等效辐射声功率在汽车NVH开发中的应用
傅旻;李琦;霍俊焱;陈达亮
【摘 要】Taking three typical domestic cars as examples,the peak value consistency of the equivalent radiant power(ERP) and the noise transfer function(NTF)was analyzed and summarized.Sound pressure levels of the driver's right ear and the rear passenger's left ear of three car models A,B and C were analyzed.Non-standard sound pressure levels caused by excita-tions were counted.The ERP of the vital panels of the three models was analyzed at the same excitations.Statistical analysis shows that at the same frequency,more than 50% non-standard NTF peak values are consistent with some panels's ERP peak values.A target value of ERP was proposed.The structure was optimized in models to meet both ERP and NTF standards at the same time.In the early stage of NVH development,especially in the phase of Body in White,this ERP analysis method can help find out problems very soon and shorten the development time.%以3种典型的国产轿车为例,分析归纳等效辐射声功率(ERP)的峰值与噪声传递函数(NTF)的峰值的
一致性.分析了驾驶员右耳及右后乘客左耳的声压级,统计引起声压级未达标的激励源,在相同激励源作用下统计分析了各车型关键板件的ERP,结果表明在同频率下未达标激励源的50%,以上NTF超标峰值与某些板件ERP峰值一致.提出ERP目标值,根据模态进行结构优化,可使得ERP和NTF指标同时满足要求.在汽车NVH开发前期采用本文方法,可在白车身分析阶段及时发现问题,从而缩短开发时间.
【期刊名称】《天津科技大学学报》
【年(卷),期】2017(032)005
【总页数】5页(P60-63,78)
【关键词】ERP;NTF;NVH;声压级;优化
【作 者】傅旻;李琦;霍俊焱;陈达亮
【作者单位】天津科技大学机械工程学院,天津 300222;天津科技大学机械工程学院,天津 300222;中国汽车技术研究中心,天津 300300;中国汽车技术研究中心,天津 300300;中国汽车技术研究中心,天津 300300
【正文语种】中 文
【中图分类】U462.1
根据文献[1]，整车约有1/3的故障问题与汽车的噪声、振动、声振粗糙度(noise，vibration，harshness，NVH)性能相关，用户反映的问题也有 20%,～30%,与NVH相关．因此，汽车的NVH问题受到汽车开发商普遍关注．国外已经可以通过等效辐射声功率(equivalent radiant power，ERP)分析方法进行车身表面阻尼敷设位置及形状优化[2]，国内行业专家对 ERP分析方法的研究也不断深入，并根据 ERP的仿真方法[3]及原理开发试验方法．在汽车 NVH 开发阶段，噪声传递函数(noise transfer function，NTF)是检验汽车 NVH性能的重要指标，但通常在开发阶段的后期才进行NTF分析，而且CAE仿真优化周期较长．发动机功率计算公式
本文以3种类型的国产轿车为例，在白车身阶段分析了其 ERP，在整备车身(trimmed body，TB)阶段进行了 NTF分析，对比每款车的 ERP及 NTF分析结果，根据NTF目标值统计声压值未达标的激励源，并设定 ERP的目标参考值，为新车型概念设计提供参考．根据结果可在白车身阶段提出优化整改方案，使ERP达标，从而为后期的NTF优化节约时间．
在实际的工程应用中，必须要降低结构的噪声辐射，辨别结构板件的最大贡献量及频率的最大辐射位置是至关重要的．ERP分析是频响分析中的一种简单的分析方法，主要靠评估辐射面上的速度响应来进行计算，在特定的激励下可以计算钣金动力学最大可能辐射能量．ERP计算公式为
式中：ERP为等效辐射声功率，W；δ为辐射损耗因子；C 为声速，m/s；ρ为流体密度，kg/m3；Ai为单元面积，m2；vi为单元法向速度，m/s．式(1)换算后得到
式中：用于计算的缩放因子 P＝1.0；R为参考值(2×10-5 Pa)．
白车身的结构特性是决定整车性能的关键．因此在白车身阶段，对其模态、刚度、应变能等性能进行评估并对其优化，为后续整车阶段的问题点查、优化等工作的开展节约时间．针对 3种车型的白车身进行 ERP求解计算，在白车身阶段辨别板件的最大贡献量及频率的最大辐射功率．探究 ERP对 NTF的影响，便于在白车身阶段到局部薄弱位置，提出合理的优化方案，为整备车身阶段的 NTF优化节约时间[4]．
A、B、C(分别为三厢车、SUV、两厢车)3种车型的白车身有限元模型见图 1，计算频率范围 20～200,Hz，前50,Hz对应发动机怠速频率，不予考虑[5]．
其中 A车型激励点位置见图 2．ERP计算位置包括前围板、左前地板、右前地板、中地板、后地板、左后轮罩、右后轮罩、左侧围、右侧围、顶棚．
因无真实激励，所以在车身关键装载点施加单位激励．每个单位激励源分为 X、Y、Z三个方向，每个方向对应所有响应板件在不同频段下的 ERP计算结果．分析结果共有23×3×10条曲线，不同车型ERP峰值不同，不同板件的ERP峰值也不同，每辆车的响应板件的 ERP均在一定的范围内．所以可以提出常量目标值．
NTF的分析模型包括声腔和 TB，计算了各车身关键加载点下驾驶员右耳及右后乘客左耳的声压级．声腔模型包括空气和座椅[6]．Hypermesh软件中，以 TB、座椅蒙皮模型为基础，自动抽取声腔，声腔的网格尺寸为 40,mm，座椅蒙皮的网格尺寸为 30,mm，因TB中部分内饰件是通过集中质量来表达的，有些内板存在较大的孔洞，因此在抽取声腔之前必须将这些大于 30,mm 的孔洞填补，以保证抽取准确完整的声腔．
2.1.1 NTF计算结果统计
根据A车型开发商提供的NTF目标值，车身加载点主方向声压级不得高于 60,dB，非主方向
不得高于 65,dB．统计得到的问题点见表 1，描述了驾驶员右耳及右后乘客左耳在某些加载点下声压级未达标情况．
右后减震器接附点 Y向激励时，驾驶员右耳及右后乘客左耳声压级在 135,Hz和 162,Hz附近处存在峰值，并超出目标值．在相同激励点相同频率条件下，计算所有响应板件的 ERP之和，对比 ERP与NTF峰值，在问题点处趋势相同(图3)．
连杆左后、右后接附点 Z向激励时，驾驶员右耳与右后乘客左耳在 150,Hz附近存在峰值，与同激励点作用下ERP计算峰值对应，见图4和图5．
由图3—图5可以看出，在部分加载点作用下白车身板件的 ERP问题体现出了 TB车身的 NTF问题．B、C车型的研究过程同A车型，A车型NTF的问题点共6个，其中有3个问题点与板件的ERP一致；B车型的NTF问题点有8个，其中有5个问题点与板件的 ERP一致；C车型的 NTF问题点共有 15个，其中有 8个问题点与板件的 ERP一致．因此，3种车型超过50%,的NTF问题点与白车身阶段板件的ERP一致．
2.1.2 ERP评价目标设定
白车身是决定整车性能的关键结构，本文总结 3种车型的ERP及NTF分析结果，提出白车身阶段的ERP目标值．多种车型 ERP分析结果显示，每个单位激励下每块板件的 ERP分析结果均在一定的范围内．针对特定频率下驾驶员右耳及右后乘客左耳声压级未达标情况，出相应频率下 ERP贡献量最大的板件，图6给出了当连杆右后接附点Z向激励时，150,Hz附近ERP贡献量最大的板件．
A车型连杆右后Z向激励时，10种板件的ERP之和在某一频率范围内过大导致对应激励点下乘员耳边的声压级超标．为了确定优化方向，需要分别计算10种板件的ERP贡献量．ERP贡献量较大的板件包括：后地板、中地板、右侧围、左侧围．又根据第 1节 3种车型每块板件的 ERP计算结果可设定 ERP目标值为 45,dB，对高出设定目标值的板件进行结构优化．
计算A车型白车身模态，确定结构的薄弱位置，为后续的优化提供参考[7]．查看频率在 150,Hz附近中地板及后地板的局部变形情况(图 7)，根据变形情况进行结构优化．
由等效辐射声功率 ERP的计算公式可知，ERP与单元面积和单元法向速度有关，为了降低车身的ERP，只需减小单元面积或者降低单元的法向速度．通过降低10块响应板件的面积降低ERP的方案不宜采用，可通过优化激励点位置结构及响应板件的结构达到降低ERP的
目的[8]．优化方案如图8所示，将中地板纵梁向X反方向平移170,mm，增加2个厚度为0.8,mm的横梁．
在连杆右后接附点 Z向激励下，将白车身结构优化前后中地板ERP响应效果与TB车身结构优化前后 NTF响应效果对比，结果见图 9．中地板 ERP频率在 150,Hz附近峰值降低约 2,dB，驾驶员右耳响应的声压级降低约 4,dB，且满足目标要求，验证了优化方案的效果．
本文通过Hypermesh软件对3种车型的白车身进行 ERP前处理，对 TB车身进行 NTF前处理，使用 Nastran103求解器进行求解计算，在 Hyperview中进行后处理，根据驾驶员右耳及右后乘客左耳未达标的声压级，对比相同激励下ERP的峰值，发现在特定频段内超过 50%,的 NTF问题点与 ERP的峰值一致，因此在汽车NVH开发前期对白车身进行ERP分析，部分问题点可反映出后期的NTF问题．
根据每款车的等效辐射声功率的范围，提出ERP评价标准，并归纳统计出现峰值频率下对 ERP贡献量最大的板件，为新车型的开发提供参考．
最后对 A车型的连杆右后接附点 Z向激励时ERP的峰值进行结构优化，并对比相同方案时
的NTF响应效果，发现优化后的 ERP峰值有所下降的同时驾驶员右耳处的声压级也有所下降．
研究表明，在白车身阶段分析板件表面辐射声功率并优化是控制噪声传递函数的有效手段，减少了后期的NTF分析优化的时间．