Control of interior Low Frequency Booming Based on Vehicle Liftgate Constraints
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摘要:
汽车背门一般通过铰链、锁销、缓冲块等约束系统安装和固定在车身上,其刚体模态振动与车内声腔声压耦合,是导致低频轰鸣声的主要原因. 本文建立了背门振动-乘员舱声压的一维板-腔耦合声学解析模型,分析研究了边界约束刚度对板件振动速度响应及腔内耦合声压的影响规律,并进行了实车实验验证;通过调节锁销相对位移和缓冲块相对高度,解决了某车型低频敲鼓声问题. 分析结果表明:在板件刚体模态振动下,腔内耦合声压幅值沿远离板件方向逐渐增大,且在声腔底部位置最大;板件振动速度相应及腔内耦合声压峰值幅值随边界约束系统刚度减小而降低;在低频轰鸣发生的20~30 Hz频率范围内,乘员舱前排位置声压峰值幅值比中排及后排位置大约8 dB(A),验证了理论分析结果的正确性;乘员舱内耦合声压峰值幅值随着锁销相对位置的增大和缓冲块相对高度的减小而降低,锁销相对车身向车尾方向增大2 mm或者缓冲块相对高度减小2 mm,可以使背门振动速度减小约0.002~0.003 m/s,前排声压峰值幅值降低3.5~14.8 dB(A).
Abstract:The liftgate is generally installed and fixed to the vehicle body through hinges, lock pins, sealing and buffers, whose rigid body modes vibrations are coupled with the passenger acoustic cavity modes, which are the main cause of low frequency booming noise. In this paper, a one-dimensional plate-cavity coupled analytical model including liftgate vibration and passenger acoustic cavity is established, and the effect of the boundary constraints stiffness on panel vibration and sound pressure level in cavity is analytically studied and experimentally verified in real vehicles. The theoretical results show that the sound pressure amplitude in cavity increases along the direction away from the liftgate and reaches the maximum value at the bottom location. The amplitude at the peak frequency of panel’s surface velocity and sound pressure level in cavity decreases with decreasing of stiffness of constraints. In the frequency range of 20−30 Hz, the amplitude at the peak frequency of sound pressure level at front seat is 8 dB(A) higher than that at middle seat and rear seat, which validates the theoretical results. The coupling sound pressure in the passenger cabin decreases with the increase of the relative position of the lockpin and the decrease of the relative height of the buffers. When the lockpin is increased 2 mm towards the rear of the vehicle body or the relative height of bumpers is decreased 2 mm, the liftgate vibration velocity can be reduced by 0.002−0.003 m/s, and the sound pressure level of the front row can be reduced by 3.5−14.8 dB(A).
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Key words:
- vehicle liftgate /
- constraints /
- low frequency booming /
- control
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随着顾客对乘坐舒适性越来越高的要求,车内声品质的持续改善成为许多NVH (noise, vibration, and harshness)工程师所面临的挑战性课题,所以各大主机厂越来越重视汽车NVH性能开发[1-2].
汽车车身作为整车零部件的承载者,由众多梁、柱、板件及乘员舱声腔所组成. 汽车在行驶过程中,其车身受到各种动载荷激励(如动力传动系统和轮胎/悬架系统激励等),这些激励能量通过车身梁、柱结构传递到车身各板件,板结构受激振动与声腔相互作用而向车内辐射噪声[3-5]. 一般在SUV及MPV车型开发过程中,背门极易受激振动,并与乘员舱声腔耦合,产生低频轰鸣声问题[6-9],车内轰鸣声主观上感知是一种令人不舒服的、压耳的低频声[10]. 因此,对于汽车车身开发,应在项目设计验证早期重点关注由背门引起的低频轰鸣声问题,避免在项目后期由于车身结构改动而修改模具,增加项目开发费用. 所以,如何控制背门开发以改善车内低频轰鸣声成为各主机厂的研究热点.
因此,通过控制背门振动以改善车内低频轰鸣声的相关机理和方法成为国内、外各主机厂的研究热点. Zhang等[6-7]对路面激励背门振动导致低频轰鸣声控制进行了研究,通过在背门外板增加支撑支架及局部质量等控制手段解决轰鸣声问题. 宋福强等[8]通过提高后背门楔形限位支撑刚度以提升后背门模态,改善车内共振噪声问题. Osawa等[9]通过研究背门振-声特性以控制车内轰鸣声问题. Gupta[11]研究了声-固耦合作用对车内噪声的影响,结果表明背门局部模态与乘员舱声腔模态耦合会导致车内轰鸣,并通过在背门外板粘贴阻尼胶解决了车内轰鸣声问题.
轰鸣问题亦属于结构-声耦合现象,对于结构-声耦合机理研究,最早由波音公司工程师Dowell等[12]建立了弹性薄板-声腔耦合理论模型,应用模态叠加方法,分析了耦合系统的固有特性,并进行实验验证其理论正确性. 随后,Kim等[13]基于Dowell的理论,采用声阻抗和结构导纳方法分析了结构-声耦合问题,得出更为简洁的矩阵表达式,使其物理意义更加明确. Zhang等[14]基于模态叠加和Kim的声阻抗和结构导纳理论分析方法,研究了双柔性板-声腔耦合机理,分析了耦合系统的振声特性,并且讨论了结构与声腔之间不同耦合程度对耦合系统振声特性的影响规律.
国内外学者对背门振动导致轰鸣声问题进行了大量的局部质量、刚度及阻尼控制方法及机理研究,但背门约束系统对车内低频轰鸣声影响及控制方面的研究报道较少. 本文以背门-乘员舱声腔的简化耦合模型为对象,在板件刚体模态振动情况下,研究了板件约束边界刚度对板件振动速度响应及耦合声压影响规律,并实车验证了背门约束系统(锁销及缓冲块等)对低频轰鸣声的影响,验证了该物理模型的正确性,为控制车内轰鸣噪声控制提供了理论依据.
1. 板-腔耦合模型及理论分析
1.1 弹性边界板件-声腔耦合分析
由于背门振动导致低频轰鸣声的问题频率较低,在20~50 Hz频率范围[4, 6-9]. 其产生机理一般为背门约束系统引起背门刚体模态振动,并与乘员舱声腔耦合,挤压车内声腔导致体积变化从而产生体积声压,最终形成低频轰鸣声. 因此,在研究该问题时,可以将背门与乘员舱声腔简化为如图1所示的一维板-腔耦合模型,主要考虑弹性边界条件导致的背门刚体模态振动及其在声腔内沿x方向产生的体积声压P(x). 图中:
ϕ 为声腔速度势;L 为声腔长度;M为板件质量;K为板件约束系统刚度;ρ为空气密度. 假设声腔底部(即x=0)为刚性壁面,声波沿一维x向传播,这时声波方程为d2ϕdx2+k2ϕ=0, (1) 式中:
k=ω/ωc0c0 为波数,ω为角频率,c0 为介质中声速.由于在x=0处,即声腔底部,空气媒质速度为0,而在x=L处,空气媒质速度等于板件振动速度,所以声波方程边界条件为
{˙ξ|x=0=−dϕdx|x=0=0,˙ξ|x=L=−dϕdx|x=L=˙X, (2) 式中:
ξ 为媒质振动位移;X 为板件振动位移.板件刚体模态振动满足
M¨X+C˙X+KX=Px=LS, (3) 式中: C为板件约束系统阻尼; Px=L为声腔在x=L处的声压;S为板件面积.
声腔声压与声腔速度势的关系为
P=jωρϕ. (4) 根据式(2),求解式(1),可得
ϕ(x)=˙XkcoskxsinkL. (5) 根据式(4),声腔声压为
P(x)=jρc0˙XcoskxsinkL. (6) 由式(6)可知,声腔声压随板件振动速度
|˙X| 增大而增加,且正比于cos kx,其沿声腔方向的分布如图2所示(在ω频率下),具体计算参数如表1所示,结果表明:板件做刚体模态振动时,腔内耦合声压幅值沿远离板件方向越来越大,且在声腔底部位置最大;在背门做刚体模态振动时,挤压乘员舱声腔而导致车内体积声压在乘员舱前排位置大于中排位置及后排位置.1.2 弹性边界板件振动响应分析
汽车背门总成通过铰链、撑杆及螺栓以总装方式安装在车身上,并通过背门锁总成保证背门处于闭合状态. 在背门与车身之间,往往设计车门密封条和多个缓冲块,避免车辆在行驶过程中发生异响、NVH及其他问题. 背门总成与车身的这种安装方式可简化为弹性边界板件振动系统,背门约束系统刚度等效为K,以便于研究因车身背门总成导致的NVH问题. 当背门在刚体模态振动时,系统可以进一步简化为单自由度系统,如图3所示,图中,FV-L为板件所受激励力.
表 1 模型计算参数Table 1. Properties of the calculated model物理量 值 M/kg 25 K/(N·m−1) 600000 C/(N·s·m−1) 10 ρ/(kg·m−1) 1.21 c0/(m·s−1) 340 L/m 2 假设系统质量及阻尼不变,仅考虑约束系统刚度变化对板件振动的影响,则板件所受激励力为FV-L(即车身对背门的激励力,这里取单位激励FV-L=1 N),这时单自由度系统位移为
X(ω)=Hd(ω)FV-L, (7) 式中:Hd(ω)为单自由度系统位移传递函数,如式(8).
Hd(ω)=1K−Mω2+jωC. (8) 单自由度系统所受弹性力为
FS=KX(ω). (9) 这时,单自由度系统速度响应为
V(ω)=Hv(ω)FS, (10) 式中:Hv(ω)为单自由度系统速度传递函数,如式(11).
Hv(ω)=jωK−Mω2+jωC. (11) 将式(9)、(11)代入式(10),可得
V(ω)=jωK(K−Mω2+jωC)2FV-L. (12) 结果表明,板件做刚体模态振动时,其刚体模态频率随约束系统刚度减小而减小,板件振动速度响应峰值幅值随约束系统刚度减小而降低,如图4所示.
2. 背门振动导致低频轰鸣声控制
2.1 问题描述
在某款MPV项目设计验证开发阶段,其工装车(4缸发动机/1.5手动变速器)经主观评价在行驶过程中出现了低频轰鸣声现象,压耳感较重. 客观测试分析表明,出现轰鸣声的主要工况为2档30 km/h在粗糙水泥路面匀速行驶,尤其是前排低频压耳声明显大于中排及后排. 图5为驾驶员及乘员右耳位置车内噪声测试水平,表明车内轰鸣声频率主要为25.0 Hz,且前排噪声峰值明显高于中排及后排(8 dB(A)).
2.2 原因分析
根据源-传递路径-响应对可能引起匀速车内低频轰鸣的原因分析发现:背门在25 Hz附近存在一个x向的刚体模态,如图6所示,与引起低频轰鸣声的峰值频率一致. 主要原因是路面激励背门刚体模态振动,强迫声腔响应,导致车内产生低频轰鸣声. 进而也验证了理论分析的正确性,当背门做刚体模态振动时,挤压乘员舱声腔而导致体积声压在前排位置最大.
根据以上理论分析可知,在背门作刚体模态振动时,通过减小背门约束系统刚度可以减小车内声压. 通常,影响背门约束系统刚度的零部件为背门密封条、楔形限位块、缓冲块及背门锁,如图7所示.
2.3 关键影响因素分析
2.3.1 密封条的影响
在实际工况中,密封条主要用来密封背门与车身之间间隙,具有防水及灰尘的作用,如果刚度太小,在车辆行驶过程中,会影响动态密封,导致进水及灰尘的风险,所以减小密封条刚度可行性不大.
2.3.2 楔形限位的影响
楔形限位作用主要用来限制y向振动,防止车辆过颠簸路面导致背门异响,刚度也不能太小.
2.3.3 锁销的影响
一般背门锁销固定在锁销安装板上,一起随锁销安装加强件固定在车身尾裙板上,其锁销安装点设计为随锁销安装板一起在x向折弯处沿x向调节−2、−1、0、1、2 mm,进而改变背门对约束系统的压缩量,对约束系统刚度影响较大,如图8所示,进而对背门振动速度响应及车内声压影响较大,结果进一步表明车内声压随背门振动速度响应减小而减小,验证了理论的正确性,且背门振动速度响应和车内声压随锁销与车身相对位移增大而减小,如图9和图10所示. 但由于车间实际焊接精度及装配误差,锁销调节也要考虑车辆下线后保证外观间隙段差等要求.
2.3.4 缓冲块的影响
缓冲块通常通过螺纹等形式安装在背门上,可以通过调节缓冲块相对高度以改变缓冲块压缩量,进而改变背门系统约束刚度,如图11所示. 当背门关闭时,减小缓冲块相对高度可以减小背门约束系统刚度. 结果表明,背门振动速度响应和车内声压级随背门缓冲块相对高度减小而减小,进一步验证了理论的正确性,如图12和图13所示.
2.4 方案整改效果
经过上述分析并综合评估车门外观间隙,最终方案为调整锁销相对位置 +1 mm和缓冲块相对高度(h−1 mm). 与原状态相比,客观测试低频轰鸣声在问题频率25 Hz可降低5 dB(A),如图14所示,主观评价不再压耳. 结果表明,通过减小背门密封系统刚度,可以减小背门振动速度响应及车内声压,很好地解决了车内低频轰鸣声问题.
3. 结 论
1) 背门与乘员舱声腔耦合系统可以简化为一维板-腔耦合模型,在板件做刚体模态振动时,板件振动速度响应峰值幅值及耦合声压随约束系统刚度减小而降低,且耦合声压在刚性壁面位置幅值最大,而在板件位置幅值最小.
2) 实车验证,在20~30 Hz频率范围内,由于背门刚体模态振动导致的低频轰鸣问题,在前排位置声压级大于中排及后排位置,验证了理论的正确性. 背门振动速度响应及车内声压级峰值幅值随锁销与车身相对位移增大及背门缓冲块相对高度减小而降低. 综合背门外观及间隙段差要求,通过调节背门锁销相对位置 +1 mm和缓冲块高度h−1 mm,降低车内前排位置声压级5 dB(A),成功解决了车内低频轰鸣声问题.
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表 1 模型计算参数
Table 1. Properties of the calculated model
物理量 值 M/kg 25 K/(N·m−1) 600000 C/(N·s·m−1) 10 ρ/(kg·m−1) 1.21 c0/(m·s−1) 340 L/m 2 -
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