新能源汽车低频振动噪声传递路径模拟方法

洪 亮，严世榕

(1. 福建工程学院，福建 福州 350118；2. 福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350116)

1 引言

新能源汽车主要是将新能源作为动力来源，从环境与资源方面考虑，开发新能源汽车能够实现节能减排，无论对汽车领域还是环保领域来说均是一次突破性尝试。随着人们对汽车行驶过程中的噪声、振动与声振粗糙度越来越关注，噪声水平已经成为评价汽车品质的重要标准，为提高客户满意度，加强新能源汽车市场竞争力，为此各大汽车制造商已经将降低车内噪声作为重要研究方向。

为解决以上问题，文献[1]提出基于Warshall-Floyd算法的噪声传递路径模拟方法。该方法结合统计能量分析振动子系统，通过赋权图方式分析噪声传递路径。把相似模态群抽象为赋权图顶点，根据能量守恒方程构建顶点之间连接关系，利用路径传递效率与统计熵相结合的方法将噪声物理模型变为权值矩阵。采用Warshall-Floyd算法获取噪声主要传递路径，分析不同路径上的噪声差异，根据权值矩阵计算噪声传递过程中的权重，进而实现噪声传递路径模拟。文献[2]提出一种新能源汽车空调风道气动噪声模拟方。该方法为寻求一种高精度噪声传递路径模拟方法，首先利用RNC湍流模型和SSTk-wDES模型分别计算稳态流场和瞬态流场，再通过声类比法直接模拟噪声。通过仿真结果证明，此种方法模拟结果与真实噪声值基本一致。

这两种方法可以有效识别噪声传递路径，但并未对新能源汽车低频噪声分布规律进行深入研究，为解决该问题，本文对新能源汽车低频振动噪声传递路径模拟方法进行研究。

2 声振耦合振动方程构建

2.1 车身内饰材料声学特征分析

通常情况下，一般利用吸声系数与声阻抗表示材料声学性质参数[3]。当新能源汽车中的吸声材料接收到声波时，其中一部分声波被吸收，剩余部分被反射。吸声系数α表示吸收声和入射声能之间比值

(1)

式中，Ei，Ea与Er分别代表入射声波、反射声波和被吸收声波。结合α定义可知，如果材料不具有吸声性能，则声波会被全部反射[4]，此时α=0；如果材料将声波全部吸收，则α=1。

一般情况下，将吸声系数高于0.2的材料称作吸声材料，高于0.5的则是完美吸声材料。声阻抗代表在声波存在的介质中，任意一点瞬时声压P和此点质元速度v的比值，表示为Zs。声阻抗属于一个复数量，由实部声阻与虚部声抗构成。声阻能够体现能量消耗情况，此种消耗是指能量在运动过程中从某个位置向另一位置的转移，而不代表声能转变为为热能的耗散。因此，利用声阻与声抗表现材料所具备的声学特性。

2.2 构建低频振动方程

为提高新能源汽车低频振动噪声传递路径模拟结果精准度，不但要考虑驾驶室结构的低频振动特征，而且要分析空腔流体的声学性质。驾驶室整体结构受到激励从而引起振动的同时，也会受到流体介质反作用。低频振动产生的噪声会经过驾驶室二产生放大或缩小，但只有经过耦合作用，才会构成最终噪声。

(2)

式中，[Mc]代表结构质量矩阵，[Ce]表示结构阻尼矩阵，[Ke]为结构刚度矩阵，{Fe}则属于结构外部激励[5]。

(3)

式中，{N}代表位移单元形函数，{n}表示声腔耦合面单位矢量。

(4)

将式(4)带入到式(3)中得到

(5)

再将式(5)带入到低频振动方程中

(6)

能够将流体力学公式与连续方程能够简化为声波方程。为实现低频振动耦合方程整体化，将式(2)与式(6)进行合并，得到低频振动方程

(7)

3 噪声传递路径模拟方法设计

3.1 基本原理

传递路径模拟的核心是基于假设：整合不同路径所有噪声组成部分，分析噪声总体响应

(8)

式中，Pk表示k处总体声压值，Pijk代表传递路径i在j方向k处总声压的部分贡献量[6]，其表达式为

Pijk=Hijk·Sij

(9)

式中，Hijk表示传递路径i中在j方向k处的噪声传递函数，Sij描述路径i中j方向的实际激励。

由式(9)可知，传递路径模拟需要对传递函数与实际激励进行测量。

3.1.1 传递函数构建

通过力锤激励法对传递函数进行测量。测量过程中，通过安装传感器的力锤在悬置位置附近激励，在此过程中选用经过标定的力锤，锤头通常为钢头，也可选择塑料头和橡胶头代替[7]。一般每个位置敲击5～7次，计算最终平均结果。结构-声学传递表达式如下

Hmaijk=Pijk/fij

(10)

式中，Hmaijk表示结构-声学传递函数，fij代表传递路径i中j方向的激励向量。

3.1.2 激励力测量

真实激励可以表示为力或体积速度。通常利用间接方法估算获得，并不是直接测量，因而本文选择悬置刚度法对其进行测量。针对传递路径而言，激励位置与接收位置是利用悬置连接的，真实力能够通过悬置刚度矩阵K(w)与悬置不同支点间位移差获得

fi(w)=K(w)·(Xi(w)-Xt(w))

(11)

式中，fi(w)是噪声在传递路径i上所产生的激励力，K(w)表示悬置刚度矩阵，Xt(w)与Xi(w)分别代表悬置下、上支点的真实位移。

利用此方法获取悬置支点的真实位移非常重要，位移通常是经过测量加速度获得。测量过程中，将加速度传感器安装在悬置点附近，由于受到空间限制，安装会存在一定难度，但是如果距离悬置点较远，获取的加速度则不能反映低频振动特性。在对悬置刚度测量时，需要最大程度利用接近实际环境的力加载[8]。

3.2 修正系数确定

为提高模拟精准度，需要对输入的低频振动信号进行系数修正。如果信号之间没有关联性，可以直接利用相干函数来确定修正系数，但是大多数情况下信号之间是存在相互影响的。此时如果直接确定修正系数，会导致模拟结果与实际结果存在较大偏差，因此必须去除输入信号和其它信号相关部分，再计算残余信号对输出造成的影响。本文利用偏相干分析法选取修正系数，表示为

(12)

3.3 传递路径模拟

本文利用多维低频振动传递系统对噪声路径进行模拟。多维振动通常存在很多振动激励，任意一个激励源对应着不同的噪声传递路径，并将振动能量传送到接受端结构。由于接受端结构具有柔体特征，任何一个输入端均有来自不同方向的能量输入。同时激励源结构、每条路径与接受端之间存在复杂的动态响应，因此噪声传递路径模拟属于一项重要而复杂的工作。

3.3.1 有效点导纳

导纳是指激励和其引起的稳态响应之间的比值。在噪声传递路径模拟过程中，输入点速度响应全部作用于此点，因此速度响应由此点导纳和简谐波激励的乘积表示

V=HF

(13)

式中，F表示简谐波激励，H表示导纳。此点导纳也可以由与其相对的力与速度描述

(14)

针对新能源汽车低频振动引起的噪声，某点速度响应不单是由输入点的简谐波激励引起，而是由接受端输入点相互耦合作用产生的[10]。因此，输入速度响应计算公点式表示为

Vi=Hi，1F1+Hi，2F2+…+Hi，jFi+…+Hi，nFn

(15)

结合导纳初始定义，将上述表达式两端同时除以Fi得出

(16)

所以，上述公式左端任意点同向速度响应和激励力比值即表示有效点导纳。它为不同导纳和各力之间比值乘积的线性组合。结合公式右端激励力作用点和方向差异性，将有效点导纳记为下述形式

(17)

3.3.2 噪声传递路径模拟

在获取有效点导纳后对低频振动噪声传递路径进行模拟。车辆运行过程中通常会受到多种激励共同作用，因此噪声响应产生于多维路径[11]。

一般情况下，针对线性时不变系统而言，任意点的低频振动噪声响应等于每个激励源单独产生响应之和。若只分析接受端结构，能够将和它相连的每条传递路径的荷载当做外界激励，由荷载作用产生的部分相应，称作响应分量。计算公式如下

(18)

式中，R表示噪声激励响应，Ri代表传递路径i的响应分量。响应分量投影之后和响应总量比值就是贡献度，计算公式为

(19)

结合上述公式与叠加原理，即可计算多维低频振动噪声下传递路径响应点的总体响应

(20)

对于传递路径响应分量的模拟，必须结合上述广义激励和传递函数，广义速度和广义力之间存在下述关系

Fi=Zi，1V1+Zi，2V2+…+Zi，jVi+…+Zi，NVN

(21)

结合有效点导纳计算公式分别获取广义力与广义速度

(22)

(23)

将获得的广义力、速度表达式带入到响应分量表达式中，即可模拟每条传递路径的贡献量与贡献度[12]，并对所有路径进行排序，从而获取噪声传递路径模拟结果，表示为

(24)

4 仿真数据分析与研究

为验证新能源汽车低频振动噪声传递路径模拟方法的应用效果，进行仿真。将3.4 GHz双核处理器，4 GB内存，M40显卡，Ubuntu14.04操作系统作为实验测试平台，仿真软件为Mtalab.7.2。选择文献[1]方法与文献[2]方法作为实验对比方法，比较不同方法的综合性能。

比较不同方法对于新能源汽车低频振动噪声估计值，并与实际值进行比较，结果如图1所示。

图1 不同方法噪声估计值与实际值比较

分析图1可知，与文献方法相比，研究方法对于新能源汽车低频振动噪声的估计值与实际值最为接近，说明该方法能够实现低频振动噪声精准估计，为下一步新能源汽车低频振动噪声传递路径模拟奠定基础。

在上述实验的基础上，比较三种方法的低频振动噪声传递路径模拟时间，结果如图2所示。

图2 模拟时间比较

分析上图可知，研究方法的新能源汽车低频振动噪声传递路径模拟时间远远小于实验对比方法，验证了该方法的有效性。

比较不同方法对于新能源汽车低频振动噪声传递路径模拟准确率，结果如图3所示。

图3 模拟准确率比较

分析图3可知，与文献方法相比，研究方法的模拟准确率高，能够实现对于新能源汽车低频振动噪声传递路径的精准模拟。

5 结论

为降低新能源汽车低频噪声，在分析噪声分布规律的基础上，进行噪声传递路径进行模拟。计算吸收声与入射声比值，以此反映车身内饰材料声学特性，建立低频振动方程。分析传递路径基本原理，分别对传递函数与激励力进行测量，确定修正系数。通过多维低频振动系统对传递路径模拟，计算不同路径响应分量，并将广义力与广义速度带入到分量中，实现新能源汽车低频噪声传递路径模拟。仿真结果表明，所提方法噪声估计精准度高，模拟时间短，模拟准确率高，有利于噪声源识别。