时域传递路径分析在路噪声品质开发中的应用*

毛杰 陈志东 邱毅 周昌水 张亚楠 姚再起

(1 浙江吉利控股集团有限公司汽车工程学院杭州 310000）

(2 浙江大学能源工程学院杭州 310027）

(3 吉利汽车研究开发宁波有限公司宁波 315336）

0 引言

当车辆以60 km/h或80 km/h匀速行驶在粗糙路面时，内燃机噪声和风噪一般不是主要的噪声源，而路面不平顺度经过轮胎和悬架传递到车身引起的结构噪声(路噪)，以及轮胎与路面相互作用引起的空气噪声(胎噪)，是该工况下最易引起客户抱怨的NVH(Noise,Vibration,Harshness)问题。其中，在汽车NVH开发领域，路噪与轮胎的力传递、悬架的选型、车身的设计强相关，而胎噪与轮胎的花纹设计、车身的声学包设计强相关。在当前的乘用车市场上，随着电动汽车的快速发展，在缺少内燃机对低频噪声的掩蔽效应后，以结构声为主的路噪一直是售后抱怨的痛点。

在路噪的研究方面，Lee等[1]扫描了路谱，以强迫振动的形式加载到轮胎与路面的接触面上，激励整车有限元模型(包含轮胎)计算路噪。黄剑锋等[2]采用传递路径分析(Transfer path analysis,TPA)技术进行了从整车到部件的路噪问题诊断和优化。Baro等[3]建立了一个线性轮胎模型用于预测200 Hz附件轮胎空腔声的机理，用于降低空腔声经悬架结构传递到车内的噪声。

主机厂在车型仿真开发阶段，重点工作集中在频域范围内的路噪声压级上，只能等到试验样车调校阶段才能开展主观评价(又称路噪的声品质评价)。而根据心理声学理论，声压级的降低和声品质的改善之间并不存在绝对的关联。换言之，仿真阶段一味地追求声压级的降低，在一定程度上会引起过设计的现象，并且无法确保对于后续样车的声品质带来收益。

因此，基于项目开发中的痛点问题，本文采用时域TPA(Time-domain TPA)方法，搭建了某乘用车的NVH仿真-测试混合TPA模型，可以实现噪声的回放、编辑以及仿真方案的主观评价，在一定程度上缩短开发周期、降低设计变更成本以及减少人力投入。

1 时域TPA简介

TPA目前已广泛应用于汽车NVH的开发工作中[4-5]，对于识别振动或噪声问题的关键路径、提出针对性的优化方向，具有直接且有效的作用。

常见的TPA分为频域和时域两种，本文对它们的优缺点和应用场景做一个简单的介绍。频域TPA用工作载荷的频谱乘以传递函数的频谱，得到该条路径的频域贡献量，最后通过矢量叠加所有结构声和空气声贡献路径得到车内总噪声，如式(1)所示：

式(1)中：f表示频率；pdriver(f)表示频域下的驾驶员耳旁声压；i和j分别表示结构声(Structureborne,SB)和空气声(Airborne,AB)的贡献路径数量；分别表示第i条结构声传递函数和第j条空气声传递函数；Fi和Qj分别表示第i条结构声传递路径的力载荷和第j条空气声传递路径的声载荷。

在进行汽车NVH开发时，频域TPA可以快速把问题频率下的振动或噪声问题的主要贡献路径识别出来，进而再识别该贡献路径的主导因素是激励源还是传递函数，最后可以开展针对性的优化工作。频域TPA的缺点在于无法进行声音的回放和评价。

而时域TPA用工作载荷的时域时间与传递函数的逆快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)做卷积，得到该条路径的时域贡献量，如式(2)所示：

式(2)中各变量定义同式(1)。

时域TPA方法在汽车NVH开发中具有广泛的应用价值，比如：(1)内燃机车型的启动/熄火是一个瞬态工况，适合从时域上进行分析和优化；(2)声音的回放功能可以减少实车调教过程中的“试错”次数，提高开发效率，同样需要适合从时域上进行结构声和空气声的分析和优化。

2 路噪声品质问题简介

在车辆匀速行驶在粗糙路面上时，在不同的频段内易引起不同的路噪声品质抱怨，如轰鸣声(20～50 Hz)、敲鼓声(70～90 Hz)、隆隆声(100～160 Hz)、轮胎空腔声(180～250 Hz)，相关描述如表1所示。需要说明的是：(1)上述问题频段的定义在不同的主机厂会略有差异，但不影响路噪问题的表述；(2)轮胎空腔声以单频噪声问题为主，表1中所示频段较宽(180～250 Hz)的原因是根据轮胎尺寸、车速、温度等差异，空腔单频噪声会在200 Hz上下偏移；(3)300 Hz以上胎噪问题不在本文的讨论范围内。

图1是某SUV在粗糙路面以60 km/h匀速行驶时的驾驶员耳旁路噪时域和频域结果，其中由图1(b)可以看到与表1相对应的路噪问题。其中，在20～50 Hz频段内，因声压级幅值高、低频声能集中，在行驶过程中引起了明显的低频压耳感的路噪声品质抱怨，亟需对该问题展开分析和优化。

表1 常见的路噪声品质问题Table 1 Common road noise sound quality issues

图1 某SUV车内路噪时域和频域曲线Fig.1 Interior time-domain and frequencydomain road noise curve of an SUV

3 路噪声品质仿真和优化

基于路噪声品质的开发需求，本文首先采用时域TPA方法对某SUV的路噪声品质问题进行复现，锁定关键贡献路径和问题频段，接着采用CAE方法对特定频段的子系统进行优化。

3.1 基于时域TPA的问题复现

目前，基于整车路噪仿真技术，可以完成从路面载荷提取到车内噪声计算的全流程分析。然而，单纯依赖于仿真手段，在实际项目开发过程中常会遇到以下场景：

(1)整车有限元模型在20～300 Hz频段内的仿真精度问题。整车路噪仿真方法一般有2种常用的方法，一是路面不平顺度加载到轮胎模型的方法，二是直接提取轴头力加载到车轮中心的方法。虽然以上方法已经较为成熟，但是在实际应用时，轮胎、悬架、车身等有限元模型在不同频率下均会产生一定的误差，从而影响仿真结果和问题判断的精度，尤其是在100 Hz以上，这种误差会逐步突显出来，需要耗费大量的时间去获取准确的输入、对标各问题频率下的有限元模型精度等。

(2)通过上述仿真方法得到的频域路噪结果，因缺乏时域信号而无法进行声音回放，所以路噪优化工作只能通过降低声压级开展，无法建立起仿真优化方案和主观评价直接的联系，易引起过设计的现象。

因路噪激励特性和传递路径较为复杂，若不借助于有效的问题诊断手段，只能在实车上通过试错的方式进行问题排查，效率低且成本高。基于现有仿真技术的瓶颈，本文采用仿真和试验混合的方法，进行路噪低频压耳感问题的复现和优化：

(1)采用时域TPA方法进行路噪声品质问题的诊断分析。该方法的优点在上文理论部分已经介绍，不仅可以实现传统TPA方法对于车内噪声主要贡献路径的识别，还可以实现声音的回放。

(2)采用CAE方法对主要贡献路径的问题进行针对性优化，并且将优化的结果替换到时域TPA模型中，实现优化方案的回放，减少大量试错和方案试制的时间。

(3)在平台化造车的时代，基于平台第一款车型上完成(1)和(2)的工作后，可以对后续车型的开发效率提升提供帮助。

本文搭建的某SUV路噪时域TPA模型如图2所示，主要包含由螺旋弹簧、前减振器和前副车架组成的前悬架路噪，以及由后减振器和后副车架组成的后悬架路噪。将前后悬架的路噪结果进一步合成后，可以得到时域的车内路噪结果，不仅可以通过FFT后得到路噪的频域声压级曲线，还可以直接将时域结果回放进行主观评价。需要说明的是，300 Hz以下的路噪是结构声强相关的噪声，可以忽略空气声的影响。因此，本文在提取路噪TPA的路径的时候，只需要考虑结构声传递函数HiSB即可(如图2所示)。提取的过程是通过工况传递路径分析(Operational transfer path analysis,OTPA)多工况拟合的方式，即获取不同工况下的底盘激励结果和车内噪声响应结果，然后通过OTPA自带的传函拟合算法，即算法中默认每一条底盘硬点到车内的传递函数是固定的，从而通过多个工况的测试结果矩阵计算得到每一条传递函数结果。

图2 路噪声品质时域TPA分析Fig.2 Time-domain TPA analysis of road noise sound quality

为了确保时域TPA分析的准确性，需要对比它和车内传声器测试结果的一致性，如图3所示。从图3(a)中可以看到，在0～10 s时域内，时域TPA合成路噪和车内传声器测试路噪的时域声压曲线基本重合；在20～300 Hz频段内，时域TPA合成路噪和车内传声器测试路噪的一致性较好，从而证明了TPA模型和结果的有效性，可以用于路噪声品质问题的排查、分析和优化。需要说明的是，图3(b)的频域结果在75～100 Hz区间内相对其他频段存在较大的误差，这主要是因为测试过程采用了时域TPA中的工况TPA方法，测试效率更高，但是会损失一部分精度。而该误差对于图3(a)中的两个时域压耳声品质的主观评价几乎没有影响。因此，在工程应用时，建议通过前后测试多个稳态和瞬态工况，如不同车速的匀速工况、怠速工况、节气门全开/半开加速工况等，通过多工况的相互耦合，提升工况TPA对于传递函数求解的精度，从而提升车内噪声拟合结果的精度。

图3 某SUV车内路噪时域和频域曲线Fig.3 Interior time-domain and frequencydomain road noise SPL curve of an SUV

将时域TPA合成的路噪结果在声品质评价试验室内组织主观评价，选取了10名不同年龄、性别的评价人员，主观评价路噪低频压耳感得分为6.5分，目标7分。

3.2 基于时域TPA的问题分析

基于准确的TPA结果，可以快速实现噪声贡献路径的合成和分解，从而确定路噪低频压耳感问题的主要贡献路径。

图4是低频压耳感问题的TPA分解，结合公式(1)，以35 Hz声压级峰值频率为例，把组成该频率下车内噪声的所有路径进行贡献排序后，可以得到排名前3的悬架传递路径分别是后副车架右前Z向、左后Z向和右后Z向，即以后副车架为主的路径决定了低频压耳感声品质问题的产生。

图4 低频路噪传递路径分解(35 Hz)Fig.4 Chassis transfer path decomposition of the low-frequency road noise(35 Hz)

3.3 基于CAE的问题优化

基于锁定的悬架传递路径，通过CAE的手段可以针对性地定位到问题产生的本质原因，理论上可以通过“源-路径-响应”三个方面进行优化。

“源”来自于路面和轮胎的相互作用。在30～40 Hz，轮胎存在整体的滚动模态，是引起低频压耳问题的激励源。在粗糙路面的随机载荷激励下，轮胎滚动模态被激发，从而在轮心处产生了明显的轮心力峰值。然而，轮胎的滚动模态往往是无法避免的，只能通过轮胎尺寸、运动或舒适风格的优化选型，在一定程度上降低滚动模态频率附近的轮胎力传递特性，但当车辆造型和风格确定后，在轮胎上可以调校的空间非常狭小，即“源”的大小无法进行有效的控制。

“路径”来自于悬架系统的传递。若在问题频率附近存在悬架整体模态，则会放大轮心力在悬架结构上的力传递；若悬架不存在整体模态，则也会被轮心力强迫激励，从而在悬架和车身的连接点上产生不同幅值的力，常称之为车身侧悬架接附点力。图5是引起低频压耳感问题的主要贡献路径的接附点力，发现在30～40 Hz频段内均存在力的峰值。

图5 主要贡献路径的接附点力Fig.5 Attachment forces of main contribution paths

“响应”来自于车身系统的噪声敏感度，即悬架系统在车身侧的安装点在单位力的扫频激励下，引起的车内声学响应，通常称之为噪声传递函数(Noise transfer function,NTF)。如果关键路径的NTF在问题频率附近存在明显的峰值，则会进一步放大悬架力激励车身引起的车内噪声。NTF存在峰值的原因一般有3种可能性：一是安装点在问题频率附近刚度不足，无法有效抑制悬架力的激励；二是车身存在整体模态，带动了车身的共振；三是车身某些大面板结构(如尾门、风挡玻璃、地板等)存在模态，该模态被激发后压迫车内声腔，从而形成车内噪声的贡献。

当新车型开发搭载较为成熟的平台架构后，一般无法对“源”和“路径”做大范围的调整，因此本文重点通过“响应”进行低频压耳感问题的优化。

由图6(a)所示关键路径的NTF可以发现，在30～40 Hz内存在明显的峰值。因此可以基本确定，在关键路径的接附点力和NTF均存在明显峰值的情况下，引起了本文的路噪压耳感问题。采用面板贡献量分析对NTF峰值进行诊断，发现尾门的贡献为41%，占了主导贡献，如图6(b)所示。因为尾门在问题频率下存在前后方向整体的拍击模态，容易和车内声腔的1阶前后方向整体模态进行耦合，从而形成底盘路噪的主导贡献。

图6 内饰车身噪声敏感度问题分析Fig.6 Noise sensitivity analysis of a trimmed-body

本文研究的某SUV因采用贯穿式尾灯设计，因此尾门外板的中部设计了凹槽结构，致使尾门的整体刚度降低，整体模态频率下的振幅升高，从而形成了超过40%的噪声贡献。优化方案主要针对尾门外板的弱点，在不改变贯穿式尾灯造型的需求下，通过增加尾门内外板之间的连接点提升整体刚度，降低尾门拍击模态下的振幅。优化后，30～40 Hz内的路噪峰值下降4 dB，如图7所示。

图7 路噪优化设计及结果Fig.7 Road noise optimal design and result

3.4 基于回放技术的主观评价

将CAE优化方案的效果替换到时域TPA回放模型中，组织10位专家进行优化前后的主观评价，主观评分从6.5分提升至7分，达到目标要求。

最后，基于主观评价后的CAE优化方案，进行试验验证，实车的客观测试和主观评价结果与上文的仿真结论基本一致，从而在项目开发过程中大幅降低了试错的成本，提高了开发效率。

4 结论

本文针对复杂的路噪声品质问题，采用时域TPA方法进行了问题的分解，并结合CAE方法开展了关键路径的分析和优化，可以为相关工程问题的解决提供技术参考。

(1)基于TPA分解技术，量化各个贡献路径的分解，实现复杂问题的聚焦；

(2)通过试验-仿真混合的方法，充分发挥CAE在解决实车工程问题中的能力，解释问题的本质并提出针对性的有效方案，最终使30～40 Hz的路噪降低了约4 dB，有效改善了低频压耳感问题；

(3)基于本文搭建的时域TPA回放模型，在后续平台化造车的项目中，可以实现平台化问题的快速聚焦、仿真结果的主观评价，大幅提高NVH开发效率。