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[摘 要]本文针对某企业新车型关门声品质的改进问题，提出一种通过减小模态能量来改善汽车关门声品质的方法。结果表明，模态能量最低的车门系统的关门响度与尖锐度有明显减小，达到了改善关门声品质的目的。
[关键词]汽车 NVH； 车门系统；方法； 声品质；模态
中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0111-01
Study on improvement method of car closing Sound quality
Liu Tao
（R&D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Techical Center of Hebei，baoding 071000）
[Absrtact]This paper presents a method to improve the sound quality of a new vehicle model by reducing the modal energy. The results show that the loudness and acuity of the door system with the lowest modal energy are obviously reduced and the sound quality of the door is improved.
[Keywords]car NVH； door system； method； Sound quality； Modal
前言
目前对汽车关门声品质的研究主要是声品质评价和声品质预测。评价方法主要分为两种： 主观评价和客观评价。本文提出了一种在样车设计阶段通过结构改进来降低模态能量，从而改善汽车关门声品质的方法，该方法为汽车关门声品质的改善提供指导，具有良好的工程应用前景。
1、 方法原理
声音由振动产生，结构的振动可描述为结构的各阶模态响应的叠加，通过降低模态能量来改善声品质，并分别通过仿真和试验来验证是否达到改善声品质的目的，其主要步骤：
（1） 采用模态频率响应法计算出车门系统在单位脉冲激励下的模态动能和模态势能，进而得出总模态能量；
（2） 以车门主要板件厚度为设计变量，进行全因子试验设计，找出模态能量最低的样本，对样车车门结构进行修改；
（3） 将模态频率响应法与边界元法相结合求解车门系统关门声的声压级，响度和尖锐度，通过仿真验证模态能量减小后声品质是否得到改善；
（4） 对修改前后的车辆进行声品质试验，实测分析修改后车门系统关门声品质的改进效果。
2 、声品质参数及定义
响度和尖锐度是表征人们对声音感知的两个重要的心理学参数，心理学参数的测量与其它简单的参数测量（例如： 频谱测量，A 计权声压级测量）相比，能更加准确地反映人们对声音的感知。响度级定义为根据听力正常者判断为等响的1 000H的声压级，单位为方（ phon）。表达主观上判断声音小强弱还需要另一种标度法，即响度。响度定义为，以40phon响度级的响度为1 （ sone） ，测听时判断为其两倍响度的则为2sone。通过大量的试验得到了响度与响度级之间的关系为N =2 （ L N-40） /10 （1）
式中： N 为响度，单位为 sone； L N 为响度级，单位为phon。尖锐度是另一个评价声品质的心理学参数，它主要和声音中的高频成分有关，影响人们对声音音调高低的评价。尖锐度的单位 acum，1acum 定义为中心频率为 1 000Hz，带宽为150Hz的声音，声压级为 60dB。
在特定临界频带上的尖锐度和临界频带率有关，计算式为
S（ z） =0. 11N（ z） g（ z） z∑24bark0barkN（ z） Δz （2）
式中： z 是临界频带率，单位为 bark； S（ z） 是尖锐度，单位为 acum； N（ z） 是响度，单位为 sone； Δz 是临界频带的宽度； g（ z） 是计权函数，计算式为g（ z） =0. 066e 0. 171z （3）
总的尖锐度S是S（ z） 对z的积分，可表示为S = ∑24bark0barkS（ z） Δz （4）
3 、模态能量计算
模态频率响应分析是计算结构频率响应的一种方法。这种方法利用结构振型减少问题的规模，使计算更为高效； 当使用模态阻尼或无阻尼时还可以解耦运动方程。假设：x = Φξ（ ω） e jωt （5）式中： Φ 为振型矩阵，ξ（ω） 为模态坐标。式（ 5） 将变量从物理坐标 x 转换到模态坐标 ξ（ω） 。模态坐标下的运动方程可表示为（-ω2 ΦT MΦ + jωΦ T BΦ + Φ T KΦ） ξ（ω） = Φ T P（ω） （ 6）
式中： M 为质量矩阵； B 为阻尼矩阵； K 为刚度矩阵；Φ T MΦ 为模态质量矩阵； Φ T BΦ 为模态阻尼矩阵；Φ T KΦ 为模态刚度矩阵； Φ T P 为模态力向量； ω 为角频率。由于用于求解的模态数通常比物理坐标数少很多，因此用模态坐标表达的耦合方程求解更快。
系统第 i 阶模态动能 MKE i 和模态势能 MSE i 分别为MKE i =0. 5ξ' T（ωi） ΦT MΦξ'（ωi ） （ 7）；
MSE i =0. 5ξT（ωi） ΦT KΦξ（ωi ） （ 8）
式中ωi 表示系统第 i 阶模态的角频率。总模态能量TME可表示为TME =∑ni =1MKE i +∑ni =1MSE i （ 9）
4、 关门声品质试验
为验证经全面试验设计后的汽车关门声品质，对改进设计前后装有不同车门系统的两辆车进行声品质试验。测得心理学参数响度和尖锐度，对该车的关门声品质进行评价。
4. 1 试验要求
测量声音的试验，往往对环境和测量的稳定性等具有很高的要求。具体要求如下：
（1）环境要求安静，最好在消声室内进行试验，因条件限制，试验在发动机排放试验室内进行；（2）关门要求稳定，关门的速度要保持一致；（3）关门所产生的声音要让人感觉到门确实关上了。通过试验确定最小关门力为75N，所以将关门力上调 20%以确保声音让人感觉车门确实关上，采用弹簧装置控制关门力为90N。
4. 2 试验结果及分析
试验使用的是LMS公司的信号采集设备及相应的 TEST.LAB 软件。在试验过程中，声压传感器布置在距离门最外侧500mm、高1600mm的位置。数据采集参数设置如下： 分析频率设置为10240Hz，采集系统会自动设置采样频率为20480Hz； 谱线宽度为1Hz（频谱上相邻两点的间隔） ； 采样时间设置为5s。通过软件进行在线分析，车门结构修改后的响度与尖锐度有明显降低，汽车的关门声品质得到了明显改善。
5、 结论
对某车型车门采用本文的方法进行了模态能量计算，经过试验设计改进后的车门系统模态能量明显减小。通过仿真和声品质试验两种方法进行验证，结果表明，经过模态能量优化后，該车型关门的响度和尖锐度有明显降低，取得了理想的声品质改善效果。
参考文献：
【1】毛东兴，高亚丽，愈悟周，等. 声品质主观评价的分组成对比较法研究[J]. 声学学报，2005，30（ 6） ，515 -520.
[关键词]汽车 NVH； 车门系统；方法； 声品质；模态
中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0111-01
Study on improvement method of car closing Sound quality
Liu Tao
（R&D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Techical Center of Hebei，baoding 071000）
[Absrtact]This paper presents a method to improve the sound quality of a new vehicle model by reducing the modal energy. The results show that the loudness and acuity of the door system with the lowest modal energy are obviously reduced and the sound quality of the door is improved.
[Keywords]car NVH； door system； method； Sound quality； Modal
前言
目前对汽车关门声品质的研究主要是声品质评价和声品质预测。评价方法主要分为两种： 主观评价和客观评价。本文提出了一种在样车设计阶段通过结构改进来降低模态能量，从而改善汽车关门声品质的方法，该方法为汽车关门声品质的改善提供指导，具有良好的工程应用前景。
1、 方法原理
声音由振动产生，结构的振动可描述为结构的各阶模态响应的叠加，通过降低模态能量来改善声品质，并分别通过仿真和试验来验证是否达到改善声品质的目的，其主要步骤：
（1） 采用模态频率响应法计算出车门系统在单位脉冲激励下的模态动能和模态势能，进而得出总模态能量；
（2） 以车门主要板件厚度为设计变量，进行全因子试验设计，找出模态能量最低的样本，对样车车门结构进行修改；
（3） 将模态频率响应法与边界元法相结合求解车门系统关门声的声压级，响度和尖锐度，通过仿真验证模态能量减小后声品质是否得到改善；
（4） 对修改前后的车辆进行声品质试验，实测分析修改后车门系统关门声品质的改进效果。
2 、声品质参数及定义
响度和尖锐度是表征人们对声音感知的两个重要的心理学参数，心理学参数的测量与其它简单的参数测量（例如： 频谱测量，A 计权声压级测量）相比，能更加准确地反映人们对声音的感知。响度级定义为根据听力正常者判断为等响的1 000H的声压级，单位为方（ phon）。表达主观上判断声音小强弱还需要另一种标度法，即响度。响度定义为，以40phon响度级的响度为1 （ sone） ，测听时判断为其两倍响度的则为2sone。通过大量的试验得到了响度与响度级之间的关系为N =2 （ L N-40） /10 （1）
式中： N 为响度，单位为 sone； L N 为响度级，单位为phon。尖锐度是另一个评价声品质的心理学参数，它主要和声音中的高频成分有关，影响人们对声音音调高低的评价。尖锐度的单位 acum，1acum 定义为中心频率为 1 000Hz，带宽为150Hz的声音，声压级为 60dB。
在特定临界频带上的尖锐度和临界频带率有关，计算式为
S（ z） =0. 11N（ z） g（ z） z∑24bark0barkN（ z） Δz （2）
式中： z 是临界频带率，单位为 bark； S（ z） 是尖锐度，单位为 acum； N（ z） 是响度，单位为 sone； Δz 是临界频带的宽度； g（ z） 是计权函数，计算式为g（ z） =0. 066e 0. 171z （3）
总的尖锐度S是S（ z） 对z的积分，可表示为S = ∑24bark0barkS（ z） Δz （4）
3 、模态能量计算
模态频率响应分析是计算结构频率响应的一种方法。这种方法利用结构振型减少问题的规模，使计算更为高效； 当使用模态阻尼或无阻尼时还可以解耦运动方程。假设：x = Φξ（ ω） e jωt （5）式中： Φ 为振型矩阵，ξ（ω） 为模态坐标。式（ 5） 将变量从物理坐标 x 转换到模态坐标 ξ（ω） 。模态坐标下的运动方程可表示为（-ω2 ΦT MΦ + jωΦ T BΦ + Φ T KΦ） ξ（ω） = Φ T P（ω） （ 6）
式中： M 为质量矩阵； B 为阻尼矩阵； K 为刚度矩阵；Φ T MΦ 为模态质量矩阵； Φ T BΦ 为模态阻尼矩阵；Φ T KΦ 为模态刚度矩阵； Φ T P 为模态力向量； ω 为角频率。由于用于求解的模态数通常比物理坐标数少很多，因此用模态坐标表达的耦合方程求解更快。
系统第 i 阶模态动能 MKE i 和模态势能 MSE i 分别为MKE i =0. 5ξ' T（ωi） ΦT MΦξ'（ωi ） （ 7）；
MSE i =0. 5ξT（ωi） ΦT KΦξ（ωi ） （ 8）
式中ωi 表示系统第 i 阶模态的角频率。总模态能量TME可表示为TME =∑ni =1MKE i +∑ni =1MSE i （ 9）
4、 关门声品质试验
为验证经全面试验设计后的汽车关门声品质，对改进设计前后装有不同车门系统的两辆车进行声品质试验。测得心理学参数响度和尖锐度，对该车的关门声品质进行评价。
4. 1 试验要求
测量声音的试验，往往对环境和测量的稳定性等具有很高的要求。具体要求如下：
（1）环境要求安静，最好在消声室内进行试验，因条件限制，试验在发动机排放试验室内进行；（2）关门要求稳定，关门的速度要保持一致；（3）关门所产生的声音要让人感觉到门确实关上了。通过试验确定最小关门力为75N，所以将关门力上调 20%以确保声音让人感觉车门确实关上，采用弹簧装置控制关门力为90N。
4. 2 试验结果及分析
试验使用的是LMS公司的信号采集设备及相应的 TEST.LAB 软件。在试验过程中，声压传感器布置在距离门最外侧500mm、高1600mm的位置。数据采集参数设置如下： 分析频率设置为10240Hz，采集系统会自动设置采样频率为20480Hz； 谱线宽度为1Hz（频谱上相邻两点的间隔） ； 采样时间设置为5s。通过软件进行在线分析，车门结构修改后的响度与尖锐度有明显降低，汽车的关门声品质得到了明显改善。
5、 结论
对某车型车门采用本文的方法进行了模态能量计算，经过试验设计改进后的车门系统模态能量明显减小。通过仿真和声品质试验两种方法进行验证，结果表明，经过模态能量优化后，該车型关门的响度和尖锐度有明显降低，取得了理想的声品质改善效果。
参考文献：
【1】毛东兴，高亚丽，愈悟周，等. 声品质主观评价的分组成对比较法研究[J]. 声学学报，2005，30（ 6） ，515 -520.