降低汽車車內噪音新方法——NVH分析法

輝輝仔

一家汽車OEM製造商發現他們製造的一種新車型的車內噪音比其競爭對手的相近車型高大約6dB。他們必須迅速解決這一問題，降低該車型的噪音、振動和聲振粗糙度等級。
於是該公司的設計工程師請來LMS國際公司的工程顧問。後者利用噪音源排序、基準測試分析和關鍵雜訊路徑調查技術研究對策，並利用頻響函數測試技術對找到的對策進行評估，從而確定雜訊過高的根本原因。他們發現，NVH最主要的來源是通過空氣傳播的雜訊和通過引擎架傳遞出來的雜訊。於是，他們設計了一種新的支架以減少引擎懸置引起的雜訊，並在底盤、防火牆和引擎罩上添加了一些裝飾材料，最終將雜訊降低了8dB。
本文具體介紹了如何採用現代化的分析工具達到如此優秀的降噪效果。
雜訊問題的提出
就在該車型準備量產前，OEM廠商發現該車在滿油門加速時會產生嚴重的引擎雜訊。於是他們向LMS求助以求解決該問題，並希望LMS能夠同時提供其他一些重要資訊。LMS分析了與該車型相近的最優秀的競爭車型，並將此競爭車型的內部雜訊，尤其是加速時的雜訊水準作為問題車型優化的最終指標。
: c4 W! i0 [- `- x2 p$ e同時，OEM廠商還要求LMS工程師確定這兩種車型雜訊水準不同的原因，並提出改善問題車型應做那些設計改動。也就是說，客戶對LMS的最終要求是提供一個NVH性能與競爭車輛相當的改進後的汽車原型。在該專案中，LMS綜合利用了一些先進技術和他們在解決車輛問題中積累的經驗。這些先進技術中包括一些用於快速識別車輛中引發問題的大致區域的“快速分析”技術，例如快速傳播路徑分析(TPA)技術；也包括一些幫助設計人員瞭解雜訊機制並確定問題根本原因的詳細分析技術，例如TPA和聲源量化(ASQ)技術。最終，LMS的工程師不但克服了該專案中的工程挑戰，同時還把分析過程中瞭解到的資訊回饋給客戶，從而使優化車輛和子系統的開發過程成為可能。
" i! }# W; v: l+ \- @" l' c. {傳統的車輛雜訊處理方法
: B; u9 U, H; }8 ^$ E處理車輛內部雜訊問題的傳統方法是通過物理測試尋找噪音源。例如，為了消除車內雜訊測量時發現的噴嘴雜訊，可以在進風口內放一根管子，或者將這個進風口的支管隔離開來，以消除其支架上發出的外殼雜訊。

8 t3 S! {6 o7 t' {0 Q" c+ X& k圖1：比較問題車輛與其最優競爭者的聲音隔離特性，為設計提供目標。
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/ M0 G$ a) t) H! g8 h# }圖2：採用一組感測器測量車內雜訊。
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圖3：通過詳細傳播路徑分析，工程師可以研究主要傳動系統對車內雜訊的貢獻
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7 w% @2 s2 ^' ]# Z9 s圖4：利用聲傳感器量化噪音源的聲強

3 v! Y  m+ b, X" Z0 J% r3 W# x圖5：原始問題車輛和修改後的最終原型車輛的整體雜訊等級概覽說明整個頻譜上的雜訊等級均有所降低。
; p# I! v. S% a. {) @" Y; z此類測試的問題在於它們只能找到引發問題的大致來源。如果不能深入分析導致問題的原因，那麼設計工程師通常會面臨一個冗長又昂貴的反復實驗過程。這個過程中通常需要進行耗資巨大的設計修改，但效果卻遠遠得不到保證。

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LMS工程師首先利用噪音源排序和基準測試分析法尋找問題車型和競爭車型中的主要的雜訊傳播路徑。在斷開了主要噪音源並且明確定義了測量條件的前提下，他們對兩種車型都進行了TPA分析。1周內，他們就確定了以下噪音源每rpm值產生的內部雜訊比例：
1．從引擎表面發出的空氣傳播類雜訊；
2．從引擎懸置發出的結構傳播類雜訊；
3．從傳動軸發出並通過懸架傳遞到車身的結構傳播類雜訊。
4 e' }2 g3 [7 _- U* v快速TPA分析的結果顯示空氣傳播類雜訊占總雜訊比例最大，達到49％；引擎懸置發出的雜訊占40％，由懸架傳遞的雜訊占11％。同時，這種快速分析技術也發現，在客戶提供的問題車輛上，空氣傳播的雜訊所占比例更高，因為從它的引擎部分到車身，不但噪音源基數高，而且聲傳播過大。
' p5 a4 }  x2 Z5 s$ bLMS公司開發的快速TPA分析法的基礎是一種高級非直接噪音源識別方法。這種方法將每種雜訊的貢獻看作一個等效噪音源強度和一條等效傳播路徑的乘積。它不提供如哪一個引擎懸置是主要的噪音源之類的細節。
( `6 s% c: d, g4 M+ z6 o由於已經確定引擎懸置是主要噪音源，所以接下來應進行詳細TPA分析以獲取更多資訊，尤其是每個引擎懸置對雜訊的貢獻情況。實施過程中，LMS工程師利用一個經校準的噪音源激勵每個引擎懸置，並測量車內的響應，從而測得了雜訊從噪音源到車內的傳播路徑。他們在噪音源附近通過聲學測量得到了量化的噪音源強度(見下圖)。將得到的噪音源強度與傳播路徑相乘，就求出了該噪音源對車內雜訊的貢獻。
2 V- B3 ^7 v/ d5 c  a之後，LMS對競爭車輛也進行了相關噪音源強度和傳播路徑分析。為了弄清這兩種車輛雜訊性能差異產生的原因，LMS對它們選擇的結構進行了比較，例如引擎懸置的佈局和裝飾材料。詳細TPA分析的結果確定，右引擎懸置是最主要的噪音源。
% n5 ?3 H, N1 x, u. }$ J: v確定雜訊的關鍵傳播路徑

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接下來，LMS對關鍵雜訊的傳播路徑進行了研究。基於結構的傳播路徑通過動態載荷識別法(force identification procedure)和頻響函數(FRF)測量法共同分析。引擎的空氣傳播隔離性質則通過計算基於FRF測量法的傳遞係數來評估。利用一個體積速度已校準的噪音源激勵車倉，並測量車內裝飾四周不同位置上的回應可反向測出FRF。由於這種反向測量採用的是體積速度已校準的噪音源，因而測量速度更快。
  T+ {6 k( C) _1 m. A體積加速度噪音源是有源的，而汽車的面板(panel)是無源的。因此，我們在裝飾材料(trim)表面上和裝飾材料下、車體的金屬層之上均放置了麥克風。該測試可測出單位體積加速度下的FRF裝飾材料壓力，單位體積上的FRF鋼和鋁壓力，以及在不同噪音源和不同表面上得到比率的平均值。
然後，LMS的工程顧問利用聲源量化(ASQ)準確找到了產生最多雜訊的內部面板。他們在測試中採用了人造激勵源，由此縮短了測試的相關運行時間。
聲激勵採用聲源進行，結構激勵則採用了一個震動器。該實驗首先測量了從引擎表面上的聲源到製造車內雜訊的面板(包括防火牆，底盤、前窗和側窗)之間的振動－聲學傳遞函數，接著又測量了從發出雜訊的面板到目標麥克風位置的聲音傳遞函數。
ASQ顯示，對雜訊貢獻作用最大的面板是防火牆的上部和前底盤。找到這些面板之後，工程師們又根據他們的激勵回查到聲學或結構共振現象。將找到的這些噪音源與測量得到的FRF結合起來就能量化不同噪音源對車內雜訊的影響。
對關鍵雜訊路徑的詳細研究表明，在客戶提供的問題車輛上，通過防火牆傳播的雜訊比競爭車輛高得多。而且，由於問題車輛上防火牆的共振頻率也更高，所以它只能隔離高頻雜訊。在結構激勵下，防火牆的上部和前底盤對車內雜訊影響最大。
! C9 i9 H$ k& }; C" F另一方面，在聲音激勵下，防火牆的上部就成了最主要的雜訊來源。由於防火牆和前底盤所處的位置正是人耳聽覺靈敏度最高的位置，所以在臨界頻率的結構模型中，它們也是最大的雜訊來源。為了找到右引擎懸置產生雜訊的根本原因，LMS的工程師們對其進行了運行模式分析(running mode analysis)。結果突出顯示了這部分的結構模型影響巨大，說明需要加固。
9 f8 B8 w% |( U% }4 d利用FRF評估雜訊解決對策
0 M/ o& J; }6 b7 m0 @. Q( d: F& S下一步，在投入時間和資金進行實際修改之前，要先進行簡單調整，以確定各因素對雜訊的關鍵傳播機制到底影響如何。為了改變共振表現和震動到麥克風的傳遞情況，首先對結構進行調整，以試驗和改變面板的加速度水準。
同時進行的還有聲學調整，即在振動面板上添加品質彈簧系統以嘗試隔離駕駛室。結構調整和聲學調整包括：為了減少引擎懸置的雜訊，工程師在上面鑽孔；在內部裝飾面板上添加隔音材料，在防火牆上添加泡沫和絕緣材料的混合物，以隔離引擎發出的通過空氣傳播的雜訊；通過焊接一根橫樑加固引擎支架。
確認雜訊解決對策
7 v' ]. F$ T+ h7 ^3 |& @! f; W最後，LMS利用FRF測試對這些簡單的雜訊解決對策進行了評估。添加局部緩衝層對FRF影響最小，但利用一層泡沫和一層厚緩衝層混合而成的隔離層卻能增大車倉與雜訊的隔離度，效果非常好。得到確認後，LMS便根據這些對策對車輛進行了實質修改。從重量、封裝、靜態剛度、耐用性等方面來說，這些修改都是可接受的。另外，為了減少引擎對結構傳播類雜訊的貢獻，LMS還設計了一種新的引擎支架。
: E) V+ M5 @- Y! x) L最後的結果超出了OEM的預期。LMS交付的原型車在NVH性能方面超過了它最好的競爭對手。高頻雜訊等級被大幅降低，所有引擎級的雜訊等級也降到一個很低的水準。駕駛員外耳附近的整體雜訊水準降低了高達8dB。