SUV尾門(mén)振動(dòng)對(duì)聲腔模態(tài)的影響

吳建華，程大慶，李 揚(yáng)，馬思群*

（1.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.北京鼎昱晨星技術(shù)服務(wù)有限公司，北京 101102）

轟鳴噪聲對(duì)汽車駕駛有很大影響。汽車內(nèi)部 的轟鳴噪聲主要有發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎等處的噪聲，經(jīng)板件和空氣振動(dòng)傳遞到車內(nèi)形成。因此，影響車內(nèi)噪聲的兩大因素為板件的振動(dòng)特性和車內(nèi)聲腔的聲學(xué)特性。本文分析車內(nèi)聲腔的聲學(xué)模態(tài)及頻響函數(shù)，進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，避免振動(dòng)導(dǎo)致的轟鳴噪聲，從而獲得車內(nèi)聲學(xué)特性較好的舒適性環(huán)境。

1 聲腔模態(tài)與轟鳴噪聲

車輛在封閉狀態(tài)下，車內(nèi)聲氣由于彈性會(huì)形成振動(dòng)模態(tài)，或稱聲腔模態(tài)。理論上該聲腔模態(tài)僅與封閉聲間的幾何尺寸有關(guān)，其聲學(xué)方程為

式（1）為理想狀態(tài)假設(shè)，即聲腔壁為剛性，但是在低階聲腔模態(tài)的頻率范圍內(nèi)，組成車內(nèi)聲間的車身并非剛性，是由鋼板沖壓焊接而成的薄壁結(jié)構(gòu)，本身有頻率及振型。某一頻率的聲波在車內(nèi)傳播時(shí)，入射波和入射波與車內(nèi)壁薄板反射波產(chǎn)生干涉，當(dāng)某些鈑金振動(dòng)頻率與聲腔頻率相近或一致時(shí)，會(huì)形成很強(qiáng)的流固耦合作用。這也是車內(nèi)聲腔模態(tài)的產(chǎn)生機(jī)理。

當(dāng)外界激勵(lì)頻率與車內(nèi)聲腔模態(tài)頻率在20 Hz～200 Hz范圍內(nèi)產(chǎn)生共振時(shí)，車內(nèi)聲腔共振位置處會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的低頻聲壓脈沖，產(chǎn)生的噪聲會(huì)給駕乘者帶來(lái)不舒適感。激勵(lì)方式主要有發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、不規(guī)則路面。

聲腔模態(tài)通常被認(rèn)為是無(wú)法改變的，當(dāng)車輛的尺寸確定后，聲腔模態(tài)隨之確定。測(cè)試聲腔模態(tài)的目的，主要是了解車內(nèi)聲壓的分布，其聲壓級(jí)公式為

式中，L是聲壓級(jí)；為實(shí)際聲壓；為參考聲壓，通常取=2×10Pa。

在頻率分析時(shí)，聲腔模態(tài)是禁區(qū)，通過(guò)加強(qiáng)梁或鈑金，使其振動(dòng)頻率改變，與聲腔模態(tài)錯(cuò)開(kāi)一定頻率。

2 低頻聲腔模態(tài)的改變

在大多數(shù)的車輛噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration and Harshness, NVH）測(cè)試分析中，特別是SUV的轟鳴噪聲研究中，人們都注意到了車內(nèi)的轟鳴噪聲與后備門(mén)、前風(fēng)擋有關(guān)。在解決車身局部振動(dòng)與聲腔模態(tài)時(shí)，毫無(wú)例外的是將車身局部鈑金作為研究對(duì)象，通過(guò)限制車身局部鈑金在共振頻率處的振動(dòng)，進(jìn)而降低車內(nèi)低頻轟鳴噪聲。比如利用動(dòng)態(tài)吸能器，吸收關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)，如圖1所示。

由圖1可列強(qiáng)迫振動(dòng)方程式（3），即

如圖2所示，通過(guò)把視為鈑金件的質(zhì)量體，在其上附加一個(gè)的質(zhì)量體，將原本一個(gè)大的峰值，變?yōu)楹蛢蓚€(gè)小的峰值，從而抑制鈑金件的振動(dòng)。車身局部鈑金模態(tài)與聲腔模態(tài)耦合，如果將聲腔氣體作為研究，將車身薄壁鈑金作為，雖然無(wú)法改變，但是通過(guò)改變的質(zhì)量和剛度，可以在某些頻率上改變車內(nèi)聲腔模態(tài)，降低車內(nèi)低頻轟鳴噪聲。可利用振動(dòng)的聲腔使鈑金產(chǎn)生振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)吸能。

大多數(shù)車輛的聲腔模態(tài)的低階振型表現(xiàn)在縱向上，該SUV的縱向尺寸較長(zhǎng)，其低頻峰值頻率更低，影響更顯著。SUV尾門(mén)的法向與縱向的夾角較小，對(duì)該方向的模態(tài)影響較大。當(dāng)車內(nèi)聲腔受到激勵(lì)時(shí)，振動(dòng)的聲腔驅(qū)動(dòng)尾門(mén)鈑金振動(dòng)，適當(dāng)調(diào)節(jié)鈑金的振動(dòng)頻率，使之起到吸能的作用，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲腔模態(tài)的改變。

3 模態(tài)測(cè)試及分析

進(jìn)行某SUV的聲腔模態(tài)測(cè)試。測(cè)試設(shè)備采用麥克風(fēng)傳感器B&K 4189-A-201；麥克風(fēng)標(biāo)定器PCB CAL200；前端LMS SCM05；體積聲源LMS LMFVVS。

聲腔模態(tài)測(cè)試共設(shè)置181個(gè)測(cè)點(diǎn)，單個(gè)體積聲源放置在行李箱左后方；測(cè)試方法為固定體積聲源，移動(dòng)麥克風(fēng)；頻率激勵(lì)范圍為20 Hz～800 Hz。

測(cè)點(diǎn)布置要均勻，以便能反映車身的整體模態(tài)， 在部分區(qū)域可增加布置點(diǎn)。聲腔模態(tài)測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示。

通過(guò)聲腔模態(tài)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)尾門(mén)受到聲腔的激勵(lì)，在36 Hz出現(xiàn)峰值，即當(dāng)外部激勵(lì)源激勵(lì)起車內(nèi)聲腔模態(tài)時(shí)，車內(nèi)聲腔在36 Hz時(shí)會(huì)激勵(lì)起尾門(mén)的振動(dòng)。數(shù)據(jù)如圖4所示。

在尾門(mén)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，測(cè)得空腔模態(tài)聲壓分布如圖5所示。其中高壓區(qū)主要分布在前排空間。

通過(guò)尾門(mén)模態(tài)測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)尾門(mén)在36 Hz時(shí)本身并無(wú)模態(tài)。數(shù)據(jù)如圖6所示。

由于車輛尾門(mén)的面積大，通過(guò)主動(dòng)設(shè)計(jì)尾門(mén)的振動(dòng)模態(tài)頻率，尾門(mén)在聲腔激勵(lì)時(shí)，起到一個(gè)動(dòng)力吸振器的作用，從而實(shí)現(xiàn)改變車內(nèi)聲腔模態(tài)的作用。

尾門(mén)頻率設(shè)計(jì)時(shí)要考慮有多種選擇，比如是用剛體模態(tài)還是用柔性體模態(tài)實(shí)現(xiàn)上述功能。其中剛體模態(tài)決定于尾門(mén)的質(zhì)量和膠墊的剛度，但存在安裝一致性的風(fēng)險(xiǎn)；柔性體模態(tài)的安裝一致性影響較小，但需要弱化尾門(mén)板存在異響的風(fēng)險(xiǎn)。

頻率選擇方面，通過(guò)某SUV車內(nèi)前排聲腔測(cè)點(diǎn)位置的頻響函數(shù)分析，如圖7所示。在36 Hz附近的谷值，可用來(lái)降低該車型在23 Hz～40 Hz范圍內(nèi)的傳遞函數(shù)，改善前排聲腔區(qū)域的低頻轟鳴噪聲。當(dāng)然產(chǎn)生谷值的頻率設(shè)計(jì)在23 Hz～36 Hz范圍內(nèi)，可以進(jìn)一步降低該車在23 Hz～40 Hz范圍內(nèi)的傳遞函數(shù)，但是會(huì)犧牲加速時(shí)的噪聲性能，國(guó)內(nèi)很多車受到1 000 r/min～1 200 r/min起步轟鳴的困擾，因此，谷值頻率設(shè)置在36 Hz附近是合理的。

通過(guò)車內(nèi)后排聲腔測(cè)點(diǎn)位置的頻響函數(shù)分析，如圖8所示。對(duì)于后排聲腔而言，36 Hz的谷值也可改善該區(qū)域噪聲，但效果沒(méi)有前排顯著。

4 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

對(duì)尾門(mén)采用兩種方法進(jìn)行優(yōu)化測(cè)試，在前后排四個(gè)主要位置測(cè)得數(shù)據(jù)，如圖9—圖12所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，測(cè)試一顯示，在23 Hz～36 Hz范圍內(nèi)前后排峰值均顯著降低；測(cè)試二顯示，在23 Hz～36 Hz范圍內(nèi)前后排峰值均降低，且前排33 Hz附近峰值也消失。即達(dá)到降低該車在23 Hz～40 Hz范圍內(nèi)的傳遞函數(shù)，改善該車體低頻的轟鳴噪聲的目的。

5 結(jié)論

車內(nèi)聲腔產(chǎn)生低頻轟鳴噪聲問(wèn)題時(shí)，需找到轟鳴噪聲的激勵(lì)源以及聲腔模態(tài)共振的頻率并解耦。一般解決車內(nèi)聲腔模態(tài)與車身鈑金件模態(tài)耦合的方法是限制薄壁鈑金件的振動(dòng)，采用改變結(jié)構(gòu)剛度、施加阻尼、添加筋板等措施來(lái)降低部件的振動(dòng)量。但通過(guò)研究，由薄壁鈑金件振動(dòng)實(shí)現(xiàn)聲腔內(nèi)入射波和入射波激勵(lì)起車身鈑金振動(dòng)后，產(chǎn)生的波形相互疊加消失，同樣可以改善車內(nèi)聲腔模態(tài)，進(jìn)而解決車內(nèi)轟鳴噪聲問(wèn)題。