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细说车辆的“源-路径-接受者”模型
2019-07-22 22:05:08· 来源：模态空间 作者：谭祥军
分析与控制车辆的噪声与振动，可以按源-路径-接受者模型来表示，实际上，也可以称为输入-振动系统-输出模型，如图1所示。二者本质是相同的，只是叫法不同而已，
分析与控制车辆的噪声与振动，可以按“源-路径-接受者”模型来表示，实际上，也可以称为“输入-振动系统-输出”模型，如图1所示。二者本质是相同的，只是叫法不同而已，输入看作激励源，传递路径是结构特性（或振动系统），接受者是响应输出。输入载荷通常是力或声学载荷，有时这些载荷无法直接测量到，那么就需要采用间接的方法对其进行识别。振动系统对输入激励存在相应的响应，称之为输出，这些响应通常是位移、速度、加速度、噪声、应变等。在车辆NVH分析中，主要关心的是引起车内振动噪声的激励。车辆会受到多种振动和噪声源的激励，每种激励源产生的振动噪声通过不同的传递路径（包括结构路径和空气路径）传递到多个响应点，从而被人体（接受者）所感知。因此，为了分析与控制噪声与振动，可以将任何一个振动噪声系统按“源-路径-接受者”模型来表示。
图1 车辆的“源-路径-接受者”模型
在这个“源-路径-接受者”模型中，常规的振动噪声测试结果是车辆NVH性能的实际表现，是这个模型中的第三部分，也就是接受者部分；模态测试或者频响测试是这个模型中的第二部分；而TPA分析是综合考虑这个模型中的每个部分。为了达到减振降噪的目的，也应从这个模型中的三个方面来考虑，首先应减少激励源的振动与噪声，其次是切断源与接受者之间的噪声和振动的传递路径，最后是对接受者进行保护。
图2 “输入-振动系统-输出”模型
在这个模型中，振动系统的固有属性是结构的动力学特性，也就是我们常说的模态参数，因此，模态分析主要是针对这个模型中的振动系统，即要获得振动系统的动力学特征参数。而模型的第三部分，也就是响应分析，是对振动系统由输入引起的输出响应进行分析，这也是振动分析中最常见的分析，它不同于模态分析，但二者又有联系。对结构的响应进行分析时，通常结构是处于某种工作状态，测量结构在这种工作状态下的响应。此时，处于工作状态下的结构受到工作载荷的激励，通过各种传递路径，在测量位置体现出来相应的响应。
通常受工作载荷的激励，结构会被激起一些模态（注意不是全部模态，而只是被工作载荷激起来的那些模态），激励起来的每一阶模态都会在测量位置处产生相应的响应（振动和/或噪声），这些激励起来的模态在测量位置的响应的叠加，就是结构某测量位置的响应，因而，这个响应是结构在受当前工作激励下的总响应。也就是说，当前测量获得的响应是结构受工作载荷的激励，所激起来的所有模态在这个测量位置处产生的响应的总和。因此，振动系统的动力学特性一定程度上决定着输出响应，当然还受输入激励的影响。
而TPA分析则是综合考虑工作载荷、结构系统和输出响应，以确定引起明显的输出响应是由哪部分引起的，可能是传递路径，也可能是激励源，或者是二者共同引起的。
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车辆常见的激励源、路径和接受者位置
汽车的激励源主要分三类：动力系统（包括发动机、传动系统和进排气系统等）、路噪和风噪。在汽车低速行驶时，发动机是主要噪声振动源；在中速行驶时，轮胎与路面的摩擦是主要噪声振动源；在高速行驶时，车身与空气之间的摩擦变成了最主要的噪声振动源，如图3所示。因此，需要围绕这些激励及其传递路径来减少车内的振动噪声，提高汽车的舒适性，而噪声根据传递路径不同又分为结构路径和空气路径。
图3 车辆噪声与车速的关系
车辆的振动激励源主要包括动力装置、排气系统、传动轴、车轮和悬架系统和风激励等。噪声激励源主要包括动力装置的噪声、进排气系统的噪声、传动轴系的噪声、车轮和路面的摩擦噪声和各种结构噪声等。
车辆的振动传递路径包括动力总成悬置隔振系统、车身与副车架连接处、排气系统隔振系统、前后悬架连接点，后桥拉杆与车身连接处，悬置与副车架连接处，各种与车身连接部件，如拉索、卡扣、托架、空调管、油管等。噪声传递路径包括车体、以及车体上的一些空洞缝隙等。
接受者主要包括驾驶员或乘员耳旁噪声、方向盘振动、地板脚踏处的振动、座椅导轨振动、仪表盘振动和后视镜振动等。在分析源-路径-接受者模型时，最主要的是接受者，一切应从接受者出发，即从顾客要求出发，来确定噪声与振动量级的大小和声品质。
传递路径的振动与噪声特性是振动与噪声控制的关键。对路径的控制通常有三种方法：隔声与隔振、吸声与吸振和改变路径结构。通常用吸声和隔声来达到减少噪声的目的，车上许多部分都安装了吸声材料和隔声材料。而路径的振动控制一般是采用隔振器或动力吸振器。改变路径结构通常是采用优化设计使隔振效果最佳。
图4 车辆噪声振动关键测量参数
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动力总成TPA
从图3可以看出，当车辆低速行驶时，来自动力总成的振动噪声在车内占主导地位，因此，经常需要对动力总成进行TPA分析。此时，动力总成作为激励源，动力总成与车身或副车架相连的悬置隔振系统作为结构路径，如三点悬置，则结构路径共有9条路径（每个悬置3个方向）。前围的一些工艺孔、线束管路和缝隙作为空气声路径。乘员舱的驾驶员和乘员作为接受者。
对于发动总成TPA而言，虽然有来自发动机和变速箱的各同不同部件的振动噪声，但它仍属于单参考TPA的范畴，这是因为各个振动噪声源之间是相关的，使用一个参考信号就可以确定各个部件产生振动噪声之间的相位关系。通常在发动机顶面布置一个单向加速度传感器作为参考信号，或者使用曲轴的转速信号作为参考信号。
悬置通常为软悬置，所以动力总成TPA的载荷识别方法可以采用悬置动刚度法，即测量悬置两侧的加速度信号，根据下式计算悬置处的载荷信号，但前提是具有悬置的动刚度数据。
获得悬置两侧的加速度信号，除了用于TPA分析之外，也可用于评价悬置的隔振效果。
对于空气传递路径，通常将动力总成表面划分为若干小区域，测量每个小区域与目标点（接受者）之间的传递函数。而在测量结构路径的传递函数时，需要将动力总成拆除，以减少不同路径之间的相互影响。
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路噪TPA
车内噪声除了来自动力总成之外，来自路面激励产生的噪声占比也不轻。车辆在行驶过程中，车轮受路面不平度激励使轮胎胎面产生振动、与轮胎空腔系统共振，通过悬架系统（中间也许存在车架或副车架）对车身产生激励，导致车内产生噪声。对于路噪TPA而言，受到多个轮胎的激励，这些激励是部分相关或完全不相关的，因此，路噪TPA应采用多参考TPA进行分析。当正常行驶时，左右轮行驶过的路面不平度是有差异的；车辆转向时，左右轮驶过的幅度与速度是不一样的；当驶过坑洼路面时，前后轮是不同时刻驶过这些坑洼路面的，因此，路面对轮胎的激励是部分相关或完全不相关的。
路面激励会使轮胎空腔产生共振噪声，由于这种噪声频率较低，通常在200~300Hz之间，因此轮胎空腔共振噪声主要以结构传递路径为主。影响轮胎空腔共振噪声的主要因素有轮胎的规格、侧/径向刚度、车轮模态和轮辋刚度，以及悬架部件柔性模态、衬套动静刚度、车架或副车架的弯曲扭/转模态或车身各接附点的刚度等车身声振灵敏度等。轮胎空腔共振噪声是一种单频噪声，通过开、关车窗对比车内噪声的频率来判断，通常空气路径对这种噪声无明显影响，主要以结构噪声为主。
图5 路噪TPA模型示意图
多参考TPA分析的实质是将工况数据分解成多个单参考TPA来分析，最后再将每个单参考TPA叠加得到最终的分析结果。各个响应数据之间是没有固定的相位关系，因此，需要设置多个参考，将这些不相关的响应信号通过主分量分析分解成多个不相关的主分量。通常，这些参考分两类。一类是将车轮中心的振动信号作为参考，如4个车轮中心，则有12个振动参考信号。另一类是将车内多个声音信号作为参考，如车内布置4个麦克风，则有4个声音参考信号。通过主分量分析得到的主分量通常少于参考点的数目，如图6为将4个车轮中心振动作为参考（12个），得到的主分量为6个。
图6 12个参考下的主分量
参考：
1.庞剑，谌刚，何华. 汽车噪声与振动-理论和应用.北京理工大学出版社，2006.
2.文伟，张军，宫世超等. 轮胎空腔共振噪声工程控制及应用. 中国汽车工程学会年会论文集，2015
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