车内噪声传递路径分析方法探讨

第 27 卷第 3 期 2007 年 9 月 振动、 测试与诊断 Jou rna l of V ib ra t ion,M ea su rem en t & D iagno sis V o l 27 N o. 3 . Sep. 2007 车内噪声传递路径分析方法探讨 郭 荣 万 钢 赵艳男 周江彬 ( 同济大学新能源汽车工程中心 上海, 201804) 摘要 为了指导汽车NV H 工程师更好地进行故障诊断和声学设计, 介绍了传递路径分析 ( T PA ) 方法的基本原理, 详细分析传递函数和激励力的测量方法, 并以某型汽车发动机振动噪声向车内传递为例, 介绍 T PA 方法的应用。 试 验结果表明, 应用 T PA 方法可有效、 方便地进行噪声源识别和贡献分析。 关键词 车内噪声 传递路径分析 传递函数 激励力 贡献分析 中图分类号 U 461. 3 引 言近 年来, 人们对汽车行驶时的NV H 性能, 即噪 声 (N o ise ) 、 振动 (V ib ra t ion ) 、 舒适性 (H a rshness) 越 来越关心和重视, 车内的低噪声设计已成为产品开 发中的重要研究课题[ 1 ]。 传递路径分析 ( T ran sfer Pa th A na lysis, 简称 T PA ) 是一种以试验为基础的方法, 可让NV H 工程 师寻找声源通过结构或空气传递到指定接受位置的 振动——声学功率流。 PA 经常是与部分贡献的概 T [1 ] 念相联系的 。 这是由于传递路径分析中假设: 来自 不同路径的所有部分贡献构成了总响应。 对传递路 径分析方法和应用许多研究者 进 行 了 大 量 的 研 。 1993 年, 文献 [ 1 ] 使用互易性机械2声学传递函 数测量方法, 进行结构传递噪声诊断。1996 年, P. J. [2 ] G. van der L inden 等 和 1997 年 W im H end ricx [ 1- 11 ] 的影响。 文献 [ 8 ] 基于 T PA 技术提出了子系统目标 设置方法, 即将系统级 NV H 目标分解到子系统级 目标, 并以道路噪声问题描述该方法的应用。 文献 [ 9 ] 提出了基于传递路径矩阵转置的车身板件噪声 贡献分析方法。 2005 年, 文献 [ 10 ] 应用试验方法研究中频结构 传递噪声, 通过阻抗方法和最小平方方法估计路径 上的作用力, 并研究不同路径结构噪声的等级排序 方法。 文献 [ 11 ] 应用传递路径方法分析不同车身板 件对车内噪声的贡献, 将驾驶舱分割成 7 个板件, 每 个板件又分成 20 个子板件。该文应用互易法测量空 气声传递函数, 引入了新型传感器 ( 声学速度传感 器) 阵列测量板件振速。 当前, 系统的 T PA 方法在国外应用较为广泛而 且还在不断发展, 我国汽车 NV H 领域应用还刚起 步。 本文将介绍 T PA 的基本原理, 详细分析传递函 数和激励力的测量方法, 并以某型国产轿车为例介 绍该方法的应用, 以期指导和帮助汽车NV H 工程 师进行故障诊断和声学设计。 Ξ 究 等[ 3 ] 介绍空气传播声量化方法基本原理, 分析不同 车身板件对车内噪声的贡献。 1999 年, 文献 [ 4 ] 引入间接力估计技术, 并把它 应用于汽车传递路径分析。 文献 [ 5 ] 提出了双通道传 递路径分析 (B T PA ) 方法, 可用于汽车声品质、 声学 设计和故障诊断。 2003 年, 文献 [ 6 ] 介绍了 H ead 公司开发的用于 1 基本原理 [1 ] T PA 方法的基本原理基于假设 : 来自不同路 径的所有部分贡献构成了总响应 Pk = 测量声学传递函数以及结构2声学传递函灵敏双通 道声源 ( 或称人工头扬声器) , 并把它可用于双通道 传递路径分析。 文献 [ 7 ] 应用 T PA 方法研究发动机 声品质, 研究不同部件改进对曲柄隆隆声主观感觉 Ξ ∑P i, j ijk ( 1) 其中: P k 为乘员位置 k 处的总声压; P ijk 为传递途径 i 在 j 方向对乘员位置 k 总声压的部分贡献。 P ijk = H ijk S ij ( 2) 国家 “八六三” 基金资助项目 ( 编号: 2005AA 501000) 。 收稿日期: 2006206215; 修改稿收到日期: 2006208209。 200 振 动、测 试 与 诊 断 第 27 卷 其中: H ij k 为传递路径 i 上 j 方向到乘员位置 k 的传 递函数, 结构2声学传递函数或声学传递函数; S ij 为 传递路径 i 上 j 方向上的实际激励。 由公式 ( 2) 可知, 传递路径分析需进行传递函数 和实际激励测量。 2 传递函数测量 211 力锤激励法 212 互易性方法 力锤激励法主要用于测量结构2声学传递函数。 测量时, 装有力传感器的力锤在靠近悬置的位置激 励, 麦克风安放在乘员耳侧采集声信号。 力锤应该使 用标定过的力锤, 锤头一般使用钢头, 但是如果希望 在低频获得比较好的结果, 也可以使用塑料头或橡 胶头。通常一个位置敲 6 8 次, 最后的结果求平均。 ～ 结构2声学传递函数[ 1 ] 如下 H m aijk = P ijk f ij ( 3) 其中: H m aijk 为结构2声学传递函数; f ij 为传递路径 i 上 j 方向上的激励力。 线性弹性系统内, 某一点的振动激励会在另一 点产生响应。 一般, 如果系统是被动的和时不变的, 振动传递不随激励点和观测点的位置交换而变化, 这样一个系统就是互易的。 换句话说, 互易性表示某 一方向的传递路径等于相反方向的传递路径, 该原 理在机械、 电学、 声学系统以及混和系统内是有效 的[ 6 ]。 1860 年, H elm ho ltz 通过研究管道声传递首次 提出声学互易性测量方法。 1873 年, R ayleigh 得出 了一般意义上的互易性理论。1959 年, L yam shev [ 12 ] 对假设进行了正式验证, 他认为任何振动结构都可 包 含在互易系统内, 给汽车NV H 领域 T PA 方法的 应用铺平了道路。 此后, 互易法在结构2声学传递函 数 [ 1, 6 ] 和声学传递函数 [ 2, 6, 11 ] 测量中得到了应用。 21211 结构2声学传递函数 对于结构2声学传递函数测量来说, 体积声源安 放在驾驶室内, 车身悬置点 ( 或车身板件上) 上安放 加速度传感器拾振。 与传统的锤击方法不同, 采用互 易法所有连接点的加速度可同时测量。 结构2声学传 递函数基于如下关系 ( 4) H m aijk = P ijk f ij = v q k 其中: v 为表面振动速度; qk 为麦克风位置 k 处的体 积速度。 安放在驾驶室中的声源必须满足如下的要求: a. 声源近似为多方向辐射噪声的点源; b. 声源必须 能够激发出高幅值低频噪声, 以使各点处有可测量 的加速度; c. 声源的有效体积速度必须精确地测量。 212. 2 声学传递函数 声学传递函数主要用于分析空气传播噪声, 测 量方法类似于结构2声学传递函数, 具体如下: 声源 放置在驾驶室内, 麦克风测量噪声源 ( 例如发动机) 近场噪声。 由于空气传播噪声主要以中高频为主, 所 当然由于互易性, 激励位置和测量位置可以互换, 本 文实例中对该方法详述。 以声学传递函数测量对声源没有高幅值低频要求。 3 激励力测量方法 实际激励可为力或体积速度。 体积速度测量在 身板件贡献分析中应用较多, 测量方法有点- 点表 面采样法、 矩阵转置法和声强测量法。 限于篇幅, 为 了结合实例, 本文只对激励力测量方法做分析。 实际 激励力经常通过间接方法估算得到, 而不是直接测 法。前者需要知道悬置刚度矩阵, 而第 2 种方法则无 此要求。 311 悬置刚度方法 量, 目前有两种方法: 综合刚度方法和矩阵转置方 对于传递路径来说, 激励位置到接受位置是通 过悬置相连的, 实际力可通过悬置综合刚度矩阵 k (w ) 和悬置上下支点间位移差得到。 ( 5) f i (w ) = K (w ) (X i (w ) - X t (w ) ) 其中: f i (w ) 为传递路径 i 上的实际力; K (w ) 为悬置 刚度矩阵; X t (w ) 为悬置下支点实际位移; X i (w ) 为 悬置上支点实际位移。 采用该方法, 测量悬置上下支点的实际位移是 很重要的, 位移经常是通过测量加速度得到。 测量 时, 加速度传感器安放应尽可能的靠近悬置点, 当然 由于空间限制, 布置起来可能有难度, 但传感器布置 频率特征。 通常, 分析只考虑直线位移, 而忽略转动 或转矩影响。 悬置刚度矩阵除了以力 位移表示外, 也可以力 速度、 加速度形式表示。 力 当测量悬置动 载。 的离悬置点比较远, 得到的加速度将不能反映较高 力学刚度时, 应尽可能用接近实际工作条件的力加 312 矩阵转置方法 矩阵转置方法估计实际力原理如公式 ( 6) 。 采用 第 3 期 郭 荣等: 车内噪声传递路径分析方法探讨 201 该方法估计实际力, 需测量力 加速度传递函数 ( 也 称表观质量) , 结合实测振动加速度, 可获得力估计 值。 F = H - 1 β 其中: F 为实际激励力; H 为力 加速度传递函数; X 为实际激励下的加速度。 4 实例分析 图 1 为某型发动机向车内传递噪声路径, 包括 结构传递噪声和空气传播噪声。 结构传递噪声包括 发动机左悬置传递路径 (A 1 ) , 发动机右悬置传递路 径 (A 2 ) 和变速箱悬置传递路径 (A 3 ) 。空气传播噪声 途径包括发动机底面 ( P 1 ) 、 发动机右面 ( P 2 ) 、 发动 机 左面 ( P 3 ) 、 发动机排气面 ( P 4 ) 、 发动机上面 ( P 5 ) 发动机进气面 (P 6 ) 。 其中, (H A 1 ) l, r 代表发动机左悬 右耳 ( r) 的传递函数, 其他 置 (A 1 ) 到人工头左耳 ( l) 、 传递函数的含义类似。 (a ) 结构传递路径 (b ) 空气传播路径 图 1 某型发动机向车内传递噪声途径 β X ( 6) 结构噪声试验过程描述: 试验在半消声室中进 行, 试验工况: 发动机加速 ( 1 000 6 000 r m in, 三 ～ 挡) , 发动机侧悬置处和车身侧悬置处各布置三向加 速度传感器, 双通道人工头放置在副驾驶位置, 德国 H ead 公司 SQL ab II 系统采集数据。 车身表观质量和结构2声学传递函数通过力锤 激励法获得, 锤击位置靠近发动机悬置的地方, 总共 敲击 7 次, 最后结果求平均值。悬置传递函数H ( f ) 1 通 过加速工况实测的悬置车身侧加速度 aou t 和发动 机侧加速度 a in 获得。人工头采样频率为 44 000 H z, 加速度传感器采样频率设为 4 000 H z。 412 空气传播噪声分析 411 结构传递路径分析 如图 2 所示, 发动机振动到车内噪声的结构传 递噪声路径分为 3 个部分。 ( 1) 悬置传递函数 H ( f ) 1 = a ou t a in ( 7) 其中: aou t 为悬置车身侧加速度; a in 为悬置发动机侧 加速度。 ( 2) 车身表观质量 ( 或称车身阻抗) ( 8) H ( f ) 2 = F ou t a ou t 其中: F ou t 为悬置作用在车身上的力。 ( 3) 结构2声学传递函数 H ( f ) 3 = SPL F in 其中: SPL 为人工头左右耳声压级; F in = F ou t。 ( 9) 图 2 结构传递路径分析流程图 空气声学传递函数测量采用互易法。 通常进行 发动机空气传播噪声分析时, 把发动机看成是长方 体, 6 个面辐射噪声。试验使用 6 个麦克风对发动机 进行近场测量, 激励声源使用接近各个麦克风的专 用扬声器, 使用正弦扫频信号, 麦克风采样频率为44 000 H z。 双耳空气噪声传递函数通过每个麦克风到 驾驶员位置人工头 ( 左耳和右耳) 计算出来, 计算公 式如下 H ( f ) B IN i = SPL B IN i SPL M ici ( 10) 其中: B I 代表人工左 右耳; M ic 代表麦克风; i 为 N 202 振 动、测 试 与 诊 断 第 27 卷 1 6 号麦克风。 ～ 4. 3 传递路径合成及贡献分析 将上述 9 条结构传递路径的声学贡献量和 6 条 空气传递路径声学贡献量分别进行合成