某SUV低频路噪诊断与优化设计

何嘉洋

摘  要：为解决某SUV车型主观评价中发现的噪声问题，进行了实车路试与模态测试。结合测试数据与CAE分析结果，从不同方面分析，最终确定问题产生的原因：尾门模态与声腔模态耦合对车内噪声产生负面影响。基于测试数据，利用仿真分析方法对尾门进行优化，降低了车内后排低频路噪。

关键词：低频路噪;模态测试;缓冲块

中图分类号：U467.1      文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2020）06-0057-05

Abstract： In order to solve the noise problem found in the subjective evaluation of a SUV model， the vehicle road test and modal test were carried out. Combined test data with CAE analysis results， and analyze from different aspects， the cause of the problem was found out. The tailgate mode coupling with the acoustic cavity mode has a negative impact on the Vehicle Interior Noise. The tailgate is optimized by simulation analysis method on the basic of test data. Finally The low frequency road noise in the rear of the car is reduced.

Key Words： Low Frequency Road Noise;  Modal Test;  Buffer

随着科技进步与汽车工业的发展，消费者对汽车各种性能提出了更高的要求。其中NVH（noise、vibration、hardness）性能已经成为消费者购买汽车的重要考虑因素，因此提升汽车的NVH性能以满足消费者的需求，成为了各个主机厂的努力方向。

本文针对某SUV车型在粗糙路面以60km/h匀速行驶时，车内后排低频路噪突出，通过实车测试与仿真分析，找出问题的原因并提出解决办法。

1    问题描述

某SUV主观评估时反馈粗糙路面匀速60km/h 驶时，车内有低频压耳感，且后排位置比前排严重。客观数据频谱分析时发现，车内噪声频谱在低频段49Hz存在较大峰值，与主观评估较为吻合，且车内噪声表现为从前至后依次增大。测试数据如图1所示：

2    问题分析

该问题为典型路噪问题，路面激励通过轮胎传递到轮心，轮心传入悬架，再通过悬架传递到车身，引起车身局部钣金振动，并向车内辐射噪声。问题频率为49Hz附近，结合经验分析，考虑为路面激励引起车身局部模态共振，或与车内声腔模态相耦合，从而引起车内轰鸣声，所以分别对声腔模态与车身局部模态进行排查。

2.1   聲腔模态排查

在Hyper mesh中建立该车型声腔有限元模型，并通过仿真计算得到声腔模态结果，如表1所示：

声腔纵向一阶模态频率为49.8Hz，与车内49Hz噪声峰值频率比较接近，其声腔模态图如图2所示：

2.2   车身局部模态排查

对车身进行模态测试发现尾门外板模态频率在48.6Hz存在模态，整体呈现整车X向平动并伴有局部变形，结合如图3所示的模态频响函数曲线分析，认为该模态为尾门的刚体模态，局部变形可能由该处刚度不足引起，易于声腔模态相耦合。模态振型如图4所示。

同时尾门内板模态频率在49.6Hz存在模态，呈现整车X向平动伴随中部弯曲，模态振型如图5所示：

综合测试与仿真结果，初步认为噪声问题原因是纵向一阶声腔模态与尾门模态耦合共振，对车内噪声产生了影响。下面对此进行验证。

3    问题确认

3.1   声腔模态影响验证

实际操作中改变车内声腔模态比较难以实现，通过打开尾门的方式破坏车内声腔。在仅打开尾门的条件下进行匀速60km/h路噪采集。测试结果如图6所示，后排问题峰值噪声大幅度下降。

3.2   车身局部模态验证

模态实验分析的是系统的固有属性，即固有频率，不随外力作用的时间和频率改变。只有当系统的阻尼、刚度和质量或约束条件改变时，这种固有频率才会发生变化。一般结构的阻尼比一般远小于10%，根据无阻尼固有频率与有阻尼固有频率关系式：

模态振型表示结构可能存在的变形形状，而变形形状是与应变能直接关联的，应变值大的单元对模态频率与振型影响也大。因此可以识别变形大的位置增加质量块改变其结构特性从而改变模态进行问题排查。

为了了解尾门在工作中的变形情况，对尾门在粗糙路面进行60km/h路噪测试及整体ODS（Operation Deflection Shapes）排查。ODS即结构的工作变形分析，其不同于模态测试，ODS测试值会随着激励力的变化而变化，更真实的反应出工作过程中结构的振动情况，而模态测试分析的是结构的固有属性。ODS测试结果如图7所示：

ODS测试结果显示，尾门整体在50Hz峰值最大，变形程度最大，与模态测试结果相对应。

根据模态振形与ODS确定尾门外板车牌安装位置附近与尾门内板中部变形最大，在尾门内、外板变形最大处分别增加5Kg质量块并在粗糙路面进行60km/h路噪测试，结果如图8所示。路噪结果显示，尾门外板增加质量块后车内噪声没有改善，尾门内板增加质量块后车内49Hz噪声峰值下降了3.6dB（A）。所以尾门内板是影响车内噪声的主要因素。

3.3   改变尾门约束状态

将尾门内外板看为整体，由公式（2）可知，改变系统的刚度或质量会对模态频率产生影响。改变尾门的约束条件能使尾门整体的刚度发生变化，从而使模态频率改变。拆除不同数量尾门缓冲块可以形成不同的约束条件，这也是最直接、快捷的方式。

对称拆除尾门2个及4个缓冲块后，分别在粗糙路面进行了60km/h路噪测试，实验结果如下图9所示，拆除2个缓冲块后排噪声下降了3.2dB（A）;拆除4个缓冲块后排噪声下降了7.1dB（A）。

根据测试结果可知，拆除数量不等的缓冲块后形成不同的约束条件，对尾门模态频率影响效果有所差异，对车内噪声改善的效果也不一样。

通过试验验证分析，基本可确认该问题由路面激励引起车身局部共振与车内声腔模态耦合。

4    优化措施

尾门模态与声腔耦合模态是由尾门钣金变形和与声腔的声压改变相互作用，互相影响的。相对于声腔模态振型控制，模态避频改动小、易实现，通常作为解决问题的首选，以下优化方案都针对尾门进行展开。

4.1   方案1：尾门内外板间增加支撑

运用CAE分析方法在尾门内板薄弱处增加支撑支架，支架支撑在尾门内板上，支撑脚固定在尾门外板内侧。完成加强方案，导出数模，使用Optistruct计算尾门0-100Hz范围内的模态。分析结果表明该方案将尾门整体模态提升至53.3Hz，局部区域有所加强。与声腔纵向一阶模态错开3.5Hz。优化结果如图10所示：

将CAE优化方案进行样件试制并安装在仿真优化的位置在粗糙路面进行60km/h行驶方案验证，后排噪声在49Hz峰值处下降了3.2dB（A），有效地改善了车内噪声。结果如图11所示：

4.2   方案2：实车更改缓冲块硬度验证

该车型尾门共有四个缓冲块，在关闭尾门时起缓冲作用。更改缓冲块硬度可以改变尾门整体模态，由于该尾门初始状态刚体模态频率较高，故可以将刚体模态频率适当降低。根据要求收集了60HA、50HA、40HA（邵氏A硬度）三个不同硬度的缓冲块在粗糙路面进行60km/h路噪测试。测试结果如图12所示，采用60HA硬度的缓冲块峰值噪声下降了2.1dB（A）;采用50HA硬度的缓冲块峰值噪声下降了4.7dB（A）;采用40HA硬度的缓冲块峰值噪声下降了6.6dB（A）。对于本车型采用的缓冲块硬度越低，噪声峰值的改善效果越好，但是低硬度缓冲块能否满足耐久、疲劳等性能的要求，还需要进一步验证。

5    结论

改变尾门模态的方法除了在结构上增加质量、刚度以及优化结构外，还可以改变结构的约束条件。本文分析了某SUV车型在粗糙路面以60km/h匀速行驶时的车内后排噪声明显的原因，并提出了尾门内外板间增加支撑、更改缓冲块硬度两个解决方案，使尾门模态避开了声腔模态，降低了模态耦合的风险。

参考文献：

[1]张哲恺. 基于NVH性能的排气系统整车匹配研究[D]. 湖南大學， 2014.

[2]黄遵国，王彦. 汽车振动噪声（NVH）控制 ——汽车工业面临的新问题[J]. 新技术新工艺， 2011（7）：73-77.

[3]庞剑. 汽车车身噪声与振动控制[M]. 机械工业出版社，2015.

[4]张太成. SUV车型后背门刚度设计[J]. 山东工业技术，2015（09）：33-34.

[5]吴迪，石月奎. 后背门模态对车内噪音的影响研究[A]. 中国汽车工程学会. 2018汽车NVH控制技术国际研讨会论文集[C]. 中国汽车工程学会：中国汽车工程学会，2018：5.