基于便攜式采集前端及LMS Test. lab 8A軟件研究車輛聲振傳遞路徑

1、前言

汽車噪聲、振動(dòng)及因其而引發(fā)的車輛乘坐舒適性問題，即NVH（Noise， Vibration & Harshness）問題， 是衡量汽車產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)綜合性問題。它給用戶的感受最直接，越來越影響到產(chǎn)品的美譽(yù)度和市場(chǎng)占有率，因此受到各大整車制造企業(yè)和零部件企業(yè)的普遍關(guān)。汽車內(nèi)部噪聲和振動(dòng)現(xiàn)象，往往是由多個(gè)激勵(lì)，經(jīng)由不同的傳遞路徑抵達(dá)目標(biāo)位置后疊加而成的。當(dāng)今汽車新產(chǎn)品研發(fā)過程中，為了進(jìn)一步優(yōu)化整車NVH 性能，往往要綜合考慮各個(gè)激勵(lì)和傳遞路徑的情況，而傳遞路經(jīng)分析（TPA，Transfer Path Analysis）就是一個(gè)行之有效的方法。通過傳遞路徑分析，確定各途徑流入的激勵(lì)能量在整個(gè)問題中所占的比例，找出傳遞途徑上對(duì)車內(nèi)噪聲起主導(dǎo)作用的環(huán)節(jié)，通過控制這些主要環(huán)節(jié)，如使聲源的強(qiáng)度，路徑的聲學(xué)靈敏度等參數(shù)在合理的范圍里，以使車內(nèi)噪聲控制在預(yù)定的目標(biāo)值內(nèi)。本文基于LMS SCANDAS MOBILE SCM05 便攜式采集前端及LMS Test. lab 8A 軟件對(duì)某國(guó)產(chǎn)轎車車內(nèi)聲振傳遞路徑進(jìn)行分析，得出分析結(jié)果并為進(jìn)一步提高和改善整車NVH 性能奠定了基礎(chǔ)。

2、車輛聲振傳遞路徑分析原理

在工程振動(dòng)噪聲測(cè)試分析工作中，譜分析以及概率統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用很多，但是都具有一個(gè)共同缺點(diǎn)， 要求對(duì)比試驗(yàn)的條件和工況完全相同，否則無法進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)，這樣試驗(yàn)的工況十分復(fù)雜，要求處理的數(shù)據(jù)多，工作量非常大，而又很難用簡(jiǎn)單的圖表全面地說明問題。傳遞特性的分析能夠很好地解決上面說的問題，其分析結(jié)果具有較好的可比性，為了取得結(jié)果，一般僅需選擇一種工況進(jìn)行試驗(yàn)就可以得到滿意的結(jié)果。由于傳遞特性分析具有這一突出的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程問題上應(yīng)用很普遍，從而得到迅速的發(fā)展。

車內(nèi)噪聲總體上可分為結(jié)構(gòu)聲和空氣聲兩種。在結(jié)構(gòu)聲情況下，激勵(lì)源和目標(biāo)點(diǎn)分屬于兩個(gè)不同的系統(tǒng)，激勵(lì)源一側(cè)的結(jié)構(gòu)稱為主動(dòng)方，目標(biāo)點(diǎn)一側(cè)的結(jié)構(gòu)稱為受動(dòng)方，一般兩者在分界處（可稱之為耦合點(diǎn)）通過某種耦合元件連接起來，具體可表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤部件在車身上的支撐、鉸鏈及橡膠軸套等。比如，作為激勵(lì)源的發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)方，車身結(jié)構(gòu)為受動(dòng)方，其間的支撐為耦合元件。而目標(biāo)可以是某點(diǎn)的聲壓，也可以是該點(diǎn)在某一自由度上的振動(dòng)。在空氣聲的情況下，路徑上不存在耦合點(diǎn)，如果有N 個(gè)輻射聲源，就形成N 條傳遞路徑。

假設(shè)系統(tǒng)是線性時(shí)不變的，則車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的聲壓或振動(dòng)水平等于各激勵(lì)源以工作載荷激勵(lì)時(shí)沿不同路徑傳播到車內(nèi)的能量的疊加，如圖1 所示。TPA 的目的是研究能量在這些路徑上的傳播情況。

圖1 傳遞路徑分析模型

由以上分析和假設(shè)可知，來自不同路徑的所有部分貢獻(xiàn)構(gòu)成了總響應(yīng)

由式（2）可知，進(jìn)行傳遞路徑分析的主要工作包括：

（1）工作載荷的獲取。對(duì)于結(jié)構(gòu)聲，是各耦合點(diǎn)處每個(gè)自由度上的工作力輸入；對(duì)于空氣聲則是聲源的體積速度/加速度。該項(xiàng)工作需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入，是TPA 最繁重的部分，也直接決定分析結(jié)果的可信程度。

（2）路徑頻響函數(shù)的獲取。對(duì)于結(jié)構(gòu)聲，測(cè)量耦合點(diǎn)處每個(gè)自由度到響應(yīng)位置的頻響函數(shù)，測(cè)量時(shí)受動(dòng)方與主動(dòng)方應(yīng)在各耦合點(diǎn)處應(yīng)解耦。對(duì)空氣聲，測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)到聲源的頻響函數(shù)。

3、試驗(yàn)測(cè)試

國(guó)內(nèi)某新型B 級(jí)轎車在試制過程中，發(fā)現(xiàn)1500rpm 左右車內(nèi)有共振現(xiàn)象，本文利用LMS SCANDAS MOBILE SCM05 便攜式采集前端及LMS Test. lab 8A 軟件對(duì)該車進(jìn)行聲振傳遞路徑分析，得出了問題的根源所在，提出了解決方案，為進(jìn)一步提高該車的NVH 性能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

LMS SCADAS Mobile SCM05 前端與LMS Test. Lab 8A 實(shí)時(shí)分析軟件無縫地集成組成一個(gè)強(qiáng)大的聲-振分析儀與記錄儀，它具有傳統(tǒng)分析儀使用方便的特點(diǎn)，同時(shí)它又是一個(gè)先進(jìn)的噪聲和振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)， 具有高速的性能和強(qiáng)大的測(cè)量能力。同時(shí)，LMS Test. Lab 8A 可以使試驗(yàn)進(jìn)行得更有效、更方便；它可以使試驗(yàn)部門的工作效能大大地提高，并利用現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備獲得更高的回報(bào)；即使可用的實(shí)物樣機(jī)大大減少，它還是可以得到更全面可靠的試驗(yàn)結(jié)果，有效地利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)試系統(tǒng)如圖2 所示，主要由LMS SCADAS Mobile SCM05 前端（24 通道）、LMS Test. Lab 8A 分析軟件、ICP 加速度傳感器以及ICP 聲學(xué)傳感器組成。

測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)核模型

圖2 測(cè)試系統(tǒng)組成

3.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

汽車行駛時(shí)，車體所受到的激勵(lì)力主要來自于兩個(gè)方面。一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系的振動(dòng)經(jīng)彈性懸置傳遞給車身；另一方面，不平路面引起輪胎振動(dòng)，經(jīng)懸架、車架傳遞給車身。為正確區(qū)分車內(nèi)振動(dòng)、噪聲來源及其傳遞路徑分析，采用了整體隔離的試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了三種不同的測(cè)試工況來分別分析發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)、路面激勵(lì)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響：

（1）駐車試驗(yàn)。在汽車駐車試驗(yàn)中，將汽車置于舉升臺(tái)上，發(fā)動(dòng)機(jī)工作，汽車在舉升臺(tái)上原地不動(dòng)。此時(shí)只存在發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)汽車的激勵(lì)，這樣就可以通過對(duì)此時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)汽車車內(nèi)噪聲的影響和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的傳遞特性；

（2）滑行過減速帶試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作滑行過減速帶，此時(shí)主要是路面激勵(lì)對(duì)汽車的激勵(lì)，這樣就可以通過對(duì)此時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到路面對(duì)汽車車內(nèi)噪聲的影響和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的傳遞特性；

（3）道路試驗(yàn)。在與過減速帶試驗(yàn)相同的路面上進(jìn)行汽車的正常行駛試驗(yàn)，通過對(duì)此時(shí)汽車振動(dòng)噪聲信號(hào)的分析，結(jié)合原地試驗(yàn)、過減速帶試驗(yàn)的結(jié)論分析在正常行駛條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)和路面激勵(lì)對(duì)汽車車內(nèi)噪聲的影響情況。

通過上述三種工況的試驗(yàn)，我們可以找到一種研究汽車車內(nèi)噪聲的正確、可靠、便利的試驗(yàn)手段和分析方法，便于正確分析車內(nèi)噪聲的來源和傳遞路徑。

3.3 數(shù)據(jù)采集與分析

測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和分析部分采用LMS Test. Lab 8A/Advanced Signature Testing 模塊，在將計(jì)算機(jī)、采集前端和傳感器連接好后，通過通道設(shè)定，測(cè)量帶寬和觸發(fā)設(shè)置以及輸入信號(hào)量程的自動(dòng)設(shè)置， 軟件會(huì)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。值得一提的是必須在功能選項(xiàng)“add-in”中勾中“Time Recording During Signature Testing”功能模塊，以便在接下來的分析中運(yùn)用測(cè)試數(shù)據(jù)。各種工況傳感器布置位置見表1。

對(duì)道路試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行階次分析，如圖3 和圖4 所示。在1500rpm 左右車內(nèi)噪聲和振動(dòng)都達(dá)到最大值，此時(shí)二階振動(dòng)在起主要作用。再對(duì)數(shù)據(jù)做頻譜分析，如圖5 和圖6 所示。在50Hz 左右車內(nèi)噪聲和振動(dòng)都達(dá)到峰值。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的主要激振力的基頻公式：（f=n/（60*t））=1500/（60×2）=12.5Hz，而作為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其基頻為12.5Hz×2=25Hz，二階為50Hz。以上情況說明50Hz 是引起車內(nèi)噪聲和振動(dòng)達(dá)到峰值的頻率，同時(shí)也處在引起人主觀感覺不舒適的主要頻率帶內(nèi)（20Hz~200Hz）。

分別對(duì)原地試驗(yàn)和滑行過減速帶試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分別做傳遞函數(shù)分析（FRF），F(xiàn)RF 方法是Test.Lab 軟件系統(tǒng)后處理功能，可以很方便得出輸出/輸入的傳遞特性。具體如圖7和圖8所示。從圖中不難看出引起車內(nèi)噪聲和振動(dòng)的主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)（尤其是副車架）而來的振動(dòng)。

同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)做了振動(dòng)隔振率分析，知道四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置中，左懸置隔振率比較差。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析也驗(yàn)證了車內(nèi)1500rpm 左右的共振現(xiàn)象是由發(fā)動(dòng)機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)激振力的二階振動(dòng)引起的。需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般的解決工程問題方法是在前副車架上加上一個(gè)50Hz 的動(dòng)力吸振器，同時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)左懸置的阻尼與剛度，并需要做進(jìn)一步的測(cè)試分析才能消除1500rpm 左右的車內(nèi)共振現(xiàn)象。

4、 結(jié)論

本文應(yīng)用LMS Test. Lab 8A/Advanced Signature Testing 模塊，采用傳遞函數(shù)分析（FRF）方法，對(duì)某國(guó)產(chǎn)B 級(jí)乘用車在1500rpm 左右車內(nèi)共振現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出了產(chǎn)生問題的關(guān)鍵所在，并提出了解決方案，為進(jìn)一步改善整車NVH 性能奠定了基礎(chǔ)。合理的工況設(shè)計(jì)對(duì)得出正確分析結(jié)論非常重要，同時(shí)本課題的工況設(shè)計(jì)具有一定的代表性，希望今后在工程應(yīng)用中對(duì)車內(nèi)振動(dòng)噪聲傳遞的研究有一定幫助。

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