汽车NVH性能测试技术流程研究

【摘要】汽车NVH性能是评价整车性能重要指标之一。其中，NVH性能测试技术自然成为汽车工程界关注的焦点。首先运用整车NVH性能摸底测试方法验证了某国产轿车NVH主观感受；其次，介绍了传递路径分析基本原理，并构建了基本分析模型，结合传递路径分析方法与国际先进的声振数据测试系统，对可能产生问题的路径进行了声振测试、分析，并通过排除法得出了该工程问题的初步诊断结论；最后，在分析、总结工程实例基础之上，建立起了整车NVH性能测试与分析一般技术流程，为今后工程上解决相关整车NVH问题提供了参考和依据，提出了整车NVH性能测试技术流程研究的意义。

主题词：NVH；传递路径分析；技术流程

0 引言

随着人们对汽车乘坐舒适性期望越来越高以及世界各国有关环境保护的法规越来越严格，当前汽车NVH(Noise,Vibration & Harshness）研究也愈发受到相关科研机构和汽车生产厂家的重视[1-4]。汽车NVH性能可能受很多因素影响，振动和噪声可以是来自多方面的。工程上解决整车NVH性能问题时，很重要的一个环节就是对整车进行测试，通过一系列工程方法得出初步诊断结果。该环节必须引起高度重视，因为一旦初步诊断出错，接下来的工作都会因此而变得毫无意义，大大降低工作效率。

1 NVH性能摸底测试

某国产乘用车在低转速，尤其是在1500r/min左右时，车内有较大的噪声，振动强烈，产生了共振现象，影响了整车的NVH性能。

  摸底测试的目的是考察测试结果是否和人的主观感受相吻合，尤其是在1500转左右是否有明显的共振现象。在正驾驶、副驾驶座椅及后排座椅上人的右耳处布置声传感器，在前排地板上正、副驾驶处及车身玻璃处安装振动传感器。试验工况包括：驻车状态：半油门加速（idle POT）、全油门加速（idle WOT）。行车状态：半油门加速（POT）、全油门加速（WOT）。在半油门加速（POT）的工况下，测试结果如图1-1所示。 

（a）前排正驾驶员右耳处噪声测试结果

 图1-1 车内声/振测试结果

由图1-1可以看出，不论是噪声还是振动在1400～1500r/min之间都存在一个最大值，并且与发动机的二阶次有关，这与对该车的主观评价相符——在1500r/min左右振动强烈。

对该车做频谱分析，结果如图1-2所示。

 （a）车内噪声的频谱分析

（b）车内振动的频谱分析

图1-2 车内声振频谱分析

从图1-2（a）可以看出，在1500r/min左右，不论是驾驶员侧、副驾驶侧还是在后排座椅处，该车在50Hz左右的幅值最大。从图1-2（b）可以看出，在1500r/min左右，不论是地板还是玻璃，其振动都在50Hz处取得了最大值，也就是说50Hz的频率最各处的振动影响最大。综上所述，该车在主观上感觉低转速时振动噪声较大的原因，是因为该车在1400～1500r/min区间的噪声和振动都出现了峰值，并且与发动机的二阶次关联最大。从频谱图上看出，50Hz是对噪声和振动影响最大的频率，也处在引起人主观感觉不舒适的主要频率带内（20Hz~200Hz）。

2 传递路径分析

2.1 传递路径分析基本原理

汽车内部噪声和振动现象，往往是由多个激励，经由不同的传递路径抵达目标位置后叠加而成的。当今汽车工业新产品研发过程中，为了进一步优化整车NVH性能，往往要综合考虑各个激励和传递路径的情况，传递路径分析(即TPA: Transfer Path Analysis)就是一个行之有效的方法。通过传递路径分析，确定各途径流入的激励能量在整个问题中所占的比例，找出传递途径上对车内噪声起主导作用的环节，通过控制这些主要环节，如使声源的强度，路径的声学灵敏度等参数在合理的范围里，以使车内噪声控制在预定的目标值内[5-12]。

总体上可按结构声和空气声两种情况进行处理[6]。在结构声情况下，激励源和目标点分属于两个不同的系统，激励源一侧的结构称为主动方，目标点一侧的结构称为受动方，一般两者在分界处(可称之为耦合点)通过某种耦合元件连接起来，具体可表现为发动机、底盘部件在车身上的支撑、铰连及橡胶轴套等。比如，作为激励源的发动机为主动方，车身结构为受动方，其间的支撑为耦合元件。而目标可以是某点的声压，也可以该点某一自由度上的振动。在空气声的情况，路径上不存在耦合点，如果有N个辐射声源就形成N条传递路径。

 图2-1 传递路径分析模型

假设系统是线性时不变的，则车内目标点的声压或振动水平等于各激励源以工作载荷激励时沿不同路径传播到车内的能量的叠加，如图2-1所示。TPA的目的是研究能量在这些路径上的传播情况。

由以上分析和假设可知，来自不同路径的所有部分贡献构成了总响应，

         （2-1）

其中:为乘员位置n处的总声压；为传递途径i在j方向对乘员位置n总声压的部分贡献。

   （2-2）

其中:为传递路径i上j方向到乘员位置n的传递函数，结构-声学传递函数或声学传递函数；为传递路径i上方向i上的实际激励。

由公式(2-2)可知，进行传递路径分析的主要工作包括:

（1）工作载荷的获取。对于结构声，是各耦合点处每个自由度上的工作力输入；对于空气声则是声源的体积速度/加速度。该项工作需要大量的试验数据作为输入，是TPA最繁重的部分，也直接决定分析结果的可信程度。

（2）路径频响函数的获取。对于结构声，测量耦合点处每个自由度到响应位置的频响函数，测量时受动方与主动方应在各耦合点处应解耦。对空气声，测量目标点到声源的频响函数。

2.2 传递路径试验测试分析

就本项目而言，从结构方面看，其振动传递主要有两个途径：一是由路面激励，经悬架系统作用在车身上；二是由发动机激励，经由发动机悬置或排气管，作用于前副车架，再最终作用在车身上。针对这两条传递路径分别布置相应的振动传感器，进行传递路径的分析。

首先对悬架系统进行分析。对悬架进行“过减速带的路面激励试验”。试验工况与摸底测试一致。

1-2 悬架系统传递函数分析

对悬架系统的传递函数进行分析，如图2-2所示。从图可以知道，该车的悬架系统在低频的隔振效果比较好，无论是前悬架还是后悬架，在50Hz左右的传递函数都明显的低于1，即悬架系统对50Hz是起衰减作用的。

综上所述，悬架系统在1500r/min时，50Hz对应的振动幅值较小，并且整个悬架系统对50Hz起到衰减作用。初步判断50Hz不是来源于悬架系统的振动。

对发动机悬置及前副车架进行分析。该车有前、后、左、右四个悬置，都是一般的橡胶悬置。首先对发动机悬置做隔振率分析，试验工况与摸底测试工况一致。测点布置及测试信号如表2-1所示，测试分析结果如图2-3所示。

表2-1 悬置振动传递率试验传感器测点布置及测试信号

序号

测点位置

测试信号

备注

1、发动机前悬置：在发动机端和车架端配对布置测点并尽量靠近悬置胶套

x、y、z三轴方向的振动加速度（m/s2）

基于整车坐标系标定每个测点的x、y、z三轴方向

2、发动机后悬置：在发动机端和车架端配对布置测点并尽量靠近悬置胶套

3、发动机左悬置：在发动机端和车架端配对布置测点并尽量靠近悬置胶套

4、发动机右悬置：在发动机端和车架端配对布置测点并尽量靠近悬置胶套

5、发动机

转速（r/min）

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从图2-3分析可看出，悬置振动传递比较差(此处加速度单位已作过转换)，尤其在Z向，这也是人体感受最明显的方向，同时1500r/min左右最为明显。

  图2-3 全油门加速前悬置振动情况（Z向）

对前副车架进行振动频谱以及传递函数（FRF）分析。测试工况与摸底测试工况一致，分别在发动机气缸盖上、后悬置输出端即前副车架、驾驶员位置、副驾驶位置、驾驶员玻璃窗以及后排座椅等地方布置振动传感器布置，构成一个振动传递路径，测试结果如图2-4所示。

图2-4（a）是车身各处在1500r/min左右的振动频谱图。从图上可以看出，发动机、前副车架、地板在50Hz附近同时达到最大峰值，可以说地板在50Hz的振动很可能是由于发动机激励前副车架引起的。对前副车架进行传递函数分析，如图2-4（b）所示，在50Hz附近的传递函数远大于1，接近29，这说明整个前副车架系统对50Hz的振动有明显的放大作用。而50Hz又与1500r/min的发火频率相符合，即发动机在1500r/min时，50Hz的振动幅值最大，虽然发动机的悬置亦会对其振动进行一定程度的衰减，但因为整个前副车架系统的放大作用，整个前副车架上的50Hz的振幅较大，从而影响了整个车身的低转速振动。

（a）半油门加速测试各点频谱分析

（b）前副车架振动传递函数分析

图2-4 前副车架频谱及传递函数分析

2.3 整车NVH性能测试初步诊断结论

通过摸底测试以及声振传递路径分析，该车在1500r/min低转速工况下的共振现象是由发动机工作产生的不平衡的力或力矩，经悬置系统传至副车架，然后引起车身振动，在车内形成声振耦合而产生共振现象。并且该发动机是直列四缸四冲程发动机，该发动机在1500r/min时二阶振动的激振频率为50Hz，由摸底测试知道，动力总成悬置系统（包括副车架）的激振频率，这是产生共振的最根本原因。

综上所述，该汽车在低转速车内共振问题是由发动机悬置系统（包括前副车架）的振动引起的，所以要对悬置系统作优化改进，以提高整车的NVH性能。

3 一般技术流程

  工程中经常遇到对整车NVH性能测试与诊断问题，工程人员一般都是根据自己的工程经验，对整车NVH性能做出初步诊断。这样经常导致工作效率降低，诊断结论与实际问题不一致。本章结合对某国产乘用车的整车NVH性能初步诊断，总结出对整车NVH性能测试与诊断的一般技术流程，如图3-1所示，希望对工程应用产生实际的效果。

图3-1 整车NVH性能摸底测试与诊断一般技术流程

4 结论

本文从某国产乘用车实际问题出发，对整车NVH进行了摸底测试，介绍传递路径分析的基本原理，并运用声振传递路径法对该车进行了分析，得出了该车在低转速尤其是1500r/min时，车内共振的初步诊断结论。

通过分析得到了如下结论（1）通过对传递路径分析基本原理的阐述，了解到要进行传递路径分析主要做的工作有两方面：一是工作载荷的获取，二是路径频响函数的获取；（2）通过摸底测试和传递路径分析方法，初步判断出造成某国产乘用车低转速时车内共振现象是由动力总成悬置系统振动引起的；（3）依托本项目建立了整车NVH性能摸底测试与诊断的一般技术流程。

作者：杨明亮  丁渭平

作者单位：（西南交通大学机械工程学院汽车工程研究所  成都  610031）