汽車NVH傳遞路徑分析法探討

1、公 路 與 汽 運 第2期 2010 年 3 月 汽車 NVH 傳遞路徑分析法探討* 戴英彪, 李岳林, 袁 凱 410004) ( 長沙理工大學(xué) 汽車與機械工程學(xué)院, 湖南 長沙 摘 要: 對汽車車內(nèi)噪聲的成因進(jìn)行了闡述, 分析了傳 遞路徑分 析法中激 勵力和傳 遞函數(shù) 的 獲取方法以及 系統(tǒng)與子結(jié)構(gòu)的傳遞關(guān)系; 通 過各噪聲 的合成 分析, 確定 了傳遞 途徑上對 車內(nèi)噪 聲 起主 導(dǎo)作用的環(huán)節(jié), 以指導(dǎo)工程分析和設(shè)計。 關(guān)鍵詞: 汽車; 噪聲; 傳遞路徑; 激勵力; 傳遞函數(shù) 中圖分類號: U 462. 3 文 獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號: 1671- 2668( 2010) 02- 00

2、04- 04 隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展, 人們對汽車的高速化、 輕 量化及行駛舒適性提出了更高的要求, 對車內(nèi)噪聲 問題更加關(guān)注。汽車噪聲、 振動及因其而引發(fā)的車 輛乘坐舒適 性( Noise, V ibrat ion & H ar shness, 簡 稱 NVH ) 是衡量汽車產(chǎn)品質(zhì)量的一個綜合性問題, 也是用戶敏感度最高的性能指標(biāo), 越來越影響產(chǎn)品 的美譽度和市場占有率。因此, 提高汽車噪聲控制 水平已成為各汽車制造公司之間新的競爭焦點和技 術(shù)發(fā)展方向, 實現(xiàn)車內(nèi)低噪聲性能成為產(chǎn)品開發(fā)中 的重要任務(wù)之一。 在汽車振動噪聲分析方法中, 基于試驗測試的 方法其數(shù)據(jù)、 結(jié)果直觀, 能夠反映研究

3、對象的本質(zhì)特 性, 但在優(yōu)化控制上存在不足; 而基于數(shù)值計算的方 法通過計算仿真來模擬振動噪聲特性, 便于對結(jié)構(gòu) 進(jìn)行修改、 預(yù)測和優(yōu)化, 節(jié)約成本, 但常因邊界條件 設(shè)定不足及模型簡化處理而不能正確反映結(jié)構(gòu)的實 際特征。傳 遞路徑分 析方法 ( T PA, T ransf er Pat h Analysis) 是一種將試驗 數(shù)據(jù)與仿真計算相結(jié)合的 分析汽車噪聲的方法, 它通過分析主要噪聲的來源 來進(jìn)行有的放矢的改進(jìn)設(shè)計, 因而對汽車 NVH 問 題更具針對性。 1 汽車噪聲聲壓響應(yīng)汽車受多種振動噪聲源的激勵, 每種激勵都可 能通過不同的路徑, 經(jīng)過衰減, 傳遞到多個響應(yīng)點。 為有效降低振動噪

4、聲, 需對各種傳遞路徑進(jìn)行預(yù)測 和分析, 通常采用矢量疊加法, 所以傳遞路徑分析方 法也稱矢量疊加法。 假設(shè)一輛汽車受到 m 個激勵力, 并通過多種交 叉途徑傳到車身上的多個結(jié)構(gòu)支撐點, 每點的激勵 力分為 x 、 、 三個方向, 每個激勵分量都對應(yīng)著 n y z 個特定的傳遞路徑, 那么這個激勵力的分量和對應(yīng) 的某個傳遞路徑就產(chǎn)生一個系統(tǒng)響應(yīng)分量。若以車 內(nèi)噪聲聲壓作為系統(tǒng)的響應(yīng), 則這個聲壓分量可以 表示為: p mnk = H mnk w F nk w ( 1) 式中: H mnk 為傳遞函數(shù); F nk 為激勵力的頻譜。 激勵力如果直接作用在車身上, 則所對應(yīng)的傳 5 6 7 8 馬

5、慶龍. 汽 車傳 動系 參數(shù) 優(yōu)化 及軟 件開 發(fā) D . 秦 皇 島 : 燕山大學(xué), 2004. 宗 成忠. 汽車動力傳動系 統(tǒng)控制 最優(yōu)化模 擬研究 D . 大 連: 大連理工大學(xué), 2000. 徐 正平. 汽車動 力傳動 系與使 用工況 的匹 配研究 J . 機 械設(shè)計與制造工程, 1995( 5) . Self Chang ing Gear . O ne appr oach to engine tr ansmis sio n matching M . Lo ndon: I nst o f M echanical Eng i 11 9 10 neer s, 1986. GB/ T 125

6、45- 1990, 汽車燃料消耗量試驗方 法 S . G B18352. 3- 2005, 輕型汽車污 染物排 放限值及 測量 方法 S . G B3847- 2005, 車 用壓 燃式 發(fā)動 機和 壓燃 式發(fā) 動機 汽車 排氣煙度排放限值及測量方法 S . 收稿日期: 2009- 12- 26 * 基金項目: 湖南省自然科學(xué)基金資助項目( 06JJ20045) ; 湖南省教育廳重點資助科研項目( 07A004) 總第 137 期 H ighw ay s & A utomotiv e A p p l ications 公 路 與 汽 運 5 遞函數(shù)就是車身的傳遞函數(shù); 激勵力如果直接作

7、用 在 車軸, 則所對應(yīng)的傳遞函數(shù)就是從車軸到車身再 到車內(nèi)聲場的傳遞函數(shù)。 車內(nèi)噪聲聲壓受某個激勵力作用, 傳遞過來的 所有聲壓之和可以表示為: N, 3 N, 3 力輸入; 對于空氣噪聲, 則是聲源的體積速度/ 加速 度。下面主要介紹結(jié)構(gòu)力的測量方法及其原理。 2. 1 直接測量法 直接測量法是指在所需分析系統(tǒng)耦合點處附加 力傳感器, 實際中常常用事先標(biāo)定過的彈簧減振器 H mnk w F nk w 來代替力傳感器, 耦合激勵力用測量到的彈簧相對 位移 X nk 來表示: F nk !K X nk ( w ) ( 5) pm = n= 1, k= 1 p mnk = n= 1, k= 1

8、( 2) 車內(nèi)噪聲受所有激勵力的作用, 傳遞過來的所 有聲壓之和可以表示為: p = m 式中: K 為事先標(biāo)定過的彈簧減振器的動態(tài)剛度。 直接測量耦合激勵力的實際操作中會遇到很多 問題: 首先, 力傳感器尺寸和安裝條件會受到限制; 其次, 要考慮如何保證嵌入的彈簧力傳感器不會改 變耦合點的實際工作狀態(tài) ( 如預(yù)應(yīng)力) , 還需考慮如 何保證彈簧相對位移的測量精度。 2. 2 間接測量法 間接測量法不需要嵌入力傳感器, 這在一定程 度上避免了直接測量法的不足, 因而它是工程中常 用的方法。間接測量法主要分為復(fù)剛度法和逆矩陣 法二種。 2. 2. 1 復(fù)剛度法 工作力按下式求得: ( 6) F

9、w = K w Xp w - Xa w 式中: K w 為耦合元件如發(fā)動機支撐的復(fù)剛度特 性曲線; X p w 和 X a w 分別 為耦合點處主 動方 和被動方工作狀態(tài)下的響應(yīng)譜。 使用復(fù)剛度法時需要考慮正確預(yù)載荷和環(huán)境參 數(shù)如溫度等的影響。按實際運行時的邊界條件進(jìn)行 x 、 、 三向激勵, 如果主動方和被動方是剛性連接 y z 或彈性元件的剛度相對于雙方的局部剛度較大, 則 不適合采用該方法, 可采用逆矩陣法。 2. 2. 2 逆矩陣法 如果在車身上選取適當(dāng)數(shù)量的參考自由度并獲 得其工作狀態(tài)下的響應(yīng), 則其工作力向量可按下式 估計: f1 f2 ? fn = H 11 H 21 ? H m

10、1 H 12 H 22 ? H m2 ? ? ? H 1n H 2n ? - 1 pm ( 3) 構(gòu)成汽車車內(nèi)噪聲的因素多而復(fù)雜, 總體上主 要包括結(jié)構(gòu)噪聲及空氣噪聲。結(jié)構(gòu)噪聲是固體傳播 振動通過結(jié)構(gòu)件傳播到車身引起車身振動, 再由車 身板壁振動輻射噪聲至車內(nèi)而形成的噪聲; 空氣傳 播噪聲則是各種噪聲源所輻射的噪聲通過空氣, 由 車身的縫隙或孔洞傳播到車內(nèi)而形成的噪聲( 如圖 1 所示) 。 圖1 汽車車內(nèi)噪聲傳遞路徑分析 空氣、 固體傳播噪聲能量的比例因車型結(jié)構(gòu)和 噪聲頻率的變化有所差別, 故式( 3) 也可表示為: p = p s tructu re + p air ( 4) 傳遞路徑分析

11、中首先需要明確所需分析的激勵 點, 這根據(jù)不同性質(zhì)的問題而定。例如: 車身問題只 需考慮底盤和車身耦合處的力激勵; 整車問題需要 考慮車軸處、 發(fā)動機懸置減振器處、 空調(diào)壓縮機懸置 減振處甚至活塞和氣缸壁之間的力激勵。明確所需 分析系統(tǒng)的耦合點后, 由式( 1) 可知, 傳遞路徑分析 需進(jìn)行傳遞函數(shù)和實際激勵測量。 x1 x2 ? xm ( 7) 2 工作激勵獲取汽車在不同工作狀態(tài)下所受的激勵力是不一樣 ? H mn 式中: f 為路徑上的工作力向量; x 為參考自由 度上的工作響應(yīng)向量, 參考自由度的測點應(yīng)在各支 撐附近的車身側(cè)結(jié)構(gòu)上選取; H ij = x i / f j , 為參考 自由

12、度到工作力的傳遞函數(shù)。 為了增加工作力向量估計的可信度, 應(yīng)使式( 7) 的。假設(shè)工作狀態(tài)給定, 耦合激勵力可以通過直接 測量得到, 也可以通過間接測量得到。對于結(jié)構(gòu)噪 聲, 耦合激勵力是各耦合點處每個自由度上的工作 6 H ighw ay s & A utomotiv e A p p l ications 公 路 與 汽 運 第2期 2010 年 3 月 中的 m #2n, 一 般 取 m = 2n 即 可; 求 解 時 需 對 H 進(jìn)行奇異值分解, 這樣得到的實際是工作力的 最小二乘估計。 結(jié)構(gòu)與其余結(jié)構(gòu)有關(guān)聯(lián)的那些坐標(biāo)( 在這些方向上 子結(jié)構(gòu)受到激勵或輸出響應(yīng)) , 而自激勵自由

13、度是指 在外部激勵作用在子結(jié)構(gòu)的方向上, 該子結(jié)構(gòu)與系 統(tǒng)其余結(jié)構(gòu)沒有關(guān)聯(lián)的那些激勵方向。即 H A RR H A RS HA = H A SR H A SS 這樣式( 8) 可以展開為: XA XA R 3 傳遞函數(shù)綜合 3. 1 傳遞函數(shù)的測量 與激勵力相對應(yīng)的 傳遞函數(shù)可以通過實驗得 到, 也可以通過數(shù)值或解析計算得到。 實驗直接測量傳遞函數(shù)的方法: 一般通過斷開 耦合系統(tǒng), 在耦合點用錘子或激振器來激勵力的作 用點, 然后測量車內(nèi)聲壓。比如在排氣系統(tǒng)掛鉤的 地方敲擊, 在駕駛員耳朵處布置傳聲器就可以測量 車內(nèi)聲壓與敲擊力之間的傳遞函數(shù)。結(jié)構(gòu)噪聲的傳 遞函數(shù)( p / F) i 通常要控

14、制在一定的范圍內(nèi), 對于多 數(shù)轎車來說, 目標(biāo)值一般設(shè)定在 55 dB/ N。圖 2 為 采用激振器來測量傳遞函數(shù)。為了避免其他噪聲的 干擾, 必須在消聲室環(huán)境內(nèi)進(jìn)行測量。 ( 9) = S HA HA RR SR HA HA RS SS FA FA R S ( 10) 同理, 可以寫出另一個與系統(tǒng) A 耦合的系統(tǒng) B 的矩陣式: XB = 展開為: XB XB S HB FB HB HB SS TS ( 11) HB HB ST TT = T FB FB S T ( 12) 式中: 下標(biāo) T 表示系統(tǒng) B 的自激勵自由度。 當(dāng)把系統(tǒng) A 和系統(tǒng) B 作為一個新的耦合系統(tǒng) C 一起考慮時, 耦

15、合系統(tǒng) C 的傳遞矩陣可寫成如下 形式: XC R S T HC = HC HC FC FC FC RR SR TR R S T HC HC HC RS SS TS HC HC HC RT ST TT 圖2 傳遞函數(shù)測量實驗原理 XC XC 另一種方法是利用線性系統(tǒng)的互逆性, 在響應(yīng) 點激勵, 然后測量耦合點的響應(yīng)。如各噪聲源通過 空氣傳播到車內(nèi)各測點的傳遞函數(shù)與車內(nèi)各測點傳 播到各噪聲源的傳遞函數(shù)是相同的, 同時, 通過聲源 間的隔聲處理, 可近似認(rèn)為在測試中各聲源之間相 互獨立, 可得到各聲源向車內(nèi)傳播噪聲的傳遞函數(shù), 進(jìn)而得各聲源對于車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)度。 3. 2 系統(tǒng)與子結(jié)構(gòu)的傳遞關(guān)系

16、處理彈性結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的速度響應(yīng)常常用到導(dǎo) 納的概念。導(dǎo)納的定義 是振動速度和 激勵力的比 值, 是機械阻抗的倒數(shù)。假設(shè)系統(tǒng) A 的振動速度響 應(yīng)向量 X A 與 F A 為外部輸入激勵向量和導(dǎo)納傳 遞函數(shù)( 或稱頻率響應(yīng)函數(shù)矩 陣) H A , 則這個子 結(jié)構(gòu)可表達(dá)為: XA = HA FA ( 8) ( 13) 對于剛性耦合系統(tǒng), 利用耦合點速度連續(xù)性和 力平衡條件可以推出耦合系統(tǒng) C 的傳遞矩 陣與系 統(tǒng) A 和 B 的傳遞矩陣的關(guān)系: HC HC HC RR SR TR HC HC HC RR SR RS SS TS HC HC HC RS SS RT ST TT = 0 0 TT HA

17、 HA 0 HA HA HA HA 0 HB HA SS RS SS TS RS SS TS T + HB SS - 1 考慮到系統(tǒng) A 與其他系統(tǒng)耦合, 可將感興趣的 坐標(biāo)劃分為兩部分: 一部分為自激勵坐標(biāo)或自激勵 自由度, 用下標(biāo) R 表示; 另一部分稱為耦合坐標(biāo)或 耦合自由度, 以下標(biāo) S 表示。耦合自由度是指該子 - HB HA HA - HB ( 14) 總第 137 期 H ighw ay s & A utomotiv e A p p l ications 法的基礎(chǔ), 必須給予重視。 參考文獻(xiàn): 1 2 3 4 公 路 與 汽 運 7 對于柔性耦合系統(tǒng), 耦合點速度不再連續(xù)

18、, 但是 相對位移乘以耦合剛度 K S 等于耦合力。利用這個 邊界條件加上力平衡條件可以推出耦合系統(tǒng) C 的 傳遞函數(shù)矩陣。此處不再詳述。 李岳林. 汽車排放與 噪聲 控制 M . 北京 : 人 民交 通出 版社, 2007. 趙彤航. 基于傳遞路 徑分析 的汽車 車內(nèi)噪 聲識別 與控 制 D . 長春: 吉林大學(xué), 2008. 龐劍, 諶剛, 何華. 汽 車噪 聲與振 動: 理論 與應(yīng) 用 M . 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2006. Juha Plunt. F inding and fix ing vehicle N V H problems w ith transfer path a

19、nalysis J . Sound and V ibration, 2005( 11) . 4 各路徑噪聲合成分析 圖 3 為一系統(tǒng)傳遞路徑分析模型中各傳遞路徑 對總響應(yīng)貢獻(xiàn)的矢量疊加圖。這些不同的貢獻(xiàn)矢量 疊加, 由于相位不同, 有的相互加強, 有的相互削弱, 最終響應(yīng)是矢量相干疊加的結(jié)果。傳遞路徑分析法 不僅可以預(yù)測系統(tǒng)響應(yīng), 更重要的在于振動和噪聲 響應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)時, 工程人員能夠找到關(guān)鍵傳遞路徑, 有目的地進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。 5 L M S Int er national. T r ansfer path analy sis: T he qualifi cat ion and quantif

20、icat ion of vibr o acoustic transfer paths Z . L M S Inter nat ion, A pplication No tes, 1995. 6 Dubbaka K R, Zw eng F J, Haq S U . A pplicatio n of noise pat h tar get sett ing using the technique of transfer path analysis R . SAE P aper , 2003. 7 J P lunt. Examples of using transfer path analysis

21、to gether w ith CA E models to diag nose and find so lutio ns for NV H pro blems late in the v ehicle develo pment pro cess R . SA E Int. P aper , 2005. 圖 3 系統(tǒng)矢量疊加示意圖 8 H aste F , N achimuthu A . Calculating par tial co nt ribu tio n using component sensitiv ity va lues: A differ ent ap pr oach to t

22、r ansfer path analy sis R . SA E Paper, 1999. 從傳遞路徑分析方法來看, 對汽車的降噪可以 從三個方面考慮: 一是消除或減弱聲源激勵, 如改進(jìn) 旋轉(zhuǎn)件的平衡、 減少相對運動件的摩擦; 二是控制噪 聲傳遞路徑, 使噪聲傳遞到車內(nèi)的過程中受到阻斷 或削弱; 三是保護(hù)噪聲接受者。可通過吸聲、 隔聲、 消聲、 隔振、 阻尼和密封等技術(shù)手段來達(dá)到所期望的 降噪目的。 9 劉東明, 項黨, 羅清, 等. 傳遞路徑分析在車內(nèi)噪 聲與振 動研究 與分 析 中 的 應(yīng) 用 J . 噪 聲 與 振 動 控 制, 2007 ( 4) . 10 11 12 李克 強, 何 渝生, 梁 錫昌. 汽車 噪聲 矢量合 成分 析法 及應(yīng) 用 J . 汽車工程 1995, 17( 6) . 陳光 冶, 蔣偉康. 一種 分析車 內(nèi)噪聲 傳遞特 性的 試驗 方法 J . 汽車工程, 2000, 22