基于随机相位的车内噪声预测与目标分解

郝耀东 邓江华 顾灿松 李洪亮 董俊红

（1.天津大学，天津 300072；2.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300399）

1 前言

车内噪声分析是整车噪声、振动与声振粗糙度（Noise,Vibration,Harshness，NVH）开发过程中最重要和有挑战性的课题之一。精确的车内噪声分析方法可以帮助设计人员有效地预测车辆在各工况下的NVH水平，并提出工程解决方案。目前，车内噪声分析的方法主要包括统计能量分析法[1]、模态综合法[2]、传递路径分析法[3]等。其中，传递路径分析（Transfer Path Analysis，TPA）因其精确性和便捷性得到了最广泛的应用[4-6]。

王万英等人[7]建立了轮胎噪声结构传递路径分析模型，得到车内目标点由结构传递的合成声，与实测声压有较好的吻合。张义民等人[8]采用路径灵敏度作为度量准则，提出振动传递路径参数贡献度的计算途径，并给出了理想的数值分析结果。但是，TPA需要激励力和传递函数作为输入，而在车辆开发过程中，只有开发末期才能得到完整的激励力和传递函数数据。

目标分解也是整车NVH 开发的难点之一。但现有的目标分解方法绝大多数应用在电子工程领域[9-11]，汽车NVH 开发中的目标分解绝大部分依赖于对标方法[12]。但是，对标车型的结构与开发车型存在较大不同，同时，对标车型的目标分解并不是最优分解。

为在车辆开发初期预测车内的噪声水平，以及解决车辆NVH 开发过程中的目标分解问题，本文提出基于传递路径的车内噪声预测方法和目标分解方法。首先将整车级目标分配至每一条传递路径，再制定传递函数和激励力目标，保证目标分解的快捷性和合理性。

2 传递路径分析

假设在车辆行驶过程中，车身受到的激励力数量（路径数量）为n，每个激励力具有x、y、z3 个方向分量，如图1 所示。激励力作用的位置称为车身关键硬点。在线性时不变的假设条件下，车内目标点的声压水平p为各激励力沿不同传递路径传播到该点声压的总和：

式中，Hij为第i个激励力、第j个方向分量到车内目标点的传递函数；Fij为第i个激励力、第j个方向分量的激励；ω为圆频率；j=1,2,3分别为x、y、z3个方向。

图1 传递路径示意

由式（1）可知，传递函数和激励力决定车内噪声的声压水平。噪声传递函数可以通过直接频响法或模态频响法在仿真模型中计算得到，也可以通过试验直接获取；激励力的求解方法主要包括直接测量法、逆矩阵法等。

传递路径分析不仅可以计算车内噪声，还可以识别各路径对车内噪声的贡献水平，从而找出关键的路径，便于进一步优化改进。

3 基于传递路径的车内噪声预测

噪声传递函数是评价车身NVH 性能的主要指标，激励力是评价底盘和动力总成NVH 性能的主要指标。而由于车身、动力总成与底盘开发不同步，需要设定传递函数目标或激励力目标预测车内噪声水平。

假设车身关键硬点激励力Fij已知，设定车身噪声传递函数目标h（所有传递函数在所有频段均需满足的峰值目标），则此时车内噪声峰值可以表示为：

式（2）忽略了各传递路径分量的相位差，因此，需要进行修正：

式中，w1为比例因子，是n的函数。

本文在不同车型、工况和不同传递路径数量条件下，实测了11 款车型的传递函数峰值和噪声峰值。根据实测结果计算比例因子w1，结果如表1 所示。其中，3WOT 和4WOT 分别为3 挡全油门和4 挡全油门工况。由表1 可知，当w1=n时，预测的噪声结果具有较高的精度。

表1 比例因子w1计算结果

采用相同的方法在已知传递函数的情况下预估车内噪声，其计算公式为：

采用相同方法计算w2，即在不同车型、工况和不同传递路径数量的条件下，测量激励力和噪声峰值，计算结果如表2 所示。由表2 可知，当w2=1.5n时，预测的噪声结果具有较高的精度。

表2 比例因子w2计算结果

综上，可以采用式（3）及式（4）在开发前期进行车内噪声的预测，其中比例因子w1=n，w2=1.5n。

4 基于传递路径的车内噪声目标分解

在已知各硬点激励力的前提下，根据整车目标制定车身噪声传递函数目标，其计算公式为：

同理，在已知车身噪声传递函数的条件下，根据整车目标制定激励力目标的计算公式为：

5 软件编制及算例

5.1 软件编制

基于上述理论，本文基于MATLAB 开发了“传递路径分析与综合”软件，实现了传递路径分析、车内噪声预测和目标分解功能。软件分为5 个模块，各模块输入、输出数据和功能如表3所示，软件界面如图2所示。

图2 软件界面

5.2 传递路径分析算例

以某前置前驱MPV 车型4 挡全油门工况为例测试软件的传递路径分析功能，并以Altair 公司某商业软件的计算结果作为对比。

该车型采用测试方法获取激励力文件，采用仿真方法获取噪声传递函数文件。开发软件计算的噪声与商业软件计算的噪声结果对比如图3所示。

图3 TPA车内噪声计算结果

由图3 可知，自编软件的噪声计算结果与商业软件基本相同，微小差别是由于软件插值的方式不同引起的。

本文编写的软件还可以自动输出贡献量最大的10条路径的贡献量、传递路径峰值及激励力峰值，68 Hz的分析结果如图4 所示。软件自动输出关键传递路径编号对应的传递路径如表4所示。

图4 传递路径贡献量

表4 关键传递路径编号

5.3 车内噪声预测算例

以某前置后驱SUV 车型为例测试软件的噪声预测功能。采用逆矩阵法分别计算3WOT 激励力、4WOT 激励力的频谱曲线，分别计算车身传递函数目标峰值为60 dB、65 dB、70 dB 情况下驾驶员耳边噪声预测值，结果如表5所示。

表5 某SUV噪声预测结果 dB

该车型实际传递函数峰值为67 dB，3WOT 和4WOT 工况下二阶噪声峰值分别为75.2 dB 和76.8 dB，与实际结果差值在1.5 dB以内，说明该软件可以在开发前期有效预测各工况的噪声峰值。

5.4 目标分解算例

某前置前驱MPV 车型在4WOT 工况下的关键硬点如图5所示。其中每个发动机悬置安装点包括x、y、z方向3条传递路径，排气系统吊点只考虑z方向，故每个点只有1条传递路径，整个系统共包括15条传递路径。

图5 车身关键硬点

采用新型传递路径分析（Operational-X Transfer Path Analysis，OPAX）方法[13]计算各条路径的二阶激励力，部分激励力频谱曲线如图6所示。

将激励力频谱曲线输入软件中，制定车内噪声目标为68 dB，软件自动输出各关键硬点各方向的噪声传递函数目标如表6所示。

图6 关键硬点激励力

由表6 可知，软件将噪声目标分配至各条传递函数上，对比表6 和图6 可知，激励力较大的传递路径具有较低的传递函数目标值，反之则具有较高的传递函数目标值。

6 结束语

本文在传递路径分析的基础上，提出一种车内噪声预测和目标分解方法，并采用该方法编制了传递路径分析与综合软件。基于传递路径的车内噪声预测方法可以在车辆开发前期预测车内噪声，判断车辆的NVH 水平。基于传递路径的目标分解方法克服了传统对标方法的缺点，实现了激励力和噪声传递函数目标的合理和快捷分解。编写的软件实现了传递路径分析、车内噪声预测和目标分解功能，算例结果表明，该软件可以准确、有效地进行车内噪声的计算、预测和目标分解。