度，表示由声源作用在机械系统上的声载荷；Hik、Hjk表示激励力i或声源j到响应点k的频响函数。本文研究的为路噪结构声，目标点的响应仅由结构声组成，因此式(3)化简为

(4)

1.2.2 耦合激励力和频响函数

传递路径分析方法最重要的步骤是得到准确的激励力Fi、Qj及传递函数FRFs。传递函数FRFs通常是通过力锤和标准声源作为已知激励，再测量目标点处的响应得到。对于激励力的获得，通常有3种方法：① 直接通过力传感器测得，这种方法虽然简单，但受到传感器安装空间和表面的限制；② 悬置动刚度法，即通过将悬置的动刚度乘以其变形量实现载荷识别，这种方法常由于准确的悬置动刚度数据较难获得而不被采用；③ 被广泛应用的逆矩阵法，由被动侧指示点响应乘以传递函数矩阵H的伪逆得到载荷力：

(5)

其中:Hij为传递函数矩阵，表示激励力i到被动侧指示点j的传递函数，Hij和传递函数的测量方法一样；aj表示激励源附近的被动侧指示点在运转工况下的响应。

2 路面噪声的结构声传递路径分析

2.1 传递路径分析

噪声振动源对车内的传递通过2种路径：空气传递噪声是由路面与轮胎之间的相互摩擦产生的辐射噪声通过空气传递到车内人耳处；结构传递噪声是路面激励导致车轮跳动并产生激励力，激励力通过车身的减震器、减震弹簧和摇臂铰接点传递到车身，从而引起车身各板壁的振动并向车内辐射噪声。路面噪声传递系统如图1所示。将其归纳总结可发现：路径传递方式均为“源—路径—人耳”。

图1 路面噪声传递系统

2.2 模型结构

轮胎结构噪声的传递路径较多且比较复杂，在建模过程中应结合实际情况进行适当的简化。

轮胎的激励力通过不同的路径传递到车内，引起车内声压变化。因此，将车轮激励力作为主动方或输入、车内人耳处声压级作为系统的目标或输出搭建成系统模型,如图2所示。

图2 路面噪声结构传递系统模型

路噪的传递路径非常多，如果对每一条都进行测试的话，将会花费大量的人力、物力、财力和时间，不利于成本的控制和实际的操作实施。因此，在实际中应先运用工况传递路径方法缩小路径诊断范围。

3 实例分析

某款轿车(前悬架为麦弗逊式独立悬架，后悬架为扭矩式悬架)经过摸底试验检测后以匀速(60 km/h)在光滑柏油路面上行驶，此时该车车内噪声明显，且十分刺耳，影响乘坐舒适性。以下应用工况传递路径分析与传递路径分析的方法对该车路面噪声进行控制。

3.1 噪声分离及模型分析

汽车的噪声来源分为动力总成噪声、路噪和风噪。本车在测试时主要监测路噪的传递路径。在测试车辆的4个轮胎前后布置轮边麦克风监测辐射噪声，在轴头布振动监测结构噪声，为了便于将噪声彻底分解以查找问题，还需监测发动机的结构、辐射噪声和车内人耳处的声压。对比人耳、动力总成、路噪和风噪的声音大小，结果如图3所示。

图3 人耳处的声压级与各噪声源的声压对比

由图3可见：在60 km/h的工况下，路噪在人耳处噪声中所占的比例最大，且远远大于动力总成和风噪，因此路噪传递路径成为噪声的主要传递路径。在此进一步对路噪进行分解，将其分为空气噪声和结构噪声。本文主要针对结构噪声进行分析。结构噪声则进一步分为由前悬架引起的和由后悬架引起(忽略空气传递路径)的噪声。如图4所示：将路噪结构声分离为由前悬架传递的结构噪声和由后悬架传递的结构噪声。对比得出：后悬架对结构噪声的贡献量比较大，后悬架噪声传递路径为主要路径。

后悬架的噪声传递路径由图2可知。运用传递路径分析方法(TPA)再对后悬架结构噪声进一步测试，分别监测每条路径的主被动端(试验车的后悬架结构简单且是刚性连接，相互之间的耦合力较小，是弱耦合链接，可不布置参考点)，在光滑柏油路面上以60 km/h的速度匀速行驶,测试得出最少1组有效数据。搭建后悬架的结构噪声传递模型如图5所示。在模型中对测试得到的数据分析拟合，得到每条路径的贡献量。如图6所示，减震弹簧路径的结构噪声贡献量远远大于减震器和拖曳臂的结构噪声贡献量。

图4 前悬架与后悬架结构声对比

图5 后悬架的结构噪声传递模型

图6 后悬架路径声音对比

3.2 方法及模型验证

将测得的各路径激励点在匀速(60 km/h)时的加速度和到被动侧监测点的频率响应函数代入式(5)中，即可求得60 km/h时各传递路径耦合激励力。将各传递路径耦合激励力频谱和各激励点到目标点的声-振函数代入式(4)，即可得到后悬挂结构传播噪声的合成噪声。将拟合的声音与实际测得的声音进行对比，结果如图7所示。

图7 实测声音与拟合声音对比

从图7可以看出：车内噪声的拟合计算结果与测试数据吻合较好，证明计算结果可信。车内噪声可由工况传递路径分析方法进行分离进而缩小主要噪声源的范围，并用传递路径分析方法找到问题源。结果表明：由此搭建的路噪传递路径模型准确可用。

3.3 改进措施

影响结构噪声传播的主要因素是激励力和声-振动传递函数，因此结构噪声贡献量分析可以从激励贡献量和频响函数两方面考虑。

在模型中对弹簧路径的激励力进行优化控制，将200～250 Hz下的频响函数降低，再在传递路径模型中进行合成，结果如图8所示。

虚拟控制该路径的频响函数相当于控制该路径的激励力输入，有效控制了车内噪声在180～250 Hz频段内的幅值。

经虚拟修改后，发现优化频响函数可以有效地控制该路径的噪声。因此，在减震弹簧表面附上阻尼片(如图9所示)，改变弹簧的质量和阻尼，使得弹簧的频响函数发生变化。测试弹簧改变前后状态的模态，对比2种模态的模态点数和模态点的频率，结果如图10所示。

图8 优化结果

图9 附着阻尼片后的弹簧

图10 改变前后弹簧模态点对比

图11 人耳处声压对比

将覆盖阻尼片的弹簧装到试验车上进行道路测试，比较人耳处的声压，结果如图11所示。由图11可知：附加阻尼片后，弹簧的模态点减少。可见，弹簧改进前后车内噪声在100～300 Hz频段内得到了控制。

4 结论

通过运用传递路径方法对车辆的路噪结构声问题进行了甄别，并提出了相应的优化方案。在甄别和优化路噪问题的过程中，对工况传递路径分析方法和传递路径分析方法有了较深刻的认识和理解，并得到了如下结论：

1) 运用工况传递路径分析与传递路径分析结合的方法，可快速锁定主要的噪声源，且计算结果与实测结果吻合较好，保证了分析结果的准确性。

2) 利用频谱图分析对比某款车各结构传递路径对车内噪声的贡献量，结果表明：左右后震弹簧对车内的贡献量较大。

3) 通过改变后减震弹簧的质量与阻尼，改变了弹簧的频响函数，有效控制了结构噪声的传递，成功减少了该车的路噪。

[1] 庞剑.汽车车身噪声与振动控制[M]．北京：机械工业出版社，2015.

[2] 王万英，靳晓雄，彭伟，等．轮胎振动噪声结构传递路径分析[J].振动与冲击，2010,29(6)：88-95.

[3] SMITA S,GYAN A.Methodology of Road Analysis and Improvement Strategy for Cars[C]//SAE Paper.USA:[s.n.]，2006.

[4] 陈理君，姚忠杰，肖旺新，等.轮胎/道路噪声耦合预测模型[J].轮胎工业,2008,28(1):20-23.

[5] 韩旭，郭永进，管西强，等.动力总成引起的轿车乘员室结构噪声传递路径分析与控制[J].机械·强度，2009,31(4)：537-542.

[6] 郭荣，万钢，赵艳男，等.车内噪声传递路径分析讨论[J].振动、测试与诊断,2007，27(3):199-203.

[7] 杨洋，褚志刚.汽车路面噪声多重相干分解方法研究[J].振动与冲击，2015，34(19)：5-9.

[8] 郝鹏,郑四发,连小珉.运动噪声源的时域传递路径模型及贡献率分析[J].机械工程学报,2012,48(4):104-109.

[9] 潘道远,王刚,唐冶.基于传递路径分析的激励对汽车平顺性的影响[J].重庆理工大学学报(自然科学),2016,30(3):16-21.

[10] 丁华,范彬,夏洪兵.基于CAE和传递路径分析的某车加速工况下车内噪声研究[J].重庆理工大学学报(自然科学),2017,31(4):10-14.

[11] 吴颖熹,周鋐,王二兵.工况传递路径(OPA)与经典传递路径分析(TPA)方法比较[C]//LMS中国用户大会论文集.北京，2012.

[12] 叶松奎.传递路径分析法在方向盘振动分析中的应用[J].客车技术与研究,2016(1):43-46.

TPAMethodApplicationinAutomobileNoisePavementStructure

LIU Bolun1, KONG Chuanxu2

(1.School of Mechanical Engineering, Heibei University of Technology, Tianjin 300130， China；2.China Automotive Technology & Research Center， Tianjin 300300， China)

This paper introduces the basic theory of the work transfer path analysis and transfer path analysis, and establishes the working condition of transfer path analysis model and finds the specific problem of the source by using this method. On the basis of monitoring the vibration of main passive side vibration acceleration and its transmission path, it achieves the structure of pavement noise transfer path test. Transfer path analysis results show that under 250 Hz, the fitting method is consistent with the measured sound pressure near the main peak, and then it verifies the accuracy of the model. Based on this model, it narrows the scope of the search path and analyzes the human ear noise in 100～250 Hz contribution amount of each transmission path.

road noise；operational transfer path analysis；transfer path analysis

2017-04-30

刘博伦(1992—),男，河北保定人,硕士研究生,主要从事车辆噪声与振动控制研究，E-mail：695442988@qq.com。

刘博伦，孔传旭.应用TPA法的路面结构噪声诊断及控制[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(12):41-46.

formatLIU Bolun, KONG Chuanxu.TPA Method Application in Automobile Noise Pavement Structure[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):41-46.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.007

U467.1+1

A

1674-8425(2017)12-0041-06

(责任编辑刘 舸)