基于TPA方法低频路噪分析与优化

辛万涛　白杨翼　武俊杰

摘 要：某纯电动汽车在粗糙路面匀速60km/h行驶过程中，车内后排乘客能感受到明显轰鸣声。通过整车声腔模态、TPA传递路径分析等试验分析， 确认问题产生机理：路面激励-后副车架本体模态放大-车内声腔模态耦合。通过降低后副车架衬套硬度，整车轰鸣声得到明显改善，同时对优化后衬套进行耐久分析，最终确认为工程实施方案。关键词：路噪;TPA贡献量分析;声腔模态耦合;后副车架中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）11-128-04

Abstract： When Battery Electric Vehicles travels at a constant speed of 60km/h on rough road surface， passengers in the rear of the vehicle can feel the obvious roar.Through the analysis of vehicle acoustic cavity mode and TPA transmission path， the problem mechanism was confirmed： road excitation-rear subframe bulk mode amplification- car acoustic cavity mode coupling.By reducing the hardness of the rear subframe bushing， the roar of the whole vehicle is obviously improved. Meanwhile， the durability analysis of the optimized bushing is carried out， which is finally confirmed as the project implementation plan.Keywords： Road noise; TPA contribution analysis; Acoustic cavity modal coupling; Rear SubframeCLC NO.： U467  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）11-128-04

前言

当今社会下，人们对汽车的需求直线上升。目前国内外汽车市场，为解决环境污染与能源急速消耗的困扰，各大主机厂开始大力研发新能源汽车，其中投入生产的一个重要方向就是纯电动汽车（Battery Electric Vehicle，简称BEV）。随着国内汽车工业的快速发展及人们生活水平的提升，汽车市场对BEV的需求，已不仅仅局限于续航里程、安全性等基本性能，对其舒适性的要求日益提高。与传统燃油车相比，BEV在行驶过程中，其动力总成产生的噪声对车内影响已十分轻微，从而导致低中频段的路面激励噪声、中高频段的风激励噪声在车内十分凸显，影响车内乘客的舒适性体验。目前路噪问题的分析与控制，已成为新能源汽车研发的主要课题之一。

本文以市场某纯电动汽车NVH开发为例，针对其道路激励产生的轰鸣问题，对其激励源、传递路径与车身响应进行了全面分析，寻找出主要影响因素并进行优化，最终优化方案得到工程化实施，量产。

1 问题描述及初步分析

1.1 问题描述

某纯电动汽车经主观评价发现，在粗糙路匀速60kph行驶时，车内后排出现较明显轰鸣声，严重影响后排乘客的舒适性。通过路面对比分析，发现相同驾驶条件下在光滑沥青路上行驶时，轰鸣声消失。由此初步判断：此轰鸣声是经粗糙路激励产生的路噪问题。

1.2 客观数据分析

为了进一步分析问题原理，需针对本问题进行客观测试，考虑外部激励及汽车本身等影响因素，制定以下两个试验进行排查。

①道路试验：试验路面为试验场内粗糙路段，车内噪声测点位置参照企业标准，在驾驶员座椅右耳、后排右侧座椅左耳位置进行布置，其测点布置距离信息如图1所示。

采用NVH测试专用软件LMS Test. Lab 16A对车内噪声进行数据采集，通过软件将时域信号throughput做FFT（快速傅里叶变换）转换为频域信号进行分析。由于路噪问题所在的频率范围较低，因此噪声分析频段为20-500Hz，设置采样率为1，测试结果如图2所示。

道路试验结果析：匀速60kph粗糙路激励的主要问题峰值为77 Hz与200 Hz。结合LMS软件中滤波回放功能，分别屏蔽77H与200Hz对比，发现造成车内轰鸣声的问题频率为77Hz。

②声腔模态试验：参照企业标准AERI-XNNVH-WI-SY- 41-2012《乘員舱声腔模态试验实施细则》在整车内建立空间模型，布置测点。通过体积声源发声，采集模型各点的声音信号，整体计算，分析模型的频率特征。此试验需在半消声室里面进行，所需要设备有：LMS SCADAS MOBILE 数据采集前端、BK 1/2"传声器、雅马哈650W 功放、LMS中低频体积声源、测试软件LMS Test. Lab 16A等。参照AERI-XN/ NVH-WI-CZ《LMS SCADAS Mobile 数据采集系统操作规程》进行设置，采集。其中设置参数如图3所示，采集结果如图4所示。

声腔模态结果分析：本样车纵向二阶声腔模态为76Hz，与道路激励的主要问题峰值77Hz高度一致。

1.3 初步判定

结合道路与声腔模态试验结果，初步判定车内轰鸣声产生原因：粗糙道路激励传递至车身结构产生共振，与声腔模态耦合。

考虑到声腔模态的优化，需变更其内饰设计、空间布置、甚至整车模型，而样车阶段此类数据冻结，无法实现。故后续需在道路激励路径上做噪声优化及工程方案。

2 机理分析

2.1 问题峰值分析

结合以往经验，路面噪声在20-500Hz频段内一般分为5段问题集中区域，如图5所示：

各段区域总结如下：

① 20-50Hz：路面激励，易激发上车体薄弱处模态造成影响，如面积较大板金，开闭件等。

② 50-180Hz：路面激励，经车身的底盘件结构传递路径放大，传递至车内。

③ 180-220Hz：此频段多为轮胎空腔模态集中区域。

④ 220-380Hz：路面激励，经底盘件或底盘件安装点等位置放大，传递至车内。

⑤ 380-500Hz：空气路径，多受轮胎花纹辐射噪声，整车声学包吸隔声性能等影响。

结合实测分析结果，77Hz峰值可归为问题②区间，即轮胎经粗糙路路面激励，由转向节传递至各底盘杆件，经底盘件结构传递至车内，造成车内噪声恶化。

2.2 传递路径描述

以某在研纯电动汽车底盘件（前悬架为麦弗逊式独立悬架，后悬架为多连杆结构）为例，由轮胎激励，经“转向节—底盘件-车身”路径下的所有传递路径如图6所示。

轮胎受激励后，经转向节向车身传递的路径有许多种，同一问题可经过不同的杆件路径传递至车内，且不路径的杆件属性、衬套属性不同，对同一激励传递至车内的贡献量亦不同。若单一排查，容易遗漏问题点，不利于对问题源进行精确分析。综合以上考虑，后续做整车传递路径贡献量分析进行问题路径排查。

2.3 传递路径分析

传递路径分析（Transfer Path Analysis，简称TPA）是一种基于试验的振动噪声分析方法，一般将整个系统划分为几个较为独立的子结构，每个子结构都以传递函数来表征其结构特性。关于TPA详细原理介绍，目前行业内文献较多，本文不再赘述。

进行TPA分析，需结合粗糙路60kph路面激励车内噪声结果、车内噪声传递函数NTF（Noise transfer function）、安装点动刚度加速度导纳IPI（Input Point Inertance）等数据，导入LMS Test. Lab软件计算整车传递路径贡献量。因数据量较大，本文选取部分计算结果作为分析对象，车内后排噪声TPA计算结果如图7所示。

经TPA贡献量分析，发现后排轰鸣声的主要贡献量来源于后副车架Z向振动激励，如图8所示。

此BEV样车后副车架4个安装点均带有隔振衬套，与车身弹性连接，其模型如图9所示。

通过对副车架的设计结构分析，其本体可能出现问题的方向可分为两类：

① 整体模态影响;

② 局部模态（单一的弯臂或者横梁）影响。

下一步则针对两个方向分别做优化方案验证。

3 方案制定及优化效果

3.1 方案制定

后副车架安装于车身时，其结构整体类似于一套单自由度系统，公式如下：

其中：f=固有频率;M=质量;K=总刚度。

为排查后副车架整体模态是否对整车造成影响，从公式上分析，可降低其衬套刚度或者增加其整体质量，而增加质量与汽车轻量化设计理念相违背，工程化方案不易推动，故方案制定以降低衬套刚度为主，因衬套刚度与硬度正相关，在衬套的橡胶工艺上硬度参数更易控制，故在原67HR（前衬套）、60HR（后衬套）基础上，前后衬套硬度各降低5HR，如图10所示。

为排查后副车架局部模态是否对整车造成影响，需改变其局部结构。以少量金属角铁焊接其弯臂与横梁，改变其结构的同时，不会造成质量过多对整体模态的影響，如图11所示。

3.2 方案优化效果

后副车架焊接角钢前后对比，车内后排噪声无改善效果;而副车架衬套硬度降低后，后排噪声77Hz峰值处降低7dB（A），轰鸣声改善十分明显，后排主观感受可接受，对比结果如图12所示。后续通过耐久性验证，方案工程化实施。

4 总结

本文主要针对某纯电动车在粗糙路上60kph匀速行驶时，后排轰鸣问题的路径分析和原因排查，确认问题产生原因：路面激励-后副车架本体模态放大-车内声腔模态耦合。通过降低衬套硬度最终成功解决轰鸣问题。

通过此问题，获取经验如下：

① 路噪问题分析中，要全面综合的考虑外部激励与汽车本身因素。

② TPA对于路噪的传递路径分析具有比较完整、全面的优势，能突出优先级，且不易遗漏问题点。

③ 后副车架衬套硬度的调整，是改变了后副车架的刚体模态，对于车内由路面激励产生的轰鸣声改善效果十分明显，工程化方案中，衬套的更改需做耐久性验证。

参考文献

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