利用NVH分析法降低汽车车内噪音

利用NVH分析法降低汽车车内噪音关键词：汽车噪声电子摘要：本文具体介绍了如何采用现代化的分析工具达到如此优秀的降噪效果。一家汽车OEM制造商发现他们制造的一种新车型的车内噪音比其竞争对手的相近车型高大约6dB。他们必须迅速解决这一问题，降低该车型的噪音、振动和声振粗糙度等级。于是该公司的设计工程师请来LMS国际公司的工程顾问。后者利用噪声源排序、基准测试分析和关键噪声路径调查技术研究对策，并利用频响函数测试技术对找到的对策进行评估，从而确定噪声过高的根本原因。他们发现，NVH最主要的来源是通过空气传播的噪声和通过引擎架传递出来的噪声。于是，他们设计了一种新的支架以减少引擎悬置引起的噪声，并在底盘、防火墙和引擎罩上添加了一些装饰材料，最终将噪声降低了8dB。本文具体介绍了如何采用现代化的分析工具达到如此优秀的降噪效果。噪声问题的提出就在该车型准备量产前，OEM厂商发现该车在满油门加速时会产生严重的引擎噪声。于是他们向LMS求助以求解决该问题，并希望LMS能够同时提供其他一些重要信息。LMS分析了与该车型相近的最优秀的竞争车型，并将此竞争车型的内部噪声，尤其是加速时的噪声水平作为问题车型优化的最终指标。同时，OEM厂商还要求LMS工程师确定这两种车型噪声水平不同的原因，并提出改善问题车型应做那些设计改动。也就是说，客户对LMS的最终要求是提供一个NVH性能与竞争车辆相当的改进后的汽车原型。在该项目中，LMS综合利用了一些先进技术和他们在解决车辆问题中积累的经验。这些先进技术中包括一些用于快速识别车辆中引发问题的大致区域的“快速分析”技术，例如快速传播路径分析(TPA)技术；也包括一些帮助设计人员了解噪声机制并确定问题根本原因的详细分析技术，例如TPA和声源量化(ASQ)技术。最终，LMS的工程师不但克服了该项目中的工程挑战，同时还把分析过程中了解到的信息反馈给客户，从而使优化车辆和子系统的开发过程成为可能。传统的车辆噪声处理方法处理车辆内部噪声问题的传统方法是通过物理测试寻找噪声源。例如，为了消除车内噪声测量时发现的喷嘴噪声，可以在进风口内放一根管子，或者将这个进风口的支管隔离开来，以消除其支架上发出的外壳噪声。图1：比较问题车辆与其最优竞争者的声音隔离特性，为设计提供目标。图2：采用一组传感器测量车内噪声。图3：通过详细传播路径分析，工程师可以研究主要传动系统对车内噪声的贡献图4：利用声传感器量化噪声源的声强图5：原始问题车辆和修改后的最终原型车辆的整体噪声等级概览说明整个频谱上的噪声等级均有所降低。此类测试的问题在于它们只能找到引发问题的大致来源。如果不能深入分析导致问题的原因，那么设计工程师通常会面临一个冗长又昂贵的反复实验过程。这个过程中通常需要进行耗资巨大的设计修改，但效果却远远得不到保证。LMS工程师首先利用噪声源排序和基准测试分析法寻找问题车型和竞争车型中的主要的噪声传播路径。在断开了主要噪声源并且明确定义了测量条件的前提下，他们对两种车型都进行了TPA分析。1周内，他们就确定了以下噪声源每rpm值产生的内部噪声比例：1．从引擎表面发出的空气传播类噪声；2．从引擎悬置发出的结构传播类噪声；3．从传动轴发出并通过悬架传递到车身的结构传播类噪声。快速TPA分析的结果显示空气传播类噪声占总噪声比例最大，达到49％；引擎悬置发出的噪声占40％，由悬架传递的噪声占11％。同时，这种快速分析技术也发现，在客户提供的问题车辆上，空气传播的噪声所占比例更高，因为从它的引擎部分到车身，不但噪声源基数高，而且声传播过大。LMS公司开发的快速TPA分析法的基础是一种高级非直接噪声源识别方法。这种方法将每种噪声的贡献看作一个等效噪声源强度和一条等效传播路径的乘积。它不提供如哪一个引擎悬置是主要的噪声源之类的细节。由于已经确定引擎悬置是主要噪声源，所以接下来应进行详细TPA分析以获取更多信息，尤其是每个引擎悬置对噪声的贡献情况。实施过程中，LMS工程师利用一个经校准的噪声源激励每个引擎悬置，并测量车内的响应，从而测得了噪声从噪声源到车内的传播路径。他们在噪声源附近通过声学测量得到了量化的噪声源强度(见下图)。将得到的噪声源强度与传播路径相乘，就求出了该噪声源对车内噪声的贡献。之后，LMS对竞争车辆也进行了相关噪声源强度和传播路径分析。为了弄清这两种车辆噪声性能差异产生的原因，LMS对它们选择的结构进行了比较，例如引擎悬置的布局和装饰材料。详细TPA分析的结果确定，右引擎悬置是最主要的噪声源。确定噪声的关键传播路径接下来，LMS对关键噪声的传播路径进行了研究。基于结构的传播路径通过动态载荷识别法(forceidentificationprocedure)和频响函数(FRF)测量法共同分析。引擎的空气传播隔离性质则通过计算基于FRF测量法的传递系数来评估。利用一个体积速度已校准的噪声源激励车仓，并测量车内装饰四周不同位置上的响应可反向测出FRF。由于这种反向测量采用的是体积速度已校准的噪声源，因而测量速度更快。体积加速度噪声源是有源的，而汽车的面板(panel)是无源的。因此，我们在装饰材料(trim)表面上和装饰材料下、车体的金属层之上均放置了麦克风。该测试可测出单位体积加速度下的FRF装饰材料压力，单位体积上的FRF钢和铝压力，以及在不同噪声源和不同表面上得到比率的平均值。然后，LMS的工程顾问利用声源量化(ASQ)准确找到了产生最多噪声的内部面板。他们在测试中采用了人造激励源，由此缩短了测试的相关运行时间。声激励采用声源进行，结构激励则采用了一个震动器。该实验首先测量了从引擎表面上的声源到制造车内噪声的面板(包括防火墙，底盘、前窗和侧窗)之间的振动－声学传递函数，接着又测量了从发出噪声的面板到目标麦克风位置的声音传递函数。ASQ显示，对噪声贡献作用最大的面板是防火墙的上部和前底盘。找到这些面板之后，工程师们又根据他们的激励回查到声学或结构共振现象。将找到的这些噪声源与测量得到的FRF结合起来就能量化不同噪声源对车内噪声的影响。对关键噪声路径的详细研究表明，在客户提供的问题车辆上，通过防火墙传播的噪声比竞争车辆高得多。而且，由于问题车辆上防火墙的共振频率也更高，所以它只能隔离高频噪声。在结构激励下，防火墙的上部和前底盘对车内噪声影响最大。另一方面，在声音激励下，防火墙的上部就成了最主要的噪声来源。由于防火墙和前底盘所处的位置正是人耳听觉灵敏度最高的位置，所以在临界频率的结构模型中，它们也是最大的噪声来源。为了找到右引擎悬置产生噪声的根本原因，LMS的工程师们对其进行了运行模式分析(runningmodeanalysis)。结果突出显示了这部分的结构模型影响巨大，说明需要加固。利用FRF评估噪声解决对策下一步，在投入时间和资金进行实际修改之前，要先进行简单调整，以确定各因素对噪声的关键传播机制到底影响如何。为了改变共振表现和震动到麦克风的传递情况，首先对结构进行调整，以试验和改变面板的加速度水平。同时进行的还有声学调整，即在振动面板上添加质量弹簧系统以尝试隔离驾驶室。结构调整和声学调整包括：为了减少引擎悬置的噪声，工程师在上面钻孔；在内部装饰面板上添加隔音材料，在防火墙上添加泡沫和绝缘材料的混合物，以隔离引擎发出的通过空气传播的噪声；通过焊接一根横梁加固引擎支架。确认噪声解决对策最后，LMS利用FRF测试对这些简单的噪声解决对策进行了评估。添加局部缓冲层对FRF影响最小，但利用一层泡沫和一层厚缓冲层混合而成的隔离层却能增大车仓与噪声的隔离度，效果非常好。得到确认后，LMS便根据这些对策对车辆进行了实质修改。从重量、封装、静态刚度、耐用性等方面来说，这些修改都是可接受的。另外，为了减少引擎对结构传播类噪声的贡献，LMS还设计了一种新的引擎支架。最后的结果超出了OEM的预期。LMS交付的原型车在NVH性能方面超过了它最好的竞争对手。高频噪声等级被大幅降低，所有引擎级的噪声等级也降到一个很低的水平。驾驶员外耳附近的整体噪声水平降低了高达8dB。