（光学工程专业论文）车内声源空气噪声声学响应分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文应用有限元和边界元方法，研究由空气传入车内的噪声在车内声腔形成的声学 响应，是目前汽车车内声学研究的一个重要方向，目前国内在该领域的研究工作还比较 少。论文结合某轿车开发过程中由助力转向系统产生的空气噪声问题，研究该空气噪声 在车内形成的声学响应，一方面研究空气噪声激励下车内声学响应的基本规律；另一方 面，探索吸声材料对车内噪声影响，进一步充实汽车车内声学响应研究的内容。论文主 要的研究工作包括： 首先建立车内声腔声学有限元模型，用有限元方法研究车内声腔的声学模态。对有 座椅和无座椅两种车内声腔模型进行模态分析并对比，结果表明有座椅的声腔模型各阶 模态频率均降低，模态振型发生变化，说明了座椅对车内声腔模态的重要性，在车内声 腔模型的建立过程中不能忽略座椅对模态的影响。在现有计算结果的基础上，进行了车 内声腔的模态试验，试验结果验证了有限元模型的可靠性。 针对实际工程应用中某型电动助力转向电机异响情况，对该型助力转向电机各工况 下进行噪声振动测试，发现当发动机不运行时快速转动方向盘，得到的噪声信号主要集 中在低频。而该低频信号在车内声场模态频率下产生共鸣，使得车内声场在各模态频率 下声压级较高，从而影响乘驾人员舒适性。 然后分别对有座椅的车内声腔模型在恒定声强声源和实测电动助力转向系统噪声 激励下进行声场分析，得到两种工况下车内声腔的声学响应。结果表明车内声腔声学响 应峰值频率与车内声腔模态频率密切相关，在峰值频率下，各观测点声压级大小与该频 率下车内声腔模态振型有关。助力转向电机噪声在某些模态频率引起较大声压级的噪 声，容易对乘驾人员造成不适感，与工程实际情况相符。 在得到车内声腔声学响应的基础上，分析项栅、前围板、地板等位置吸声材料对车 内声场的影响。结果表明，相同材料在不同位置的吸声性能均不相同，且同一位置吸声 材料对不同频率下噪声的吸声效果差别较大。仿真结果对车内噪声控制有一定的指导和 参考意义。 关键词：车内噪声；空气噪声；声模态；声学响应；吸声材料 西南交通大学硕士研究生学位论文第 i 页 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n db o u n d a r ye l e m e n tm e t h o dt or e s e a r c ht h e a c o u s t i cr e s p o n s e sw h i c hb r i n gb yt h ev e h i c l ei n t e r i o ra i rn o i s e i t sav e r yi m p o r t a n td i r e c t i o n f o rt h er e s e a r c ht h ev e h i c l ea c o u s t i cp r o b l e m s a tp r e s e n t ，t h e r ea r es t i l lf e ws t u d i e si nt h i sa r e a i nc h i n e s e t h i st h e s i sm a i n l ys t u d yt h ea c o u s t i cr e s p o n s eo fa i rn o i s ew h i c h g e n e r a t e db yt h e e p si nt h ev e h i c l ed e v e l o p m e n tp r o c e s s o nt h eo n eh a n d ，s t u d y i n gt h eb a s i cl a wo fi n t e r i o r a c o u s t i cr e s p o n s eu n d e ra i rn o i s ee x c i t a t i o n ；o nm eo t h e rh a n d ，e x p l o r i n gt h e i m p a c to f a b s o r p t i o nm a t e r i a lo nt h ei n t e r i o rn o i s e ，i no r d e rt of u r t h e re n r i c ht h ec o n t e n to fr e s e a r c h i n g c a ri n t e r i o ra c o u s t i cr e s p o n s e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa sf o l l o w ： f i r s te s t a b l i s h e dv e h i c l ei n t e r i o ra c o u s t i cc a v i t yf e m m o d e l ，t h e nr e s e a r c ht h ea c o u s t i c m o d a lo ft h ev e h i c l ei n t e r i o ra c o u s t i cc a v u mb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d c o m p a r i n gw h i tt h e m o d a la n a l y s i so ft w ov e h i c l ei n t e r i o ra c o u s t i cc a v u mf e mm o d e lw h i c hh a v es e a t sa n d w i t h o u ts e a t s ，t h er e s u l t ss h o wt h a te v e r yp h a s eo fm o d a lf r e q u e n c yo ft h em o d a lw h i c hh a v e s e a t sa r ea l lb e l o wt h a nt h em o d a lw h i c hw i t h o u ts e a t s ，a n dt h em o d a ls h a p eh a v eb e e n c h a n g e d i ts h o wt h a ts e a t sa r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h ev e h i c l ei n t e r i o ra c o u s t i cc a v i t ym o d a l ，a n d i ts h o u l dn o tb ei g n o r ew h e ne s t a b l i s h i n gt h ev e h i c l ei n t e r i o ra c o u s t i c c a v i t ym o d e l i n f o u n d a t i o no ft h ec a l c u l a t er e s u l to ft h em o d a la n a l y s i s ，am o d a lt e s to ft h ev e h i c l ei n t e r i o r a c o u s t i cc a v i t yw a sb e e nd o n e ，a n dt h er e s u l to ft h et e s tp r o v et h a tt h ev e h i c l ei n t e r i o ra c o u s t i c c a v i t yf e m m o d e lc a nb et r u s t e d f o rt h ea b n o r m a ln o i s ec a s e so fac e r t a i nt y p eo fe p si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n , c a nt a k e n o i s ea n dv i b r a t i o nt e s t i n gu n d e ra l lc o n d i t i o n sw h e nt h i st y p eo fe p s f i n d i n gt h a tw h e nt h e e n g i n ei sn o tr u n n i n g ，n o i s ew h i c hg e n e r a t e di n f a s tt u m i n gt h es t e e r i n gw h e e li sm a i n l y f o c u s e di nt h el o w - f r e q u e n c y t h e nt h i sl o w - f r e q u e n c ys i g n a lr e s o n a n c e su n d e rt h em o d a l f r e q u e n c yo fi n t e r i o ra c o u s t i cf i e l d ，w h i c hm a k e st h ei n t e r i o ra c o u s t i cf i e l di nh i 曲a c o u s t i c p r e s s u r el e v e lu n d e ra l lm o d a lf r e q u e n c y t h u s ，i te f f e c t st h ec o m f o r to fd r i v e ra n dp a s s e n g e r s t h e nt h ea c o u s t i cr e s p o n s e so ft h ev e h i c l ei n t e r i o ra c o u s t i cc a v i t ym o d e lw h i c hh a ss e a t a r ea n a l y z e dw i t hn o i s ee x c i t a t i o no fi n v a r i a b l e n e s sa c o u s t i cs o u r c ea n dm e a s u r e de p s s e p a r a t e l y , a n dt h er e s u l t si nt w ow o r k i n gs t a t e sa r eg o t r e s u l t ss h o wt h a tt h er e s p o n s ep e a l ( f r e q u e n c yi sc l o s e l yc o n n e c t e dt ot h em o d a lf r e q u e n c yo ft h ev e h i c l ei n t e r i o ra c o u s t i cc a v i t y 1 1 1 es o u n dp r e s s u r el e v e l so fo b s e r v a t i o np o i n t s 。a tp e a kf r e q u e n c ya r er e l a t e dt ot h em o d e s h a p e so f t h ev e h i c l ei n t e r i o ra c o u s t i cc a v i t y i ti sm a t c hw h i tt h ep r a c t i c ei n s t a n c et h a tt h en o i s e o fe p s a r o u s e i n gs o m eh i g hs o u n dp r e s s u r el e v e l sn o i s ea ts o m ep e a kf r e q u e n c yw i l lm a k et h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ll 页 p a s s e n g e r sf e l lu n c o m f o r t a b l e i nf o u n d a t i o no ft h ea c o u s t i c sr e s p o n s eo ft h ev e h i c l ei n t e r i o ra c o u s t i cc a v h l n ，t h i sa r t i c l e a n a l y s i st h ei n f l u e n c e so ft h ea c o u s t i ca b s o r b e ri np l a c e so fc e i l i n g ，f r o n tb o a r d i n g ，f l o o rt ot h e v e h i c l ei n t e r i o ra c o u s t i cf i e l d 1 1 1 er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h es a m em a t e r i a li nd i f f e r e n tp o s i t i o n s h a sd i f f e r e n ta c o u s t i ca b s o r p t i o np e r f o r m a n c e ，a n de v e nt h es a m em a t e r i a li nt h es a m ep o s i t i o n c r e a t e sb i gd i f f e r e n c e so fa c o u s t i ca b s o r p t i o np e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n tf r e q u e n c y t h e s i m u l a t i o nr e s u l th a st h ei m p o r t a n ti n s t r u c t i o na n dt h er e f e r e n c es i g n i f i c a n c ef o rt h ec o n t r o lt h e v e h i c l ei n t e r n a ln o i s e k e yw o r d s ：v e h i c l ei n t e r i o rn o i s e ；a i rn o i s e ：a c o u s t i cm o d e l ；a c o u s t i cr e s p o n s e s ；a c o u s t i c a b s o r p t i o nm a t e r i a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼璺i i 曼皇曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼蔓曼曼! 曼曼曼蔓蔓曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼! 苎! 曼! ! ! 曼苎皇! ! 曼! ! ! ! 曼! ! ! 曼 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着科学技术的发展以及人们生活水平的提高，人们对汽车乘坐舒适性也提出了越 来越高的要求【l 】。而汽车的噪声问题日渐成为人们关注的汽车舒适性重要指标之一，尤 其是车内噪声，不但会给乘坐人员造成疲劳和不适，还会严重影响驾驶人员的正常驾驶， 给交通安全带来严重的隐患。目前对于如何改善车内乘员的声学环境，减小车内噪声， 进一步提高车辆的乘座舒适性已经成为世界各大汽车厂商科研单位研究的热点【2 吲。 一般情况下，车内噪声主要来源于发动机噪声、传动子系统噪声、进排气噪声、风 噪、轮胎路面噪声等 6 1 。车内噪声声源主要通过车身固体和空气两种途径传入车内，如 图1 1 所示。 途径一：车外各种噪声源所发出的噪声经过车厢地板、顶棚和四周的壁板，车门窗 上的孔隙、缝隙直接传入车厢内，这部分噪声可以称为空气噪声。 途径二：发动机、传动系、轮胎等各振源产生的振动经悬架、车架传递给车身，经 过车身上各支点激励车身板件产生振动，以此向车内辐射噪声，这部分噪声可以称为固 体噪声。 图1 - 1车内主要噪声源的传播途径 其中通过空气传播的车内噪声主要是由发动机辐射噪声和气动噪声造成的，而通过 固体传播的车内噪声主要是由发动机、轮胎、路面以及气流引起车身板件振动向车内辐 射噪声造成的。 由于发动机、底盘设计制造技术日益成熟完善，以及新能源汽车的崛起和发展，汽 车车内噪声的主要来源将由传统的发动机、传动系等传统噪声源向发电机、电动机等汽 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 蔓曼皇蔓曼曼曼曼曼曼寰曼曼曼蔓曼曼! 曼! 曼曼舅曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼! 苎n m l a 皇皇曼! 曼曼曼皇 车附属部件转变。在实际工程应用中也出现了很多由于车用发电机、雨刮电机、助力转 向电机等汽车附属部件在车外通过汽车壁板空隙接缝或者直接在车内产生空气噪声给驾 乘人员造成不适和困扰的情况，而目前国内对于以上附属部件产生的空气噪声对车内声 环境的影响的研究还比较缺乏，所以有必要对其进行研究，为车内噪声的控制设计提供 参考。 1 2 国内外研究现状 近几十年来，信号处理技术和数值计算技术得到了重大发展，声学理论分析和试验 方法日渐成熟，计算机计算速度大幅提升，使得在汽车设计和试制阶段便能够对车内噪 声进行预测和控制l ，j 。 从上世纪五十年代开始，有限元方法一问世就很快在声辐射问题的分析计算中得到 应用，1 9 6 6 年，g l a d w e l l 就将有限元法应用于物体声辐射计算，建立了关于结构声学的 能量公式，但仅限于简单几何形状的物体博j 。美国通用汽车公司的s u n g 和n e s t k e 用有 限元方法对完整车身内部噪声进行了分析，首次考虑了车身结构和车内声场的耦合作用 【9 2 1 。s h u k u 用有限元方法讨论了任意形状空间内的声场特性，尤其讨论了汽车车内声腔 的声压分布特性【1 3 1 。国内，沈壕等应用有限元方法求解了波动方程，通过计算二维模型， 证明了房间的不规则性对室内扩散声场没有影响l l4 1 。而后，邵宗安等应用有限元法和模 态分析技术对车身结构振动和车内噪声问题进行了研究1 1 5 。上世纪八十年代以来国内外 应用有限元法对声场进行了较深入的研究，并广泛应用于声学各个领域。但是有限元法 在处理三维声辐射问题时需要划分三维空间网格，当模型尺寸较大时，为了保证计算结 果的准确性，网格规模和计算工作量会十分庞大，同时采取边界截断来计算无限域内的 声辐射问题会带来一定的误差等，这是有限元法的不足。 边界元法是在有限元法之后发展起来的新的数值计算方法，它利用有限元网格离散 的优点，通过边界积分方程在边界上离散进行求解，只需要结构边界信息，使问题的维 数减少了一维，求解变量少，数据准备简单，且只须要对边晁进行离散化，而不像有限 元法需要将区域进行离散化，大幅度地减少单元，减少了数据量和计算时间，同时对于 无限域的声学辐射问题和随时间变化的问题特别有效【1 6 1 。国内外许多科研工作者用边界 积分方程法讨论了任意形状振动物体的声辐射特性，研究其发声机理，为设计低噪声结 构提供了依据。c h e r t o k 、s c h e n c k 和m e y e r 等就应用边界积分方程法对物体振动表面的 声辐射以及声指向特进行了计算【1 7 1 9 1 。t o b o c m a n 讨论了各种外形不同物体的声指向特 性1 2 0 1 。在国内，洪永生由边界元法计算出乘座室内饰材料的声阻抗，然后将计算结果用 于实际模型中，以验证板件和乘座室之间声压级的关系，从而确定板件振动对轰鸣噪声 影响的定量分析方法【2 1 1 。柯兵、谭林森等用边界元方法计算了结构体振动辐射的声场【2 2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 刘树功应用声边界元法计算了汽车驾驶室内空气振动的共振频率和频率响应特性、发动 机进气系统的声频率响应函数、发动机表面辐射噪声的方向性及辐射效率1 2 引。 有限元、边界元的方法，对低频噪声的预测能达到比较理想的效果。但是对于中高 频的噪声来说，由于这个时候模态会十分密集，就很难得到一个比较清晰的模态，所以 基于模态贡献的方法在这时就失效了；统计能量分析方法即s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ， 简称s e a ，是常用来分析宽频率范围内随机噪声的一种统计方法。该方法从统计的角度 来分析密集模态下的平均振动能量的传递水平，可以适用于中高频的振动分析，所以与 有限单元法可以互为补充。统计能量分析方法最早起源于航空航天行业，国外的研究机 构在近十多年来对该方法在汽车领域的应用作了大量的研究工作，例如丰田公司、克莱 斯勒公司、通用公司等都对此做了很多的研究尝试【2 4 】。a u t o s e a 2 就是基于统计能量法 的大型分析软件，广泛的应用于在汽车，船舶，航空等行业领域1 2 引。 而目国内前在车内噪声分析方面的研究，主要集中在发动机和路面激励引起称身结 构振动向车内辐射噪声，如重庆大学的赵金斗建立了汽车车身结构和车内声场的结构声 耦合有限元模型，并且分析了该模型在发动机和路面激励下的车内声学响应，预测车内 噪声。重大的李昌敏使用有限元、边界元分析方法预测了汽车车内低频噪声的响应特性， 并进行了车身结构的优化降低了车内噪声。同济大学的靳晓雄等人对车内声腔的声学模 态进行了有限元分析，并分析了车身板件振动对车内噪声的声学贡献量。西南交通大学 的丁渭平教授用动态子结构修改法分析了车内声腔的结构声耦合，并用结构声耦合有限 元模型分析了车内声腔的声学泄露。而对车内空气噪声的声学响应方面的研究还比较 少，本文将对由空气噪声引起的车内噪声问题进行分析研究。 1 3 本论文主要研究内容 针对工程应用中实际出现的车内噪声问题，本文将运用有限元和边界元的方法研究 汽车车内声腔的敏感频率以及特定激励下车内声场分布情况。 研究的主要内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 建立车内声腔有限元模型，进行车内声腔声模态分析，然后对实车的车内声腔 进行模态实验，分析其模态与有限元模型的计算结果对比，以验证模型可靠性。研究 车内声腔声学模态的主要意义在于在汽车设计阶段，能为避免车身板件与车内声腔发 生声学共振提供必要的参考，指导车内空间声学设计。 ( 2 ) 以恒定声压激励信号作为激励，用边界元方法计算在该信号激励下车内声压分 布情况，提取车内声腔的敏感频率，为车身以及汽车零部件的声学研究提供参考依据。 提取实测汽车助力转向电机振动信号，作为边界激励条件，分析助力转向电机振动对车 内声场的影响情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 ( 3 ) 在边界元模型中适当位置设置吸声材料，以助力转向电机噪声信号作为激励信 号，对比未设置吸声材料时车内声场分布情况，研究不同位置吸声材料对车内噪声的降 噪作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章声学分析基本理论和方法 2 1 声学基本理论 2 1 1 声学方程的建立 当物体产生振动的时候就会引起其周围空气的振动。空气是一种有质量有弹性的可 压缩物质，空气被压缩而后又扩张，又被压缩，正是这种不断的扰动，使空气形成了一 定的压力，从而产生了声波。 作为一种宏观的物理现象，声振动也必然符合三个最基本的物理定律，即质量守恒 定律、牛顿第二定律以及物态方程【2 6 2 8 。 一、连续性方程【2 9 】【3 0 】 假设有一个微元体，它的长宽高分别是出、砂以及出，如图2 一l 所示。则微元体 的体积d v = d x d y d z ，那么在单位时间内，沿x 方向流到微元体的质量为p v 爿d y d z ，而沿 x 方向流出的微元体质量则为： fp + 譬掣出1 抛 式中一流体沿x 方向的速度。 嗣硌鸯砬 啼 图2 - 1 流体流入和流出微元体 由上可知，流入到微元体的净质量为： 卜( 掣出) 撇一掣一 亿， 流体的流入流出引起微元体内的密度变化，因而引起的质量变化为：粤础。 由质量守恒定律可知，流入微元体的质量即为长方体的质量变化，则微元体沿x 方 西甬交通大学硕士研究生学位论文第6 页 向的连续性方程为： 望+ p o v x ：0 ( 2 2 ) a t。缸 二、动力方程p 1 1 1 3 2 1 在图2 2 中，微元体沿工方向左右两侧受到的力分别为p c l z n ( p + 塞出) 砂比， 微元体的质量为p d x d y d z 。 由牛顿第二定律可知，微元体沿工方向的动力学方程为： p 一等= 舭一( p + 罢出) 撒 协3 ， 简化( 2 3 ) 得到 p 冬一罢( 2 - - 4 ) p 言一素 镑+ 赛娴触 图2 - 2 微元体沿x 方向的受力 三、理想气体方程【3 3 1 1 3 4 1 另外声波的传播过程还必须满足物态方程。由于在人耳能够听见的频率范围内，声 波的波长远远大于分子间的距离。声波在介质中被快速的拉伸和压缩，质点之间尚未来 得及进行热交换。所以声波的拉伸压缩过程可以看成是等熵的，其热力学方程为： 、y 旦：f 旦i ( 2 5 ) p o p q ) 将上式对时间求导得到以下方程： 望：旦2 , , p ( y - i ) 望 西p 0 7 研 四、声学方程【3 5 】 根据以上推导出的连续性方程、动力方程和理想气体方程， 维声学方程： ( 2 6 ) 可以得到沿x 方向的一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 粤：三塑 ( 2 7 ) a x c o t 同理，沿着y 方向和z 方向我们都可以建立一维方程。那么，同时考虑三个方向的 声波运动，我们就可以得到三维系统的声学方程： 等+ 斋+ 軎= 吉挈 c 2 渤 叙2 。加2 玉2 c 2a 2 引入拉普拉斯算子： 。 v 2 ：篓+ 篓+ 兰 ( 2 - 9 ) a 0a a z i 则方程( 2 8 ) 可以写成： v 2 p = 吉鲁 协 2 1 2 声级 声压、声强、声功率等常用来评价一个声音的强弱。以1 0 0 0 h z 纯音为标准，人的 听觉i i i i i i 感受的声压为2 1 0 - 5p a ，称之为“听阈声压 ，而对于2 0 p a 的声压人耳则难 以忍受，称之为“痛阈声压 【3 6 】。 由于听阈声压与痛阈声压之间数量级相差了一百万倍，而且人耳对声音强弱的感觉 与声压的绝对值的对数近似成正比，所以单纯用声压来表示声音的强弱非常不方便且不 能直观表达人的听觉感受。因而就引进了级”的概念f 3 7 】，取一个参考声压，将某个计 算或者测量得到的声压的平方与参考声压的平方相比，然后取自然对数乘以1 0 ，就得到 了声压级： 。 p 2 厶= 1 0 l g ( 2 1 1 ) 式中尸是实际声压，只是参考声压，具体值见表2 - l 。 表2 - 1 声级参考值 声级类别 参考值 声压p a 声功率m 声强厂w m - 2 2 x 1 0 5 1 0 一1 2 1 0 1 2 对于声功率级和声强级的定义也同声压级的定义，其表达公式分别为： 声功率级： 圳吨筹( 2 - 1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 式中 参考声功率，具体值见表2 1 ； 缈一实际声功率。 声强级： ，2 厶= 1 0 1 9 暑 ( 2 1 3 ) 0 式中厶一参考声强，具体值见表2 1 ； ， ，一实际声强。 2 1 3 晌度级、等晌曲线和响度 经验丰富的操作人员和质检人员不但能够从机器噪声中判断机器是否运转正常，而 且能够判定造成机器异常的噪声的主要零部件及其原因。人耳能够接收2 0 h z 到2 0 k h z 的声波，人的听觉系统的复杂程度精密的噪声测量系统是不可比拟的，它对不同频率的 声音有独特的选择性和响应。为了能够反应人的听觉系统对所有频率的声音听上去的响 亮程度相同，于是就引入了响度级，其符号为“，单位为“方 ( p h o n ) 。 1 2 0 1 幻 们 专 爨 增 t4 0 2 a o - 2 0 3 0 4 0 5 t 强0 1 0 02 0 0 3 0 0 5 0 0 8 0 0 i k2 k3 k5 k 3 k1 0 k2 0 k 顾帛i - i z 图2 - 3 等响曲线图 图2 3 为响度级曲线，图中每条曲线的响度是相同的，即听起来是同样响亮的。响 度级曲线通常采用1 0 0 0 h z 纯音的声强为标准，即在1 0 0 0 h z 时响度级等于声强级，而在 其他频率下这两者不相等。由于响度级仍然是对数表度单位，与主观评价没有直接的关 系，因此就引入了“响度”线性参量，符号位n ，单位为宋( s o n e ) 。响度与晌度级之间 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的关系为： k = 4 0 + 1 0 l 0 9 2n ( 2 1 4 ) 2 1 4 计权声级 通常采用声压级、声强级和声功率级来对声音或噪声进行客观的度量。但是由于人 的主观感觉受到频率的影响，为了使噪声测量仪器的读数与人的主管感受一致，在噪声 测试时必须对信号进行模拟人耳的修正，该修正被称为声级计权。 根据频响特性的不同，声级计权又可分为a 、b 、c 和d 计权等。其中a 、b 和c 计权分别相当于4 0 方、7 0 方和1 0 0 方等响曲线的倒置，b 和c 计权使用相对较少，d 计权则常用于航空噪声的测量。人耳对宽频带的声音灵敏度与a 计权的频率响应曲线相 当，所以广泛地用于评价参量【3 8 】。 2 2 声学有限元法 在汽车的噪声问题中，汽车结构振动引起的车内噪声问题主要用声学有限元方法分 析米解决。有限元法通过有限单元将车内声场空间离散化，利用声学波动方程来分析空 气域中的声学特性。一般情况下，在使用结构有限单元将声传播空气域周围的结构振动 进行离散化的同时，也需要考虑声学一结构耦合问题求解，将空气中的声传播和结构振 动一起求解。 要求解声学一结构振动耦合的问题，空气的连续性方程和动力学方程在一定条件下 都要转化为声学波动方程，就可以导出空腔的声学有限元状态方程： m 乡 + 掣 毫 + 醚 + p 【足r v 。- - o ( 2 1 5 ) 式中l m 岁i 一空气的质量矩阵； l c 岁l 一阻尼矩阵； i k fi 一刚度矩阵； p r 。卜一声学一结构耦合质量矩阵； 以一节点位移向量； e 一空气单元节点声压向量。 同( 2 1 5 ) ，可以导出空腔结构振动状态方程： 丝 瓯 + e 也 + 疋 也) = c ) + 矿 ( 2 1 6 ) 式中【r 卜一外激励； 一界面声压向量。 声学一结构振动耦合的状态方程式是由结构与空气两方程联立得到的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 那么在车身结构有限元模型和车内空间声学有限元模型的基础上，声学有限元法可 以求得车内空间的声学模态频率及其声模态，以及车身结构的模态频率和振型。在此基 础上就可以利用声学有限元法分析车身结构板件振动对车内声腔的影响、车身结构振动 模态对车内声腔的模态灵敏度等等。此外，还可以通过实验测得车身的激励数据，进而 计算出车内声场的声压分布以及声压的频率响应，分析由板件强迫振动引起的对 车内声腔的声辐射，得到对车内声腔声学贡献量最大的板件。 2 3 边界元方法 2 3 1 边界元方法的基本理论 有限元方法可以模拟分析低频结构振动、振动和声学的耦合，但对于声空间模拟分 析基本沿用结构振动的方法处理，一般限于封闭空间。当声学空间的体积增大，模态密 度急剧增大的时候，运用有限元方法的计算量就会急剧增加，有限元法的局限性就体现 出来了。与有限元方法相比，边界元方法对于处理结构声辐射、声散射以及结构空腔的 问题具有独特的优越性，所以在实际中得剑广泛的应用。 运用边界元方法首选需要知道分析对象的系统边界条件，以下三种便是结构边界条 件，知道其中一种便能进行求解： 已知结构的表面复振动速度( n e u m a n 边界) ； 已知结构的表面复声压( d i r i c h l e t 边界) ； 已知结构的表面复阻抗( 混合边界或r o b i n 边界) 。 以结构表面的复振动速度或复声压两个物理量中的一个作为边界方法的输入，然后 依据边界条件计算出结构表面的另一物理量。同时如果知道了结构表面任何一点i 的复 振动速度和复声压( v f 、p ，) ，利用赫姆霍兹数值积分，运动边界元方法就能计算出声场中 任何点，的声压。这便是“直接”式边界元方法或“直接连排”( d i r e c tc o l l o c a t i o n ) ， 即： nn 乃= g l f ，n + q v ( 2 1 7 ) i = 1i = 1 式中 g ，三维自由场格林函数； g ：格林函数的法向导数。 另外，在得到结构表面任意一点的复振动速度和复声压以后，还可以用边界元方法 计算结构表面的声强朋铀声功率胍 1 = 去i 沁 只木h ) ( 2 - 1 8 ) 二 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 形：y t 心。 ( 2 1 9 ) 一 式中只幸一只的共轭复数； s 一对应的面积。 结构表面的复振动速度和复声压作为边界元方法的输入，可以通过实验测得，也可 以通过计算得到。边界元方法常常借用有限元方法来计算得到结构表面的振动速度。 边界元方法既可以分析结构振动一声学耦合问题，也可以分析非耦合问题。耦合问 题是指结构受到激励力的作用产生振动，而结构振动同时受到流体压力的影响，因此结 构振动分析必须和声场分析同时进行。而非耦合问题是指结构受到激励力的作用而产生 振动，但结构的振动速度一般不受到流体压力的影响，因此结构振动分析可以和声场分 析分开进行。 为了进一步讨论边界元理论方法的分析步骤，以汽车尾气排气管振动后声辐射问题 为例，这里我们考虑了不同单元之间的声振耦合问题。在分析的时候，首先要把排气管 振动表面进行网格的重新划分，假设每个表面单元q 的表面振动速度为，面积为彳q ， 那么体积速度就为2 v q a q 。在这一步中，表面振动速度场表示单元独立振动速度， 并不受其他单元的振动以及由它产生的声场对它的影响。 单元q 的体积速度在该结构周围的声场中各点产生的径向速度h 表示为： v ，= 等p ， ( 2 - 2 0 ) 而声场中每个单元产生的声激扰又反过来影响结构上的其他单元，即不同的单元之 间存在相互的声振耦合作用。比如，单元q 产生的声激扰反过来影响结构上的另一单元 s ，使其产生振动速度，可以表示为： 临= 箍( ，+ 飓) e - j c o s o o s = ( 2 2 ) 2 彘( 1 飓) p 坤c o s ( 2 - 2 2 式中 单元q 、s 之间的声振影响系数，其值与声波的波长和结构模型结合参数有 关。 那么考虑其他所有单元的类似作用，单元s 的振动速度总和就可以表示为 k + ，即是单元s 设定的振动速度或者是实测到的振动速度略，一： 珞，一= v s + ( 2 2 3 ) 如果要使用矩阵丁表示式( 2 2 3 ) 中各单元的相互影响系数和振动速度，假设鲫 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 矩阵为已知，那么结构表面速度矩阵可表示为： v = ( 丁+ ，) 一k ( 2 2 4 ) 式中卜单位矩阵。 求出了以结构表面各单元的体积速度对声场任意一点m 的贡献量就是该点的声压， 表达式如下： p c 蛉等善警佩 协2 5 ， 式中r m q - - - 单元q 到声场中的点m 的距离。 求解v 和p 御需要借助计算机运算，因为每一个单元的速度都要考虑到其他单元的 影响，即丁是满布矩阵，因此如果要同时考虑很多的频率点，那么计算机运算量就会很 大，而只求解某一点的p 御的计算量则要小很多。 作为公式( 2 2 4 ) 的输入量，鲫矩阵含实部和虚部，要精确的实测得到或者预估 给定有一定的难度，但是鲫矩阵参数的精确度直接影响到最后结果的精度。 2 3 2 边界元问题的其他分类 1 、内场问题和外场问题 内场问题是指声场被结构振动和其他复合边界包围，车身板件振动及其声辐射对车 内噪声的影响就是一个典型的内场问题。外场问题则是指声场包围结构振动和其他复合 边界，发动机的结构振动对外的声辐射问题就是典型的外场问题。 2 、直接边界元方法( d b e m ) 和间接边界元方法( i b e m ) 直接边界元方法( d b e m ) 适合处理上面讨论过的几个典型的边界元问题，不管是 耦合的还是非耦合的，或者是外场还是内场。而间接边界元方法( i b e m ) 适合处理 些比较特殊的边界元问题，比如，某些结构的内外声场之间有穿孔的情况，或者是其他 一些非连续界面之间有直接耦合的情况。在数学处理上，间接边界元( i b e m ) 一般以 边界两侧的压力差值作为待定的边界条件，而其他值通过薄板位移连续条件和耦合分析 方法得出。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! | 一i 一一一i ! i 第3 章车内声场模态分析 声场空间同其他任何结构系统一样，也具有模态频率和模态振型，称之为声学模态。 作为模态特征，结构系统的振动模态以结构的具体的位移变化为特征，而声学模态的特 征则是具体的声压分布。如果想要理解车内声场的声学响应，首先就需要知道车内声场 的声学模态频率和声压分布。 所谓声学模态频率就是指声场的声学共鸣频率，在声学共鸣频率下，车内声腔受到 该频率的振动或者声源激励，会产生声学共鸣，使得声压放大。而声学模态形状则是指 声波在某一声学模态频率下传播到车内声腔，并在车内声腔周围壁板发生反射，入射 波与反射波相互消减或者相互叠加，最后在车内声腔不同的位置处产生不同的声压分布 1 3 9 1 o 在汽车车内声腔声学设计问题中，典型的容易引起乘驾人员烦躁不适的低频“轰鸣” 噪声，正是由于车内声腔在壁板振动或某些噪声源的激励下产生了声学共鸣。所以在汽 车室内声学设计中声学共鸣是必须避免的。汽车车内声腔的声学模态分析为汽车在设计 阶段避免车内声腔与车身板件发生声学共振提供了参考和指导，另外对于选用发动机、 传动系、车用发电机、电动机等等一系列的汽车零部件的选用具有非常重要的指导意义。 在国外的单排座椅轿车设计中，通常把第一阶声学共鸣频率下的声学模态节线位置 设计在乘驾人员的入耳附近，这样便能使人在最大程度上减少受到该频率噪声的影响， 处在一个相对噪声最小的声学环境中。这种分析方法可以用来确定现生产的汽车或者样 车的车内声腔是否被激励起强烈的共振。 国内外早期建立车内声腔声学模型时采用汽车纵向界面的二维模型，一方面是因为 技术条件的限制，另一方面是由于声学模态沿车身横向变化不大。二维模型建模简单， 计算量小，节约计算时间，但还是不能完全反映车内声腔的三维声学特性。随着技术条 件的成熟和计算机运算性能的极大提高，三维声腔模型得以运用。汽车车内三维声腔模 型能全面的反映其声学特性，对于横向竖向的声学模态也能清楚的表达，这样，便能清 楚的得到车内声腔声学模态形状在纵向、横向和竖向或者不同方向的组合。 本章节的主要研究内容是建立了车内空腔声学模型进行模态分析，并与车内空腔模 态实验结果进行对比，验证模型的正确性，同时对有座椅和无座椅的车内声腔声学模型 分析对比了不同模型的声学模态特性，结果可用于指导轿车车内声学设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 3 1 声学模态分析基础及方法 3 1 1 无衰减声波的控制方程州2 1 结构动力方程、流体连续性方程和流体动力方程在结构一声学流体耦合的问题中往 往作为一个整体考虑。可以使用结构有限单元来计算结构动力方程，而流体连续性方程 和流体动力方程可以通过假设从而简化为声学波动方程( 3 1 ) 。由于假设中视粘性损耗 忽略不计，所以该方程就称为流体中声传播的无衰减的波动方程。在结构一流体耦合问 题中，我们必须要同时考虑无衰减的波动方程和离散化的结构方程。对声压方程( 3 2 ) 即简谐变化的声压，它的流体连续性方程和流体动力方程可以简化为声学波动方程 ( 3 3 ) 。 吉警坷2 蚓 t ， 式中严一声压，p = f u n c t i o n ( x , y , z , t ) ； 卜时间； r 一声速。 该方程就称为流体中声传播的无衰减的波动方程，如果声压是简谐变化的声压，即 尸：r 埘( 3 2 ) 式中芦一声压幅值； 广虚数单位歹i - - , 一1 ； 一圆周率( r a d s ) 。 那么声学波动方程( 3 1 ) 简化为h e l m h o l t z 方程，即： 筌+ v 2 ：0 ( 3 3 ) f 在结构一流体耦合问题中，我们必须要同时考虑无衰减的波动方程和离散化的结构 方程，所以声学波动将方程( 3 1 ) 改写为如下方程： 一 吉警一v 即= o c 3 4 ， 引入矩阵运算符，可得式( 3 5 ) 和式( 3 6 ) ： v ( ) 斗卜瞄刳 5 ) v ( ) = l ( 3 6 ) 那么可以将方程( 3 - 4 ) 改写为表达式( 3 7 ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 吉等一m ) _ o ( 3 - 7 ) 声波方程( 3 7 ) 经过g a l e r k i n 程序离散化以后就可以得到单元矩阵。实际压力变化 与声波方程( 3 7 ) 相乘，在体积域z i e n k i e w i c z 内积