李响 周鋐

（同济大学 新能源汽车工程中心）

动力吸振器在轿车低频轰鸣声控制中的应用

李响 周鋐

（同济大学 新能源汽车工程中心）

针对某试验车后排右侧乘员处低频轰鸣声的特性及传递路径灵敏度进行了分析，确定发动机的2阶振动是该低频轰鸣声的主要贡献，是通过发动机的后悬置点传递到车身而引起的。提出了安装动力吸振器来减小发动机后悬置点处对振动传递的方法，并通过锤击试验和整车道路模拟试验表明，在该车前副车架后悬置点处安装动力吸振器，能够有效抑制其发动机转速为2 040 r/min时后排产生的低频轰鸣声。

1 前言

车内轰鸣声作为众多车内噪声中的一种，是通过车内壁板振动与声腔耦合产生的，其具有声压级较高且频带较窄的特点，对车内乘客的乘坐舒适性有很大影响，因此解决车内的轰鸣声显得尤为重要。本文针对某品牌新车型所存在的后排轰鸣声问题，利用试验方法对该问题进行了诊断与分析，并提出了解决后排轰鸣声的方法。

2 车内噪声分析

围成轿车乘坐室的壁板并非刚性结构，其自身具有结构振动模态，而作为弹性体的空气在封闭的空腔内能够形成很多的振动模态或声腔模态。当封闭的乘坐室受到压缩时，室内空气的体积就会产生变化并具有很高的阻抗，这将在低频范围内与室内壁板的振动产生非常强的耦合作用。如果这种低频耦合模态对激励产生较大的响应，车内便会产生非常高的压力脉动，进而引起乘员的不适[1]。

轰鸣声的产生必须具备3个先决条件[2]：封闭的空间、激励、壁板结构振动与空腔声学模态产生耦合等。因此，为解决轰鸣问题，首先需找到轰鸣声的激励源以及传递路径，进而提出相应的解决方案。

2.1 后排噪声特性分析

以某品牌新车型为试验车，通过对其进行主观评价可知，该车在3挡全油门加速工况下，发动机转速达到2 000 r/min时后排存在明显轰鸣声，为此针对该问题在试车场对该试验车进行相关试验研究。

试验车在平直水泥路面上进行3挡全油门加速试验，麦克风在在后排右侧乘员内耳位置所测得数据如图1所示。由图1可看出，在发动机转速为2 040 r/min附近声压级出现明显的峰值，此处峰值即对应主观评价中后排的轰鸣声。进一步对噪声信号进行分析，发现在发动机转速为2 040 r/min处，发动机的2阶激励对车内后排噪声的影响起主导作用[3]。因此可推断该试验车后排轰鸣声主要由发动机2阶振动引起，需针对此振动进行相应控制。

发动机转速n、阶次i及车内噪声频率f之间关系为：

根据式（1）计算得轰鸣声频率f=68 Hz。

2.2 传递路径灵敏度分析

汽车可以简化为由激励源（振动源、噪声源）、传递路径以及响应点组成的系统[1,4]，车内某处的噪声实际上是由多个激励源经不同路径传递到该处并叠加而成。因此，准确分析出造成后排轰鸣声的主要传递路径就能针对相关路径做出优化改进，从而解决轰鸣问题。

该试验车采用发动机前置前驱的型式，发动机的振动主要通过3条路径传递到车身引起后排轰鸣，如图2所示。针对这3条传递路径进行道路试验，以分析各路径下振动传递的灵敏度。分别在各悬置及排气吊挂的主动端和被动端布置三向加速度传感器，试验车在平直水泥路面上、在3挡全油门加速工况下进行多组试验，并针对一致性较好的3组试验数据的平均值进行试验分析。结果表明，各排气吊挂点和车身端悬置点在发动机转速为2 040 r/min附近无明显峰值，且振动均不明显，因此可排除排气系统对后排轰鸣声的贡献。

图3为前副车架各悬置安装点主动端和被动端的2阶振动对比。由图3可看出，前悬置、变速器悬置、发动机悬置都有较好的隔振效果，被动端的振动保持在0.3 m/s2以下；相比之下，后悬置点被动端Z向有较大振动，且在转速为2 040 r/min附近出现了峰值，达到1.13 m/s2。因此，推断前副车架后悬置点处是主要的振动传递途径。

3 低频噪声的控制研究

对于该低频轰鸣声的控制主要有以下3种改进方案。

a. 对噪声源加以控制，即减小发动机输入系统的振动能量。但该方法需改变发动机的结构，研发周期长且成本高，在发动机批量生产的阶段可行性不大。

b.对传递路径加以控制，此方法通过改进悬置隔振效果、安装动力吸振器等方法在振动的传递路径上来减小振动，从而达到控制车内噪声的目的。

c. 对响应点加以控制，该方法通过避免车身壁板结构振动与空腔模态耦合，达到改善车内轰鸣的目的。

针对该试验车的轰鸣问题，选用第2种方案，即通过对前副车架后悬置处的振动加以控制达到降低后排轰鸣声的目的。

3.1 动力吸振器原理

图4为装有动力吸振器的振动系统原理图。图4中，M1为主系统质量，M2为动力吸振器质量。

动力吸振器实质是一个弹簧质量系统，将其安装在主系统上，通过产生一个与主系统相位相差180°的振动，从而减小主系统某频率下振动[5]。

振动系统的动力方程为：

式中，x1、x2分别为主系统和动力吸振器的位移；k1、k2分别为主系统和动力吸振器的刚度；c为动力吸振器的阻尼；F(t)为主系统的激励力。

当主系统做谐和运动时，由式（2）和式（3）可得出主系统位移x1对应激励力F(t)的动力放大系数为：

式中，μ=M2/M1为动力吸振器与主系统的质量比；α=ω2/ω1为动力吸振器与主系统的协调比；为主系统固有圆频率；为动力吸振器固有圆频率；λ=ω/ω1为激振力与主系统频率比；为动力吸振器的阻尼比。

图5为安装和未安装动力吸振器时主系统的频率响应曲线。由图5可看出，在未装动力吸振器前，在激励下主系统只有1个较大的峰值；当主系统上安装了动力吸振器后，原来的单自由度系统变为二自由度系统，受到激励时二自由度系统出现了2个小的峰值，其中1个低于原来的峰值频率，另1个则高于原峰值频率，同时原峰值频率处幅值比安装动力吸振器前有大幅度下降。

3.2 动力吸振器设计

当工作频率（68 Hz）确定后，需要根据此频率来调整动力吸振器的质量及刚度，以达到预期的减振效果。增加动力吸振器的质量能够使主系统的振幅衰减更明显，但质量过大又会影响动力吸振器的使用寿命及增加制造成本，通常动力吸振器质量应该是原系统质量的1/5～1/10[6]。动力吸振器的弹簧部分是由橡胶件构成，通过改变橡胶件的大小、厚度可实现对橡胶件刚度的控制，橡胶件越大、越厚，其刚度越大；反之，则刚度越小。考虑到橡胶件在多次拉压之后会产生非弹性形变导致刚度发生变化，因此需要对橡胶件工作寿命进行试验，以确保在一定的循环周期后橡胶件的刚度仍保持在一定范围内[7]。

根据上述原理，针对该试验车后排轰鸣声问题设计了动力吸振器，其参数见表1。

表1 动力吸振器参数

4 试验验证

将所设计的动力吸振器用HBM 1-X60粘合剂粘在前副车架后悬置安装点处，如图6所示。为检验安装动力吸振器后对试验车后排轰鸣声的抑制效果，分别进行了锤击试验和整车道路试验。

4.1 锤击试验

在前副车架后悬置处布置1个三向加速度传感器，在动力吸振器安装前和安装后，分别用力锤朝+Z向敲击前副车架后悬置处，然后用数据采集系统对信号进行采集，锤击试验结果如图7所示。由图7可看出，在安装动力吸振器后，68 Hz处的振动得到了有效抑制，由安装动力吸振器之前的波峰降为了波谷，同时在该频率附近形成了2个较小的峰值，与前述分析结果一致，表明了该动力吸振器对前副车架后悬置点在68 Hz处的振动有明显的抑制作用。

4.2 整车道路试验

由图7可看出，虽然在68 Hz处动力吸振器对后悬置点的振动产生了较好的抑制作用，但同时也增加了后悬置点在55 Hz附近的振动。为验证实际运行状态下安装动力吸振器对后排轰鸣声抑制的效果，将麦克风布置在后排右侧乘客内耳处，在平直水泥路面上进行了3挡全油门加速试验，结果如图8所示。由图8可看出，在试验车前副车架后悬置处安装了动力吸振器后，发动机转速在2 040 r/min时，试验车后排的总声压级曲线趋于平缓，原来的峰值得到了有效抑制，2 040 r/min处的声压级由原来的62.4 dB（A）下降到60.4 dB（A）；低转速下，声压级曲线比安装动力吸振器前有所上升，但总体保持在60 dB（A）以下，曲线较为平缓，并未引起低转速下峰值出现。

5 结束语

针对车内轰鸣声产生机理及特性，综合运用阶次分析技术以及传递路径分析技术对后排所产生的轰鸣声进行了分析，诊断出该轰鸣声主要是由发动机的2阶振动引起，并且前副车架后悬置点是主要的传递路径之一。提出了在前副车架后悬置点处安装动力吸振器来减小后排轰鸣声的方案。通过锤击试验和整车道路模拟试验表明，在前副车架后悬置点处安装动力吸振器能够有效抑制后排在发动机转速为2 040 r/min时所产生的低频轰鸣声。

1 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动——理论与应用.北京:北京理工大学出版社,2006.

2 赵静,周鋐,梁映珍.轿车乘坐室轰鸣声的分析与控制研究.汽车技术,2009（10）:16～20.

3 张守元,李鹤,张义民.阶次跟踪技术及其在汽车NVH中的应用.轻型汽车技术,2009（4）:14～17.

4 李传兵,徐小敏,王新文,等.传递路径分析法(TPA)进行车内噪声优化的应用研究.//LMS第三届用户大会论文集.Beijing:[s.n.]，2008.

5 兰靛靛,闵福江,邵明亮.动力吸振技术在车内轰鸣声控制中的应用.振动.测试与诊断,2011,31（3）:335～338.

6 Winkler K.Guidelines for optimizing vibration mass damp⁃ers.Measurement,1988,2012:06～18.

7 Cheni R K,Jain C P,Muthiah R,et al.Application and De⁃velopment Challenges of Dynamic Damper in Cabin Boom⁃ing Noise Elimination.SAE Technical Paper,2014.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2014年10月7日。

Application of Tuned Mass Damper for Low Frequency Booming Noise Control of Passenger Car

Li Xiang,Zhou Hong
（Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University）

The characteristics of rear seat booming noise and transfer path sensitivity of the test car are analyzed, which confirm that the 2nd order vibration is diagnosed to be the main source of the rear seat booming noise,and this vibration is transferred through the rear mounting point to the body.Therefore,the method of installing a tuned mass damper(TMD)at the rear mounting point of front subframe to decrease the vibration from the engine is proposed,the method is verified by hammer test and vehicle road simulation test,which show that the installation of a TMD at the rear mounting point of front subframe can effectively restrain the low frequency booming noise at the rear seat when the engine speed reaches 2 040 r/min.

Passenger Car,Tuned mass damper(TMD),Low frequency booming noise, Control

轿车 动力吸振器 低频轰鸣声 控制

U467.4+93

A

1000-3703（2015）01-0009-04