應(yīng)用TPA法的路面結(jié)構(gòu)噪聲診斷及控制

劉博倫，孔傳旭

(1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300130；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，汽車工程研究院， 天津 300300)

應(yīng)用TPA法的路面結(jié)構(gòu)噪聲診斷及控制

劉博倫1，孔傳旭2

(1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300130；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，汽車工程研究院， 天津 300300)

介紹了傳遞路徑分析和工況傳遞路徑分析的基本理論，建立了路面噪聲傳遞模型，并運(yùn)用傳遞路徑模型找到具體的問(wèn)題源。在監(jiān)測(cè)振動(dòng)源主被動(dòng)端振動(dòng)加速度及其傳遞路徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行了道路試驗(yàn)。運(yùn)用傳遞路徑分析方法得到的結(jié)果表明：在250 Hz以下擬合得到的聲音與實(shí)測(cè)聲壓基本吻合，進(jìn)而驗(yàn)證了傳遞路徑模型的準(zhǔn)確性。應(yīng)用該模型縮小了傳遞路徑的查找范圍，并準(zhǔn)確得出了人耳噪聲在100～250 Hz的各傳遞路徑的貢獻(xiàn)量。

路面噪聲；工況傳遞路徑；傳遞路徑

在進(jìn)行汽車NVH問(wèn)題的分析時(shí)，對(duì)聲源及其通過(guò)結(jié)構(gòu)或空氣傳播路徑的識(shí)別直接關(guān)系到問(wèn)題的解決是否合理高效[1-5]。傳遞路徑分析作為NVH分析的有效手段已被大多數(shù)工程師認(rèn)可，它不僅能識(shí)別出引起噪聲的主要聲源，還能將整車的NVH目標(biāo)分解到各個(gè)子部件，并能對(duì)設(shè)計(jì)的改進(jìn)結(jié)果進(jìn)行快速評(píng)估[6-12]。

作為傳遞路徑分析的經(jīng)典方法，實(shí)踐證明TPA對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聲振特性分析及噪聲振動(dòng)問(wèn)題的解決十分有效。然而，整個(gè) TPA模型的建立需要大量的工作，耗時(shí)耗力，并且試驗(yàn)過(guò)程中拆除了發(fā)動(dòng)機(jī)等聲源造成邊界條件錯(cuò)誤。

基于以上原因產(chǎn)生了一種更簡(jiǎn)單快捷的方法：工況傳遞路徑分析。該方法僅需測(cè)得實(shí)際工況下聲源處和目標(biāo)點(diǎn)處的響應(yīng)就能表征各條路徑。本文主要運(yùn)用工況傳遞路徑分析方法，精確縮小噪聲源范圍，簡(jiǎn)化試驗(yàn)過(guò)程，大幅節(jié)省人力、物力和時(shí)間。此外，還運(yùn)用傳遞路徑方法找到對(duì)車內(nèi)噪聲起主導(dǎo)作用的零部件，并進(jìn)行改進(jìn)，以降低車內(nèi)噪聲，同時(shí)為乘用車路面結(jié)構(gòu)噪聲的研究提供一種思路。

1 基本原理

1.1 運(yùn)行工況傳遞路徑分析的基本原理

在線性系統(tǒng)的假設(shè)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)響應(yīng)可以表示為各傳遞路徑貢獻(xiàn)量的疊加：

(1)

式中：Fi為激勵(lì)力，表示振動(dòng)源作用到機(jī)械系統(tǒng)上的結(jié)構(gòu)載荷；Qj為體積加速度，表示由聲源作用在機(jī)械系統(tǒng)上的聲載荷；Hik、Hjk表示激勵(lì)力i或聲源j到響應(yīng)點(diǎn)k的頻響函數(shù)。目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)由結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)和空氣貢獻(xiàn)疊加而成。由于本文研究的是結(jié)構(gòu)噪聲，因此式(1)可化簡(jiǎn)為

(2)

1.2 傳遞路徑分析

1.2.1 傳遞路徑分析基本原理

在傳遞路徑模型中，目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)可表示為

(3)

其中：Fi為激勵(lì)力，表示由振動(dòng)源作用在機(jī)械系統(tǒng)上的結(jié)構(gòu)載荷；Qj為體積加速度，表示由聲源作用在機(jī)械系統(tǒng)上的聲載荷；Hik、Hjk表示激勵(lì)力i或聲源j到響應(yīng)點(diǎn)k的頻響函數(shù)。本文研究的為路噪結(jié)構(gòu)聲，目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)僅由結(jié)構(gòu)聲組成，因此式(3)化簡(jiǎn)為

(4)

1.2.2 耦合激勵(lì)力和頻響函數(shù)

傳遞路徑分析方法最重要的步驟是得到準(zhǔn)確的激勵(lì)力Fi、Qj及傳遞函數(shù)FRFs。傳遞函數(shù)FRFs通常是通過(guò)力錘和標(biāo)準(zhǔn)聲源作為已知激勵(lì)，再測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)處的響應(yīng)得到。對(duì)于激勵(lì)力的獲得，通常有3種方法：① 直接通過(guò)力傳感器測(cè)得，這種方法雖然簡(jiǎn)單，但受到傳感器安裝空間和表面的限制；② 懸置動(dòng)剛度法，即通過(guò)將懸置的動(dòng)剛度乘以其變形量實(shí)現(xiàn)載荷識(shí)別，這種方法常由于準(zhǔn)確的懸置動(dòng)剛度數(shù)據(jù)較難獲得而不被采用；③ 被廣泛應(yīng)用的逆矩陣法，由被動(dòng)側(cè)指示點(diǎn)響應(yīng)乘以傳遞函數(shù)矩陣H的偽逆得到載荷力：

(5)

其中:Hij為傳遞函數(shù)矩陣，表示激勵(lì)力i到被動(dòng)側(cè)指示點(diǎn)j的傳遞函數(shù)，Hij和傳遞函數(shù)的測(cè)量方法一樣；aj表示激勵(lì)源附近的被動(dòng)側(cè)指示點(diǎn)在運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的響應(yīng)。

2 路面噪聲的結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑分析

2.1 傳遞路徑分析

噪聲振動(dòng)源對(duì)車內(nèi)的傳遞通過(guò)2種路徑：空氣傳遞噪聲是由路面與輪胎之間的相互摩擦產(chǎn)生的輻射噪聲通過(guò)空氣傳遞到車內(nèi)人耳處；結(jié)構(gòu)傳遞噪聲是路面激勵(lì)導(dǎo)致車輪跳動(dòng)并產(chǎn)生激勵(lì)力，激勵(lì)力通過(guò)車身的減震器、減震彈簧和搖臂鉸接點(diǎn)傳遞到車身，從而引起車身各板壁的振動(dòng)并向車內(nèi)輻射噪聲。路面噪聲傳遞系統(tǒng)如圖1所示。將其歸納總結(jié)可發(fā)現(xiàn)：路徑傳遞方式均為“源—路徑—人耳”。

圖1 路面噪聲傳遞系統(tǒng)

2.2 模型結(jié)構(gòu)

輪胎結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞路徑較多且比較復(fù)雜，在建模過(guò)程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。

輪胎的激勵(lì)力通過(guò)不同的路徑傳遞到車內(nèi)，引起車內(nèi)聲壓變化。因此，將車輪激勵(lì)力作為主動(dòng)方或輸入、車內(nèi)人耳處聲壓級(jí)作為系統(tǒng)的目標(biāo)或輸出搭建成系統(tǒng)模型,如圖2所示。

圖2 路面噪聲結(jié)構(gòu)傳遞系統(tǒng)模型

路噪的傳遞路徑非常多，如果對(duì)每一條都進(jìn)行測(cè)試的話，將會(huì)花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，不利于成本的控制和實(shí)際的操作實(shí)施。因此，在實(shí)際中應(yīng)先運(yùn)用工況傳遞路徑方法縮小路徑診斷范圍。

3 實(shí)例分析

某款轎車(前懸架為麥弗遜式獨(dú)立懸架，后懸架為扭矩式懸架)經(jīng)過(guò)摸底試驗(yàn)檢測(cè)后以勻速(60 km/h)在光滑柏油路面上行駛，此時(shí)該車車內(nèi)噪聲明顯，且十分刺耳，影響乘坐舒適性。以下應(yīng)用工況傳遞路徑分析與傳遞路徑分析的方法對(duì)該車路面噪聲進(jìn)行控制。

3.1 噪聲分離及模型分析

汽車的噪聲來(lái)源分為動(dòng)力總成噪聲、路噪和風(fēng)噪。本車在測(cè)試時(shí)主要監(jiān)測(cè)路噪的傳遞路徑。在測(cè)試車輛的4個(gè)輪胎前后布置輪邊麥克風(fēng)監(jiān)測(cè)輻射噪聲，在軸頭布振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)噪聲，為了便于將噪聲徹底分解以查找問(wèn)題，還需監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、輻射噪聲和車內(nèi)人耳處的聲壓。對(duì)比人耳、動(dòng)力總成、路噪和風(fēng)噪的聲音大小，結(jié)果如圖3所示。

圖3 人耳處的聲壓級(jí)與各噪聲源的聲壓對(duì)比

由圖3可見(jiàn)：在60 km/h的工況下，路噪在人耳處噪聲中所占的比例最大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于動(dòng)力總成和風(fēng)噪，因此路噪傳遞路徑成為噪聲的主要傳遞路徑。在此進(jìn)一步對(duì)路噪進(jìn)行分解，將其分為空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲。本文主要針對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)噪聲則進(jìn)一步分為由前懸架引起的和由后懸架引起(忽略空氣傳遞路徑)的噪聲。如圖4所示：將路噪結(jié)構(gòu)聲分離為由前懸架傳遞的結(jié)構(gòu)噪聲和由后懸架傳遞的結(jié)構(gòu)噪聲。對(duì)比得出：后懸架對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲的貢獻(xiàn)量比較大，后懸架噪聲傳遞路徑為主要路徑。

后懸架的噪聲傳遞路徑由圖2可知。運(yùn)用傳遞路徑分析方法(TPA)再對(duì)后懸架結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)一步測(cè)試，分別監(jiān)測(cè)每條路徑的主被動(dòng)端(試驗(yàn)車的后懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且是剛性連接，相互之間的耦合力較小，是弱耦合鏈接，可不布置參考點(diǎn))，在光滑柏油路面上以60 km/h的速度勻速行駛,測(cè)試得出最少1組有效數(shù)據(jù)。搭建后懸架的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞模型如圖5所示。在模型中對(duì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)分析擬合，得到每條路徑的貢獻(xiàn)量。如圖6所示，減震彈簧路徑的結(jié)構(gòu)噪聲貢獻(xiàn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于減震器和拖曳臂的結(jié)構(gòu)噪聲貢獻(xiàn)量。

圖4 前懸架與后懸架結(jié)構(gòu)聲對(duì)比

圖5 后懸架的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞模型

圖6 后懸架路徑聲音對(duì)比

3.2 方法及模型驗(yàn)證

將測(cè)得的各路徑激勵(lì)點(diǎn)在勻速(60 km/h)時(shí)的加速度和到被動(dòng)側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)代入式(5)中，即可求得60 km/h時(shí)各傳遞路徑耦合激勵(lì)力。將各傳遞路徑耦合激勵(lì)力頻譜和各激勵(lì)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的聲-振函數(shù)代入式(4)，即可得到后懸掛結(jié)構(gòu)傳播噪聲的合成噪聲。將擬合的聲音與實(shí)際測(cè)得的聲音進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)測(cè)聲音與擬合聲音對(duì)比

從圖7可以看出：車內(nèi)噪聲的擬合計(jì)算結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)吻合較好，證明計(jì)算結(jié)果可信。車內(nèi)噪聲可由工況傳遞路徑分析方法進(jìn)行分離進(jìn)而縮小主要噪聲源的范圍，并用傳遞路徑分析方法找到問(wèn)題源。結(jié)果表明：由此搭建的路噪傳遞路徑模型準(zhǔn)確可用。

3.3 改進(jìn)措施

影響結(jié)構(gòu)噪聲傳播的主要因素是激勵(lì)力和聲-振動(dòng)傳遞函數(shù)，因此結(jié)構(gòu)噪聲貢獻(xiàn)量分析可以從激勵(lì)貢獻(xiàn)量和頻響函數(shù)兩方面考慮。

在模型中對(duì)彈簧路徑的激勵(lì)力進(jìn)行優(yōu)化控制，將200～250 Hz下的頻響函數(shù)降低，再在傳遞路徑模型中進(jìn)行合成，結(jié)果如圖8所示。

虛擬控制該路徑的頻響函數(shù)相當(dāng)于控制該路徑的激勵(lì)力輸入，有效控制了車內(nèi)噪聲在180～250 Hz頻段內(nèi)的幅值。

經(jīng)虛擬修改后，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化頻響函數(shù)可以有效地控制該路徑的噪聲。因此，在減震彈簧表面附上阻尼片(如圖9所示)，改變彈簧的質(zhì)量和阻尼，使得彈簧的頻響函數(shù)發(fā)生變化。測(cè)試彈簧改變前后狀態(tài)的模態(tài)，對(duì)比2種模態(tài)的模態(tài)點(diǎn)數(shù)和模態(tài)點(diǎn)的頻率，結(jié)果如圖10所示。

圖8 優(yōu)化結(jié)果

圖9 附著阻尼片后的彈簧

圖10 改變前后彈簧模態(tài)點(diǎn)對(duì)比

圖11 人耳處聲壓對(duì)比

將覆蓋阻尼片的彈簧裝到試驗(yàn)車上進(jìn)行道路測(cè)試，比較人耳處的聲壓，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知：附加阻尼片后，彈簧的模態(tài)點(diǎn)減少?？梢?jiàn)，彈簧改進(jìn)前后車內(nèi)噪聲在100～300 Hz頻段內(nèi)得到了控制。

4 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用傳遞路徑方法對(duì)車輛的路噪結(jié)構(gòu)聲問(wèn)題進(jìn)行了甄別，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。在甄別和優(yōu)化路噪問(wèn)題的過(guò)程中，對(duì)工況傳遞路徑分析方法和傳遞路徑分析方法有了較深刻的認(rèn)識(shí)和理解，并得到了如下結(jié)論：

1) 運(yùn)用工況傳遞路徑分析與傳遞路徑分析結(jié)合的方法，可快速鎖定主要的噪聲源，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2) 利用頻譜圖分析對(duì)比某款車各結(jié)構(gòu)傳遞路徑對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量，結(jié)果表明：左右后震彈簧對(duì)車內(nèi)的貢獻(xiàn)量較大。

3) 通過(guò)改變后減震彈簧的質(zhì)量與阻尼，改變了彈簧的頻響函數(shù)，有效控制了結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞，成功減少了該車的路噪。

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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

劉博倫(1992—),男，河北保定人,碩士研究生,主要從事車輛噪聲與振動(dòng)控制研究，E-mail：695442988@qq.com。

劉博倫，孔傳旭.應(yīng)用TPA法的路面結(jié)構(gòu)噪聲診斷及控制[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，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

(責(zé)任編輯劉 舸)