基于傳遞路徑分析的乘用車車內噪聲數值模擬

李華良，熊卉，萬攀，韋鈺芳，郭釗

（1. 中國船舶重工集團公司第七一九研究所，湖北 武漢 430064；2. 武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430073）

基于傳遞路徑分析的乘用車車內噪聲數值模擬

李華良1，熊卉2，萬攀2，韋鈺芳2，郭釗2

（1. 中國船舶重工集團公司第七一九研究所，湖北 武漢 430064；2. 武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430073）

本文利用傳遞路徑分析(TPA)方法對某一新型轎車進行輪胎引起的車內噪聲分析，首先運用TPA方法擬合測試數據以求出路面對輪胎的輪心激勵值，再將該值加載到CAE模型內進行數值模擬，計算車內噪聲。數值模擬計算中發現乘用車后軸對整車噪聲的貢獻大于前軸，說明需要對乘用車的后軸進行改進；比較數值模擬結果與路面噪聲的實際測試數據，發現分析誤差可接受，完全可以反映出車輛車內噪聲特性，驗證了傳遞路徑分析方法在車內噪聲分析中的適用性和準確性。

車內噪聲；乘用車；數值模擬；傳遞路徑分析

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

引言

汽車車內噪聲的水平是體現汽車品質的重要指標之一，為了滿足客戶需求，提高汽車檔次并在市場競爭中占得先機，世界各大汽車廠商已經把降低車內噪聲作為重要的研究方向。車內噪聲主要來自于發動機、氣流、車體振動、懸架系統及其他零部件等5個方面，其中輪胎已成為主要噪聲源:路面對輪胎的激勵力通過懸架系統傳遞到車身，引起車體振動，從而向車內輻射噪聲[1]。在汽車設計階段中分析預測輪胎引起的車內噪聲場并改進車體聲學設計，從而滿足車輛噪聲性能目標，對于縮短開發周期和降低開發成本具有重要意義[2]。已有車內噪聲分析研究中，由于輪胎模態不能很好的在有限元中進行數值模擬，因此現有研究基本是通過測試手段分析及優化車內噪聲[3,4]。鑒于此，本文從實際應用的角度，詳細介紹如何利用傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，簡稱TPA）方法將輪胎用試驗載荷替代，以此進行整車路面噪聲的數值模擬分析，并通過比較數值模擬模擬結果和路面噪聲的實際測試數據來驗證此方法的有效性。

1、傳遞路徑分析基本理論

TPA（傳遞路徑分析）原理[5]如圖1所示，對于結構傳遞的噪聲，每個路徑的貢獻等于該路徑的輸入點到輸出點的傳遞函數乘以輸入點上所受實際激勵，各個路徑的矢量和疊加到一起構成總的響應:假設一輛乘用車受m個激勵力作用，每一個激勵力都有x,y,z三個方向分量，每個激勵力分量都對應n個傳遞路徑，那么這個激勵力分量對應的某個傳遞路徑就產生了一個系統的相應分量。下圖的公式中P為響應，H為傳遞函數，f為激勵值。在測試過程中得到總的響應P及傳遞函數H后，采用逆矩陣方法即可得到激勵力f。

2、實車的TPA全模型分析

本次車內噪聲分析針對某一新型轎車分為測試和數值模擬兩部分，其中測試又分為室內測試和室外測試。室內測試測定車輛靜止不動時，4個輪胎受到力錘激勵后的傳遞函數；室外測試測定車輛在路面上跑動時，4個輪胎的響應以及此時車內的噪聲分貝。運用TPA原理擬合4個輪胎的傳遞函數和響應即可得到輪心受力值，將該值加載到CAE模型內計算路面噪聲，通過對比模擬結果與實際測試結果驗證TPA方法的正確性，并通過實車的CAE全模型分析，尋找對車內噪聲起主導性的環節，通過控制這些環節，降低由路面激勵產生的車內噪聲。

這里之所以采用間接測試的方法，而不是以貼應變片去直接測力是因為在目前的技術和試驗條件下得到的力只能應用于疲勞分析，而對于需要更高頻率結果的NVH分析是不適用的[7]。

2.1 室內傳遞函數測試

室內測試理論上需在全消或半消聲室中進行，本文中的室內測試在工廠中進行。測試時拆除試驗車輛輪胎，試驗車輛通過懸置部件支撐，支撐點在制動盤或制動鼓正下方位置，保證所有懸架部件的方向和導向跟整車狀態時一致，以模擬整車懸架作用狀，整車和懸置部件通過橡膠隔振隔絕。本測試主要是識別輪心銷軸的傳遞函數，因此選取靠近銷軸中心且剛度較大的位置粘貼4個三向加速度傳感器，位置的選取如圖2所示。

由于實際測試時車輪中心處不可能直接激勵，因此在車輪中心周圍粘貼鋁塊，通過測試鋁塊到加速度感應器的傳遞函數，計算車輪中心處到加速度感應器的傳遞函數。鋁塊粘貼的位置選取如圖3所示。

按照上述傳遞函數測試方案對新型轎車進行操作，將加速度感應器測得的數據輸入LMS Virtual. Lab傳遞路徑分析軟件即可得到所有鋁塊到各個車輪加速度感應器的傳遞函數，并最終簡化為4個輪心到所有加速度感應器的傳遞函數。圖4所示為轎車左前輪輪心點到16個加速度傳感器的傳遞函數示意圖。

2.2 室外響應和噪聲測試

室外測試在一條長800m的粗糙道路上進行，路面情況如圖5所示。汽車的行駛速度在60～70km/h之間。

為求取汽車行駛時輪胎的響應P，在4個車輪上布置三向加速度傳感器，粘貼位置的選取和室內測試時相同；為測定汽車行駛時的車內的噪聲分貝，在4個座椅上分別布置麥克風，麥克風位置的選取如圖6所示。4個麥克風測定的車內噪聲分貝曲線如圖7所示，后排麥克風的噪聲曲線在激勵頻率為104Hz和228Hz時有峰值。

2.3 TPA方法求輪心激勵力

根據圖1所示的TPA原理，在室內傳遞函數測試中已得到傳遞函數H，在室外響應測試中已經得到響應P，運用LMS Virtual. Lab中TPA模塊的逆矩陣法即可求解路面對輪心激勵力F，LMS Virtual. Lab軟件可以預測和評價車身在激勵力下的振動噪聲響應，并能從實物試驗數據中確定工作載荷，屬于汽車NVH分析常用軟件。圖8所示為求解出的左前輪和左后輪輪心激勵力，由圖可看出路面對后軸的激勵力明顯大于前軸。

2.4 數值模擬

汽車路面噪聲的數值模擬計算采用美國Altair公司的CAE應用軟件包Hypermesh[8]，CAE模型是用聲腔模型加TB(Trimed-body)模型建立起來的，聲腔模型和TB模型如圖9所示，CAE模型中包含有發動機、底盤、車身及其附件，其中底盤模型又包含車橋與前后懸架等。

將上述求解出的輪心激勵力F加載到CAE模型中，可計算出乘用車中4個麥克風的噪聲曲線，圖9所示為加載左前輪輸出的麥克風噪聲曲線。擬合所有激勵力的曲線即可得到最終的車內噪聲曲線。

數值計算得到的整車車內噪聲1/3倍頻程曲線如圖11所示，從圖上可以看出后軸對整車噪聲的貢獻大于前軸，說明需要對乘用車的后軸部分進行改進。

2.5 結果對比

試驗數據與數值模擬結果對比的曲線示意圖和1/3倍頻程曲線如圖12和圖13所示，數值模擬得到的路面噪聲結果和實際測試結果相差不大，噪聲曲線波峰和波谷對應的激勵頻率大致相似，部分存在少數延遲。室內測試時的測試環境未達標造成測定的傳遞函數H本身存在一些誤差；同時室外測試時的路面不夠粗糙，未能激振起車身所有的模態[9]，影響了作為檢驗標準的車內噪聲測試數據的精確度；然而整體的分析誤差仍在可接受范圍之內，說明基于測試和數值模擬的混合模型完全可以實現輪胎引起的車內噪聲的數值模擬分析，簡化汽車車內噪聲改進過程。該模型將測試-車身優化-測試的步驟簡化為測試-CAE優化，對于縮短汽車開發周期和降低開發成本具有重要意義。

3、結論

本文利用傳遞路徑分析方法對某一新型乘用車進行車內噪聲數值模擬分析，發現乘用車后軸對整車噪聲的貢獻大于前軸，說明需要對乘用車的后軸部分進行改進。

本文將傳遞路徑分析方法分析車內噪聲的結果與車內噪聲的實際測試數據進行比較，發現分析誤差可接受，完全可以反映出車輛車內噪聲特性，驗證了該方法在路面噪聲分析中的適用性和準確性。

利用傳遞路徑分析將輪胎用試驗載荷替代，進行車內噪聲數值模擬的方法簡化了輪胎引起的車內噪聲改進流程，將測試-車身優化-測試的步驟簡化為測試-CAE優化，對于縮短汽車開發周期和降低開發成本具有重要意義。

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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

李華良，就職于中國船舶重工集團公司第七一九研究所。