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1、1 前言随着汽车的日益普及，对汽车舒适性的要求日益提高。汽车 NVH 将是汽车工业角逐的主战场，它的性能参数的高低，将直接影响汽车企业的生存与发展。汽车 NVH 即指噪声、振动和舒适性。从设计的观点来看，汽车 NVH 是一个有激励源（发动机、变速器、路面等）、传递路径（由悬挂系统、悬置系统和连接件组成）和响应器（车身）组成的系统，如图1 所示。图 1 NVH 简化模型从汽车 NVH 评价的观点来看，分为主观评价和客观评价两部分。主观评价主要目的是对整车的 NVH 性能进行评价,并提出存在的主要问题,作为下一步工作的主要内容； 客观评价主要是通过客观数据发现存在的主要问题。在开发过程中，为了进一
2、步使主观评价和客观评价有效结合有利于车型 NVH 开发，一般制定如下主要评价内容 1：怠速噪声和振动 加速过程的噪声和振动匀速过程的噪声和振动减速噪声和振动高速风噪声叽叽嘎嘎声（异响）启动和熄火时的噪声和振动 轮胎噪声通过噪声在怠速、加速、匀速、减速等工况评汽车车内轰鸣声研究及其工程优化穆国宝 席忠民 何凯欣 马泽贤（广州汽车集团乘用车有限公司,广州，511400;）摘 要：改善车内轰鸣声是提升汽车 NVH 品质的重要课题之一。在车型数字设计阶段通过有效的理论计算和 CAE 分析技术尽可能的规避轰鸣声等各类 NVH 问题在汽车开发过程中显得尤其重要。本文采用动力吸振器的方案有效的解决了加速轰鸣
3、声，并满足了车型项目的开发日程。关键词：NVH 轰鸣声 声腔模态 动力吸振器 Study on the Booming Noise of Automotive and Engineering optimizationMu Guobao，Xi Zhongmin，He Kaixin， Ma Zexian （ Guangzhou Automobile Group Passenger Car Co., LTD, Guangzhou，511400；）Abstract: The Solution of booming is an important subject to improve NVH quali
4、ty for a vehicle. It is especially important to avoid all kinds of NVH during the process of vehicle development, by means of effective theoretical calculation and CAE analysis technology in digital model design stage. In this article by applying the dynamic vibration absorber, the booming noise cou
5、ld be minimized effectively and meet the project development schedule.Key Words: NVH, Booming, Cavity mode, A dynamic vibration absorber价中，轰鸣声是经常出现的现象之一，本文就此课题展开讨论。2 汽车轰鸣声产生机理 22.1 轰鸣声介绍汽车在封闭状态下，车内空气会形成许多振动模态或声腔模态，当发动机激励或路面激励时，车身某些钣金的振动频率与密闭空气的固有模态频率一致，将会产生很强的耦合作用，空气就会产生体积变化，在车内产生很高的压力脉动，引起人耳不适，甚至出现
6、头晕、恶心等症状，此现象称为轰鸣(booming)。轰鸣声属于低频噪声，通常在 25-200Hz 范围内产生，普遍存在于汽车的怠速、匀速和加速过程中，发动机、传动系、排气系统、不平路面激励等因素都可能成为轰鸣声产生的源头。2.2 声腔模态的产生机理汽车乘员舱的壁板是由多块薄钣金冲压焊接而成，厚度一般为 0.7-1.0mm，具有一定的弹性，当发动机或路面的激励传递到车身壁板时，会引起薄钢板的振动，从而辐射出噪声。当辐射出的声波入射到达蔽障时，会与其反射的声波相互叠加而形成合成声场。如图 2 所示，当入射声波到达蔽障时恰好位于波峰位置，其反射声波在蔽障处与其方向相反，相位相同，在图 2 中的位置
7、1 处即四分之一波长位置相位相反，相互消减后声压振幅为 0，称为声压波节；而在位置 2 处和蔽障处相位相同，声压振幅最大，成为声压波腹 3，也就是汽车乘员舱产生轰鸣声的位置。因此，对于上述入射的平面波，在四分之一波长的奇数倍位置上为声压波节，四分之一波长的偶数倍位置上，为声压波腹。图 2 平面波反射示意图对于封闭在一长方体的空气所形成的声腔，如图 3 所示，其声学模态振型可以用纵向 x、横向 y、竖向 z 或者不同方向的组合来描述 4，比如纵向第一阶表示声压主要沿纵向 x 分布，沿其他方向声压没有变化；在纵向截面内出现一个声压波节面，两端的截面为声压波腹面。声腔模态频率可由公式（1）计算：图
8、3 声腔尺寸示意图其中，Lx、Ly、Lz 分别为 纵向、横向、竖向方的声腔尺寸，C 为声速，343m/s，i(0,1,2,)、j(0,1,2,)、k(0,1,2,)分别表示三个方向上模态的阶次。通过公式（1 ）计算，可以得到沿纵向、横向、竖向或者不同方向组合的声腔模态的理论频率值。不同类型的乘用车，如三厢轿车、两厢轿车、MPV、SUV，其乘员舱的形状不同，座椅、仪表板等内饰对声波的反射也有影响，其声腔模态的频率与振型会有不同。2.3 轰鸣声的流固耦合分析建立有限元模型进行声学流固耦合分析，分析激励位置、激励方向对车内轰鸣声的影响。汽车构造中，发动机、变速箱、悬架、进排气等激励源与车身连接点数量
9、众多，详细建模效率低下且不利于价值规律的分析。文中建立简化的有限元模型，研究激励源、车身壁板与声腔模态的关系。如图 4 所示为简化得乘员舱模型，其纵向、横向和竖向的尺寸分别为3.7m、 1.6m 和 1.2m。如图 5 所示为相应声腔流体网格。简化模型中每块板可以表示风挡玻璃、防火墙钣金、地板、顶棚钣金等。车身上不同区域的钣金并非直接相连，如风挡与顶棚、防火墙与地板都是由横梁进行连接。分析人员在 1、2、3 号板上分别施加了沿纵向、横向和竖向的强迫振动信号，通过 CAE 软件进行流固耦合分析，计算声学灵敏度，输出车内前、中、后三个位置的声压值。图 6 为用软件计算的前 5 阶声腔模态频率及振型
10、。图 4 简化的乘员舱模型 图图 5 声腔流体网格图 6 前 5 阶声腔模态振型图 7 1 号板上施加 X 方向载荷,声学灵敏度响应 图 7 为在 1 号板上垂直施加的强迫振动信号，计算出的车内不同位置的声学灵敏度响应。分析可得如下结论：在 47Hz 附近，前排和后排声压值达到 77dB，而中排位置仅为 60dB，与其激励起来的第一阶纵向声腔模态频率一致，即车厢纵向的长度恰好为此频率时 1/2 个声波的长度，前排和后排位于声压波腹位置，相互叠加声压增大，产生轰鸣声；中排位置位于声压波节位置，声压较低。95Hz 时车内的声压峰值，三个位置都在 70dB 左右，都会产生轰鸣声，与车厢二阶纵向声腔模
11、态频率一致。在一阶声腔模态频率 47Hz 之前，出现了 21Hz 的声压峰值，前排和中排声压值为 82dB，后排为72dB，为了辨识 21Hz 处声压峰值是由声腔模态还是由板的声辐射引起，通常在有限元模型中设定不同声音的传播速度来确定。将声速由 343m/s 提高为 600m/s，修改后的一阶纵向声腔模态频率由 47Hz升至为 81Hz，如图 8 所示，相应地 81Hz处前排声压值达到极大。在 21Hz 处，峰值频率没有变化，声压值明显提高，可以判断 21Hz 处轰鸣声是由板的声辐射引起。与简化车身的模态结果对比分析可知，1号板 21Hz 时有局部模态，模态能量高，其辐射噪声足以产生轰鸣声 5
12、。图 8 改变声速引起的声学灵敏度变化依照上述方法，可对 2 号、3 号板开展类似分析，文中不做赘述。3 轰鸣声的实例研究 63.1 现象描述某车型在加速至2500rpm时，驾乘人员会感觉到明显的“轰轰”声并产生偏高的压力脉冲，人耳不适，即存在轰鸣声。继而工程人员结合主观评价的描述，采用LMS Test.Lab 测试工具，设定相应的测试工况，3档全油门，发动机转速从1500rpm加速至5000rpm开展车内噪声测试，如图9所示。对加速车内噪声声压级扫描曲线分析可知，当发动机转速为2500rpm时，车内噪声达到72分贝，与主观感受相匹配。图 9 3 档加速车内噪声及阶次噪声3.2 原因排查由图9
13、中提取的阶次噪声比较可知二阶噪声与轰鸣声有较强的相关性。结合图10，经过噪声阶次分析、传递路径分析、相关性分析逐步排除了进气系统、排气系统、发动机、及发动机悬置系统的影响，并初步确认由副车架二阶振动引起。图10 相关性排查图图11、图12分别是采用CAE技术对副车架及声腔模态进行计算的结果，得知副车架和车内声腔在84Hz具有相应的模态，产生耦合。当发动机转速为2500rpm时，副车架的模态被发动机的激励激起，副车架的模态振动进一步激发了车内声腔模态，导致产生了轰鸣声，造成驾乘人员很不舒服。图11 副车架模态图12 车内声腔模态3.3 方案制定从技术研究的角度出发，此时通过优化副车架、车内声腔的
14、结构可以达到解决轰鸣声的目的。在新车项目实际的开发过程中，当样车制作以后进行主要结构件的变更会面临巨大的时间成本、费用成本。此课题的解决方案结合项目经验及工程实际采用行业内常见的方法：增加动力吸振器 6。动力吸振器是J.奥蒙德罗伊德等在1928年提出的方法，其原理是在振动物体上附加质量弹簧共振系统，通过在共振时产生的反作用力可使振动物体的振动减小。基于动力吸振器原理，设计动力吸振器安装在副车架上，如图13所示。通过多轮次和实车确认优化吸振器的质量、阻尼、刚度等参数。该吸振器的动态响应曲线如图14所示。图13 动力吸振器安装示意20.0 10.030.040.050.060.070.080.09
15、0.010.0HzAmplitude(/s2)/N83.87图14 动力吸振器线动态响应曲线3.4 优化效果该吸振器的质量1.5kg，固有频率为84Hz，与副车架Z向振动（发动机转速2500r/min）时振动频率基本一致。减振器安装于副车架，再次进行了试验，测试路面为普通水泥路面，测试工况为3档全油门加速。图15 加速轰鸣声改善效果从图15可以看出：1) 增加动力减振器后，驾驶员右耳二阶噪声降低了6dB(A)。2) 整车降噪4分贝，改善效果明显。4 结论与展望本文深入分析了轰鸣声产生的机理，并在工程实际中有效的解决了加速轰鸣声的课题。作为汽车 NVH 品质的重要部分，加速轰鸣声在开发过程中往往
16、发现于车型样车阶段，此阶段结构基本冻结，难于制定方案。后续需进一步提升 CAE 分析技术，搭建更能客观评价整车 NVH 的虚拟样机，将各类 NVH 课题在数模设计阶段进行消除。参考文献1 陈剑、穆国宝等.汽车NVH正向设计中的系统模态匹配策略研究J.汽车工程，2010.52 谢晓龙等.汽车轰鸣声产生机理研究DB/OL. http:/ 庞剑，谌刚，何华. 汽车噪声与振动理论与应用 北京理工大学出版社, 2006.64 杜功焕，朱哲民，龚秀芬. 声学基础，南京大学出版社,2001.35 靳晓雄，张立军 汽车噪声的预测与控制 同济大学出版社,2004.96.李洪亮、 程魁玉等.某微车低速轰鸣声的降噪设计J. LMS 中国用户大会论文集, 2009 .10作者简介穆国宝(1982-)男（汉） ，工程师，山西翼城人，研究方向：汽车 NVH 控制技术。联系电
