王田修，路志尧，顾晓卓，汪海涛

（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545000；2.西门子工业软件（北京）有限公司，北京100102）

近年来环保问题日益严重，能源愈发紧缺，原油价格不断上升，新能源汽车尤其是电动汽车成为了当前的研究热点。对于汽车，消费者已经不满足于仅仅作为代步工具，对汽车的操控、动力、环保、舒适度等的要求日渐提高，而舒适度问题带给消费者的感受是最直接最表面的。其中汽车的噪声水平成为乘坐舒适度的重要评价标准之一[1]。

汽车的噪声贡献源主要有动力总成振动噪声、风激励噪声、路面激励噪声、车辆异响等。而电动汽车不仅电动机本体振动噪声小于内燃机，且不需要进排气系统，因此动力总成噪音较小。没有了动力总成噪音的掩饰，风激励噪声与路面激励噪声变得相对更为明显。加之小型电动汽车的设计时速较低，风激励噪声的贡献比例变小，路面激励噪声就成为了主要的噪声来源。当路面粗糙（有一定磨损）时，路面激励噪声对驾驶员和乘员会变得更易察觉。

目前各学者在路面激励噪声及其控制方法上已经有较多研究。谭晶晶等利用传递路径分析(TPA)方法，将实验与CAE 分析相结合，研究车辆在光滑路面以60 km/h 的速度行驶时路面噪声对车内噪声的影响，通过确定不同路径传递的激励贡献量比重，找出贡献量最大的路径和主要相关零部件进行优化分析以降低车内噪声[2]；赵春等针对某SUV 在粗糙路面行驶时车内噪声偏大的问题，实车采集车辆轮心载荷并建立整车有限元模型，主要对200 Hz以内的低频噪声做相关优化，使车内噪声达到目标要求[3]；查朦等对汽车车身结构和车内声腔进行模态分析，通过建立整车多体动力学模型得到硬点载荷并计算出激振力频谱，对车身结构-车内声腔耦合系统进行声场预测分析，经车身结构优化改善了车内噪声情况[4]；冯兰芳等建立了某微客刚柔耦合多体动力学模型，并在C 级路面上仿真得到了车身与底盘连接处的激励信号，将激励加载在车身的声固耦合模型之上，得出驾驶员处声压响应并与样车测试值作对比证明了方案的可行性[5]；王媛文等采用了传递路径分析和模态实验相结合的方法，研究了车内轰鸣声的激励源，提出了一系列通过降低扭转交变力矩的方式改善车内噪声品质的措施并进行了实验验证[6]。

本文为解决某小型汽车在20 km/h～65 km/h/速度区间内存在的车内轰鸣声问题，首先通过实车实验进行了各激励点的载荷识别及其与车内噪声目标点的传递路径分析，然后在LMS Virtual.Lab软件中导入内饰车身与声腔模型，利用实验中选定的底盘悬架与车身接附点作为激励点，车内驾驶员内外耳、副驾驶员外耳为响应点，驱动模型进行强迫响应分析，将仿真结果与实验结果进行对比从而验证模型的有效性，根据实验与仿真结果确定了噪声声压级在30 Hz和36 Hz附近存在峰值，针对这两个峰值分别进行弱点分析，通过在模型上的仿真优化与实验验证确定了有效的工业化解决方案。

1 实验与数据处理

某公司小型电动汽车市场反馈其在粗糙路面上行驶时，在车速为20 km/h～65 km/h时车内存在“隆隆”声。为了复现以上工况，找到解决办法，选择汽车试验场按照一定标准修建的一条类似于磨损道路的路面用于研究。电动汽车一般选择匀速工况进行测试，本项目中测试速度为55 km/h，测试工况中需要测量车内噪声、底盘悬架与车身各接附点附近的振动。道路载荷识别工作主要分为行驶时的数据采集和静态条件下的传递函数测试。运行工况主要通过数据采集系统，通过加速度传感器、麦克风（也称传声器）获取相应的运行工况下的时域信号，再通过软件进行后处理；静态条件下的传递函数还要使用激励用的力锤进行采集。

将行驶工况测试数据在LMS Test.Lab 软件中打开。计算测得的多组噪声互谱数据时需要对参考主分量进行选取，本文中选取3个噪声目标点（驾驶员外耳，驾驶员内耳，副驾驶外耳）为参考进行互谱的计算。对得到的互谱做主分量分解，以求得到能代表3个目标点指标的信息，分解得到在20 Hz～250 Hz范围上的3个主分量，如图1所示。

图1 主分量分解结果

由图1可看出第一主分量在20 Hz～250 Hz 内的结果几乎与实验所测得的总结果相吻合，只有在个别峰值与第二主分量相当。考虑到本项目前期的主观评价和滤波回放，锁定导致低频路噪问题的频率应为30 Hz和37 Hz两个峰值，因此可以使用第一主分量结果作为单参考载荷提取的行驶工况数据使用。以上主要完成了从多参考载荷提取到单参考载荷提取的转化。

基于以上工作对第一主分量进行逆矩阵求解可获得车身与底盘悬架接附点的力输入。利用LMS Test.Lab软件搭建传递路径分析(TPA)模型，将传递函数和第一主分量结果选定，选择车内噪声为目标点，各底盘悬架接附点为路径，各底盘接附点附近的加速度数据为参考。对矩阵求逆的过程其实也包含了奇异值分解，一般认为奇异值小的，在求逆矩阵的过程中会产生较大的误差[7]。但奇异值小到多少会产生较大误差很难评估，因此软件中有一个物理量“条件数”可以对奇异值进行调整。条件数表征了该矩阵数值计算的难易程度，定义为矩阵奇异值中的第一个值（即最大特征值）与所选择的最后一个值（即最小特征值）的比值。工程上，一般认为条件数小于100 可以有效减小误差，比较理想的情况下可以小于50，但不是越小越好。本项目中原始数据计算过程中，最大条件数为955.08，经过对奇异值调整后，最大条件数降为99.45。条件数的最终确定需要对比调整前后的载荷数据，结合TPA 模块结果和加速度传感器信号共同确认。

运用TPA 模块对车内噪声进行计算，将计算所得的车内噪声与实验所得的噪声进行对比结果如图2所示。认为载荷识别具备准确性。

图2 通过载荷识别计算与实验结果对比

经计算和校核后的载荷得以确定，底盘悬架与车身接附点的载荷结果可以导出作为仿真计算的输入。

2 声学有限元法仿真分析

声学有限元法可以根据内饰车身模型和声腔模型求得车内声学模态频率及振动模态[8]。将实验获得的载荷，按实际的加载点加载到带有声腔模型的内饰模型上就可以求得车内目标点的强迫响应结果。

2.1 模型建立

内饰车身指的是整车去除动力系统、传动系统等，只留下白车身、4门2盖、内饰和转向系统等部分的车身[9]。本项目针对该小型电动汽车，建立的两门两盖结构内饰车身模型如图3所示。

图3 内饰车身模型

声腔建模的目的是为了仿真车内空气的作用。空气作为一种媒介具有固定的属性，如果车内为真空状态，车内乘员耳旁则不会产生声压，因此声腔模型是仿真工作中必须建立的模型[10]。车身壁板结构的振动，包括前壁板的振动、顶棚的振动等，这些扰动使得声腔的空气体积发生微小的变化，并产生噪声[11]。最终利用Hypermesh 软件建立的声腔有限元模型如图4所示。

图4 声腔有限元模型

2.2 强迫响应分析

强迫响应是指系统由于受到外部激励而产生状态变化的响应类型。强迫响应分析是要将一个耦合的多自由度系统动力学问题解耦成一系列非耦合单自由度动力学问题。利用强迫响应可以分析在载荷作用下会出现什么响应；哪个或哪些固有频率会产生什么样的响应，对应于结构出现什么样的应变等问题。

将建立好的声腔模型导入LMS Virtual.Lab 软件中。按照实际输入定义底盘悬架与车身接附点为激励点；车内驾驶员内外耳、副驾驶员外耳为响应点。利用该模型进行仿真计算，将仿真结果与测试结果进行对比如图5所示。

图5 实验结果与仿真结果对比

发现低频区域内30 Hz 和36 Hz 附近均存在声压级的峰值，但是幅值上实验结果偏大，仿真结果偏小。主要是因为有限元模型相对实车有一定的简化造成误差，但是仍然可以进行定性的分析。

3 优化方案与验证

实验结果与仿真结果均证明了在30 Hz 与36 Hz 附近为车身弱点，针对这两个频率，先找出对应实车变形较大的结构，提出解决方案，在仿真模型上测试有效后再进行实车结构改进，再次进行实验与仿真结果对比，验证方案的有效性。

3.1 30 Hz弱点分析与实验验证

针对30 Hz 峰值附近进行弱点分析。通过仿真模型计算模型在测试载荷激励下的工作变形，由30 Hz 频率下的车身变形图可以初步判断后背门的变形较大，认为其为主要贡献源，如图6所示。

图6 载荷激励下30 Hz的内饰车身工作变形

其引起变形大的原因可能为后背门的刚体模态引起，因此需要对后背门的模态进行研究。通过在模型上修改结构并进行仿真的手段确认问题来源和解决办法。基于工作变形及实车结构，认为后背门缺少横向限位，即后背门在整车左右方向上没有限位装置，导致车门有较大变形，在仿真模型上用bush单元进行模拟，增加尾门横向限位块后，30 Hz 峰值下降了9.7 dB，效果十分明显，如图7所示。确认了其为主要贡献源。

图7 尾门增加横向限位块后计算车内噪声结果

对仿真结果进行工业化方案验证。查找现有车型后背门横向限位块的结构与位置，手工制作样件并在实车上验证结果。经测试，样车以55 km/h匀速行驶在粗糙路面时，车内噪声在30 Hz 附近下降约6.1 dB，实验结果如图8所示。

图8 尾门增加横向限位块后实测车内噪声结果

3.2 36 Hz弱点分析与实验验证

针对36 Hz峰值附近进行弱点分析。通过仿真模型计算模型在测试载荷激励下的工作变形，由36 Hz 频率下的车身变形图可以初步判断电池包前部变形较大，认为其为主要贡献源，如图9所示。

图9 载荷激励下36 Hz的内饰车身工作变形

基于工作变形及实车结构，认为电池包前部缺少固定支架，无法约束电池包的前部，导致电池包前部有较大变形。在仿真模型上用rbe 2 单元将电池包前部与地板前横梁做刚性连接后，36 Hz峰值下降了5.3 dB，效果十分明显，如图10所示。确认了其为主要贡献源。

图10 用rbe2单元连接下计算车内噪声结果

由于rbe 2 单元模拟的刚性连接在本车上无法在工程上实施。根据刚性连接的位置进行了电池包支架的设计，经过计算，其结果在36 Hz峰值附近下降了8.2 dB，如图11所示。

图11 设计支架连接后计算车内噪声结果

经手工制作电池包前支架并进行实车安装，样车以55 km/h 匀速行驶在粗糙路面时，车内噪声在36 Hz附近下降约3.6 dB，实验结果如图12所示。

图12 实车手工制作支架连接后实测车内噪声结果

4 结语

本文以小型电动汽车为对象，通过车身结构优化对汽车路面激励噪声控制方法展开研究。将模型仿真与实车实验相结合，形成了可实现的，高效的基于路面激励噪声的车身优化流程，使该类问题得以快速解决。并有相应结论如下：

（1）使用主分量分解技术，可以解决4个车轮激励部分相关的问题。主分量分解的过程中将部分相关的物理量经过变换转化为一定数量的正交的虚拟分量。通过对比各主分量发现，可以用第一主分量来描述问题，简化了问题复杂度。

（2）由传递路径分析(TPA)建模对实验识别的噪声声压级进行验证，确定了模型准确性，大幅提高了载荷识别的可信度。使用实验的方法测试各接附点到车内目标点的声学传递函数，根据“源-路径-接受者”的模型进行计算。计算结果与实际测试的声压级进行对比，通过对比可以看出载荷是完全可信的。

（3）将已验证的各接附点载荷输入到标定后内饰车身仿真模型中进行计算，可以快速地寻找车身弱点，相对于使用实验的方法效率得到了大幅提高。

（4）根据概念化方案进行工业化方案转化，使制作样件进行实验验证成为可能。通过实验的方法对实际的问题进行效果验证，保证最终结果的有效性，使优化结果可直接用于实车质量提升。