摘要：針對(duì)某商用車發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速1 100 r／min～1 600 r／min下，車內(nèi)存在較為嚴(yán)重的轟鳴聲問題，應(yīng)用Siemens公司的LMS Test.Lab軟件對(duì)問題車進(jìn)行相關(guān)NVH性能測(cè)試，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)，初步判定頂棚對(duì)此轟鳴聲有一定的貢獻(xiàn).選用移動(dòng)錘擊法對(duì)頂棚進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，合理布置加強(qiáng)筋提高頂棚剛度，避開頂棚頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率共振.優(yōu)化后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：與原狀態(tài)的頂棚相比，頂棚模態(tài)頻率有了顯著提高，除一階頻率外，其余振動(dòng)頻率后移16 Hz以上，轟鳴轉(zhuǎn)速帶從 1 100 r／min～1 600 r／min 縮短到了 1 200 r／min～1 550 r／min，車內(nèi)轟鳴聲也得到了很好的改善，總體下降 5 dB（A）.

引  言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)今私家車數(shù)目急劇上升，國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)也是遍地開花.汽車技術(shù)的不斷推陳出新，零部件供應(yīng)商與主機(jī)廠之間的合作日益緊密，不同品牌汽車的使用性能和安全性能的差別越來越小，而外觀造型方面對(duì)消費(fèi)者的吸引力也越來越弱.消費(fèi)者在購(gòu)買車輛時(shí)，越來越傾向于汽車的駕駛感受，比如行駛時(shí)車內(nèi)噪聲的大小，座椅、門窗的抖動(dòng)問題，顧客的這種需求的變化迫使各整車廠紛紛轉(zhuǎn)移重心來研究如何提高乘用車的NVH（Noise Vibration and Harshness）性能［1］，以此來提高自身在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力.近年來，車內(nèi)聲學(xué)品質(zhì)已成為汽車乘坐舒適性的最重要的指標(biāo)之一.汽車車身上含有大量的板殼結(jié)構(gòu)件，其中汽車的頂棚屬于剛度較低的薄板件，容易產(chǎn)生低頻振動(dòng)，從而與發(fā)動(dòng)機(jī)的諧次振動(dòng)發(fā)生共鳴，放大車內(nèi)噪聲［2］.

在汽車頂棚振動(dòng)特性優(yōu)化問題上研究由來已久，周鋐等［1］通過在頂棚上布置聲子晶體來降低頂棚的振動(dòng)強(qiáng)度.邢峰等［3］通過在頂棚嵌入壓電傳感器和制動(dòng)器來對(duì)頂棚進(jìn)行振動(dòng)主動(dòng)控制.宋俊等［4］通過在汽車頂棚布置阻尼片來削弱頂棚振動(dòng)，降低車內(nèi)噪聲.所以對(duì)頂棚進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)是非常有必要的，確定頂棚的各項(xiàng)模態(tài)參數(shù)，從而確定對(duì)頂棚的優(yōu)化方案，避開與發(fā)動(dòng)機(jī)的耦合共振.

針對(duì)某商用車在低轉(zhuǎn)速 1 100 r／min～1 600 r／min 下，車內(nèi)轟鳴聲較嚴(yán)重的問題，采用 LMS.Test.Lab 軟件中的Impact Testing模塊對(duì)問題車的頂棚進(jìn)行模態(tài)敲擊測(cè)試，通過力錘移動(dòng)敲擊法對(duì)頂棚進(jìn)行試驗(yàn)，得出了原狀態(tài)的頂棚前四階固有頻率和固有陣型，并與發(fā)動(dòng)機(jī)的諧次頻率進(jìn)行對(duì)比.對(duì)頂棚進(jìn)行優(yōu)化后，采用同樣的方法對(duì)頂棚進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，得出優(yōu)化后頂棚前四階固有頻率和固有陣型，對(duì)比原狀態(tài)和優(yōu)化后的頂棚頻響曲線以及噪聲曲線，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后車內(nèi)噪聲明顯得到改善；故確定此優(yōu)化方案在改善該問題車的NVH性能上是有一定的可行性.

1 共振的機(jī)理

通常來說汽車乘坐室是由很多薄壁板沖壓焊接組成的，車內(nèi)空氣形成了一個(gè)封閉腔室，封閉的氣體類似于一個(gè)彈性體，其具有自身的模態(tài)，在NVH領(lǐng)域，這種模態(tài)被稱為聲腔模態(tài)［5］.當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)后，空氣在車內(nèi)與車身會(huì)有許多的振動(dòng)碰撞，當(dāng)彈性體的聲腔模態(tài)與車身的薄壁板構(gòu)件的某一階固有模態(tài)耦合時(shí)，就會(huì)引起聲腔振動(dòng)效果的放大，進(jìn)而引起乘客身體出現(xiàn)各種不適癥狀.也就是轟鳴（Boom）［6］.

2 發(fā)動(dòng)機(jī)諧次頻率

本問題車的發(fā)動(dòng)機(jī)是直列四缸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，基于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，由該車發(fā)動(dòng)機(jī)引起的各階振動(dòng)頻率滿足下述公式［7］：



式中：fk——發(fā)動(dòng)機(jī)k的階振動(dòng)頻率，n——發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，k——振動(dòng)階次數(shù)（通常取2，4，6，8，…）

該車發(fā)動(dòng)機(jī)是在低轉(zhuǎn)速1 100 r／min～1 600 r／min的情況下，引起車內(nèi)轟鳴，通過上述公式可得出，發(fā)動(dòng)機(jī)在該轉(zhuǎn)速帶的二階激勵(lì)頻率為 36.67 Hz～53.33 Hz，四階激勵(lì)頻率為 73.33 Hz～106.66 Hz.由工作經(jīng)驗(yàn)結(jié)合理論分析，初步判斷可能是由于發(fā)動(dòng)機(jī)諧次激勵(lì)頻率與頂棚的模態(tài)頻率耦合所致，為驗(yàn)證判斷是否正確,對(duì)問題車的頂棚做模態(tài)測(cè)試.

3 整車噪聲振動(dòng)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 測(cè)試方案

在駕駛員右耳處以及后排右坐乘客左耳處放置2個(gè)聲學(xué)測(cè)量用的麥克風(fēng)，在汽車頂棚對(duì)稱布置2個(gè)力學(xué)加速度傳感器，同時(shí)在頂棚上部布置有25個(gè)響應(yīng)點(diǎn).就問題車進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分3步：首先，在N擋全油門緩加速、怠速AC／ON、怠速AC／OFF等工況模式下先做一個(gè)駐車主觀評(píng)價(jià)，問題車在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于1 100 r／min～1 600 r／min時(shí)，車內(nèi)有較大的轟鳴聲；其次，在某交通試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)，再對(duì)問題車進(jìn)行路試客觀數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，主要測(cè)試工況有3＾WOT，4＾WOT，5＾WOT全油門緩加速，測(cè)試發(fā)現(xiàn)跟駐車主觀評(píng)價(jià)一樣，同樣存在低轉(zhuǎn)速轟鳴聲；最后，再對(duì)汽車頂棚做模態(tài)敲擊試驗(yàn).測(cè)試完成后，對(duì)測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

3.2 問題車頂棚原狀態(tài)測(cè)試
先就問題車處于原狀態(tài)時(shí)進(jìn)行NVH的主觀評(píng)價(jià)，以及客觀數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，采用的是Siemens公司旗下的LMS測(cè)試設(shè)備，試驗(yàn)采用LMS Test.Lab中Signature中的Signature Testing－Advanced模塊來獲取問題車的原狀態(tài)各項(xiàng)NVH參數(shù).經(jīng)過測(cè)試得出原狀態(tài)時(shí)頂棚的頻率響應(yīng)函數(shù)圖如圖1所示.


圖1 原狀態(tài)時(shí)頂棚的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線圖
Fig.1 The FRF curve of the original vehicle ceiling

從圖1中，可以明顯的看到頂棚在28.79 Hz，37.34 Hz，45.60 Hz，49.45 Hz這 4 個(gè)位置有較為明顯的峰值，考慮這4個(gè)頻率是否為頂棚的固有模態(tài)頻率，故再對(duì)頂棚進(jìn)行模態(tài)敲擊試驗(yàn).

模態(tài)敲擊試驗(yàn)同樣選擇的是Siemens公司旗下的LMS測(cè)試設(shè)備，采用LMS Test.Lab中Structures Acquisition中的Impact Testing模塊來獲取問題車的原狀態(tài)頂棚模態(tài)參數(shù).測(cè)試布置如圖2所示.


圖2 頂棚原狀態(tài)測(cè)點(diǎn)分布圖
Fig.2 The entity distribution of the measuring point on the original vehicle ceiling

模態(tài)敲擊測(cè)試采用的是移動(dòng)力錘法測(cè)試，頂棚下方布置有2個(gè)加速度傳感器，車內(nèi)布置有2個(gè)聲學(xué)麥克風(fēng)，在頂棚上標(biāo)記有25個(gè)力錘敲擊點(diǎn)，依次使用力錘敲擊25個(gè)敲擊點(diǎn)，以此作為激勵(lì)源.每當(dāng)敲擊點(diǎn)有激勵(lì)輸入時(shí)，2個(gè)加速度傳感器和麥克風(fēng)就會(huì)記錄數(shù)據(jù).測(cè)試所得數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，得到頂棚的前四階固有模態(tài)以及固有陣型如圖3所示.


圖3 頂棚原狀態(tài)的陣型圖
Fig.3 The modal shapes of the original vehicle ceiling

整理數(shù)據(jù)得到表1：

表1 頂棚原狀態(tài)的前四階模態(tài)
Tab.1 The first 4 orders modal of the original vehicle ceiling


表 1表明，頂棚的二階、三階、四階模態(tài)都處在發(fā)動(dòng)機(jī)的二階頻率（36.67 Hz～53.33 Hz）之間，故驗(yàn)證了之前的猜想：圖 1 中的 FRF 響應(yīng)曲線，頂棚在 28.79 Hz，37.34 Hz，45.60 Hz，49.45 Hz四個(gè)位置有較為明顯的峰值，是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的諧次頻率與頂棚模態(tài)耦合造成的.即發(fā)動(dòng)機(jī)的二階振動(dòng)頻率與頂棚的二階、三階、四階模態(tài)耦合，產(chǎn)生共振，是造成車內(nèi)轟鳴聲的原因.

3.3 頂棚優(yōu)化方案

轟鳴聲問題是由于模態(tài)耦合引起的，需要對(duì)頂棚進(jìn)行模態(tài)剛度加強(qiáng)，使頂棚的二階、三階、四階模態(tài)頻率避開發(fā)動(dòng)機(jī)的二階頻率，也就是采用避頻原則［8－9］.而板的振動(dòng)實(shí)際上都是由板的各階模態(tài)線性組合而成.降低板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)的辦法有增加阻尼、增加質(zhì)量和增加板的剛度.對(duì)一輛汽車而言，頂棚質(zhì)量不宜太厚，材料也很難更換，在頂棚上敷設(shè)阻尼層也不太實(shí)用，故對(duì)板進(jìn)行剛度加強(qiáng).工程上，提高板結(jié)構(gòu)剛度的方法大致有三種：將板做成階梯狀或者槽型、在板上面沖筋或做成曲面板以及在板上增加支撐結(jié)構(gòu).結(jié)合問題分析，汽車頂棚的優(yōu)化方案采取了在頂棚上沖筋來加強(qiáng)剛度.

3.4 頂棚優(yōu)化后的測(cè)試

頂棚沖筋實(shí)物如圖4所示.對(duì)頂棚進(jìn)行剛度加強(qiáng)后，先對(duì)車進(jìn)行駐車主觀評(píng)價(jià)，N擋全油門緩加速，發(fā)現(xiàn)此前的轟鳴聲較原狀態(tài)有明顯的削弱.再對(duì)頂棚做模態(tài)敲擊測(cè)試，驗(yàn)證沖筋方案是否真實(shí)有效.測(cè)試依舊采用力錘移動(dòng)錘擊法，在頂棚上部布置25個(gè)響應(yīng)點(diǎn)，采用LMS PolyMax方法來識(shí)別主要模態(tài)參數(shù)，2個(gè)參考點(diǎn)加速度傳感器對(duì)稱分布，同時(shí)車內(nèi)布置有駕駛員右耳處麥克風(fēng)1個(gè)、以及后排最右側(cè)乘客左耳處麥克風(fēng)1個(gè).

模態(tài)敲擊測(cè)試所得前四階陣型圖如如圖5所示.


圖4 加速度傳感器測(cè)點(diǎn)位置
Fig.4 The location of PCB acceleration sensor

圖5 頂棚優(yōu)化后的振形圖
Fig.5 The modal shapes of the optimized vehicle ceiling

整理得頂棚優(yōu)化后的模態(tài)數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 頂棚優(yōu)化后模態(tài)測(cè)試結(jié)果
Tab.2 The modal test results of the optimized vehicle ceilig


從表1、表2頂棚的模態(tài)數(shù)據(jù)前后對(duì)比，可以看出頂棚經(jīng)過優(yōu)化后，頂棚的模態(tài)提升非常明顯.其一階模態(tài)頻率基本沒變，而當(dāng)前狀態(tài)二階模態(tài)較原狀態(tài)二階模態(tài)提高了16.38 Hz，已經(jīng)達(dá)到53.55 Hz.三階模態(tài)較原狀態(tài)三階模態(tài)提高了18.73 Hz，已經(jīng)達(dá)到63.91 Hz.四階模態(tài)較原狀態(tài)四階模態(tài)提高了18.36 Hz，已經(jīng)達(dá)到67.68 Hz.同時(shí)，各階模態(tài)的阻尼比都有所增加，這對(duì)降低汽車頂棚的振動(dòng)也有一定的貢獻(xiàn).

從表2中同時(shí)可以看到，頂棚經(jīng)過加強(qiáng)后，其自身二階、三階、四階固有頻率都不會(huì)再與發(fā)動(dòng)機(jī)的二階頻率（36.67 Hz～53.33 Hz）、四階頻率（73.33 Hz～106.66 Hz）耦合，實(shí)現(xiàn)了避頻的目的.說明此次頂棚優(yōu)化方案對(duì)提高模態(tài)是有效的.理論上車內(nèi)轟鳴聲應(yīng)該已經(jīng)沒有之前明顯，需要對(duì)問題車進(jìn)一步進(jìn)行路試測(cè)試，從客觀數(shù)據(jù)上驗(yàn)證車內(nèi)噪聲是否得到改良.

依據(jù)原狀態(tài)的測(cè)試工況，對(duì)優(yōu)化頂棚后的車進(jìn)行同樣的工況測(cè)試，測(cè)試所得頂棚優(yōu)化后模態(tài)的FRF曲線與原狀態(tài)FRF曲線對(duì)比如圖6所示.


圖6 頂棚優(yōu)化后與原狀態(tài)的FRF曲線對(duì)比圖
Fig.6 The FRF curve of optimized vehicle ceiling compared with original one

從圖6中可以清晰的看到，經(jīng)過優(yōu)化后的頂棚模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)諧次頻率共振帶明顯往后移頻了，其原始狀態(tài)時(shí)，在 28.79 Hz，37.34 Hz，45.60 Hz，49.45 Hz 這四個(gè)位置有較為明顯的峰值，而優(yōu)化后，共振峰值處在了 29.98 Hz，54.43 Hz，64.00 Hz，68.76 Hz的位置，從而說明了在客觀數(shù)據(jù)上，對(duì)頂棚的優(yōu)化方案也是確實(shí)有效的，實(shí)現(xiàn)了移頻的目的，避開了與發(fā)動(dòng)機(jī)諧次頻率的共振.

再進(jìn)一步進(jìn)行車內(nèi)噪聲的對(duì)比，如圖7所示.


圖7 車內(nèi)噪聲對(duì)比
Fig.7 The vehicle interior noise comparison

從圖 7 中明顯可以看出，車內(nèi)轟鳴低轉(zhuǎn)速帶從 1 100 r／min～1 600 r／min 縮短到 1 200 r／min～1 550 r／min，同時(shí)，在 1 200 r／min 下，車內(nèi)噪聲從 70.00 dB（A）降低到 64.00 dB（A），在 1 550 r／min 時(shí)，噪聲從69.50 dB（A）降低到64.61 dB（A），噪聲降低效果比較明顯，再一次從客觀數(shù)據(jù)上驗(yàn)證了頂棚優(yōu)化方案的可行性.

4 結(jié)論

針對(duì)某車型低轉(zhuǎn)速下車內(nèi)轟鳴聲較為嚴(yán)重的問題，通過主觀評(píng)價(jià)得到初步判定，再輔以客觀試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，確定問題是由于發(fā)動(dòng)機(jī)二階頻率與頂棚模態(tài)頻率發(fā)生耦合，產(chǎn)生共振.結(jié)構(gòu)力學(xué)理論與實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，以避頻原則為基礎(chǔ)，考慮實(shí)際情況，對(duì)頂棚加上合適的強(qiáng)筋，進(jìn)行剛度優(yōu)化，提高頂棚模態(tài)，達(dá)到改善車內(nèi)噪聲的目的.可為同類型的汽車頂棚NVH性能優(yōu)化提供一定的參考性.