（车辆工程专业论文）基于动力总成激励的汽车车内噪声分析及控制.pdf

l l a n a l y s i sa n d b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e n a i g u o f e b r u a r y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：互振日期：, z p 1 年多月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密目 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者笨幺互振 作者签名：二q 新虢轵h a ) d 肯- , 厂刁 l 扣j r 期：l o l1 年弓月了e l ， 日期：伊7 7 年汐扣萨 汽车车内噪声分析及控制 摘要 动力总成激励是汽车车内振动噪声最主要的激励源之二。由动力总成振动通 过悬置激励车身引起的车内噪声主要是低频结构传播噪声，由动力总成噪声通过 声波激励车身引起的车内噪声主要是中高频空气传播噪声。低频段的噪声问题可 以通过结构改善来控制，中高频段噪声问题可以通过阻尼和吸声隔声材料来控制。 本文的主要目的是研究如何在汽车n v h 设计中利用各种仿真分析方法，结 合动力总成振动噪声的特点，综合性的控制车内低频和中高频噪声。同时本文还 研究了如何在后期通过试验的方法来解决动力总成激励的车内噪声问题。具体研 究内容如下： 1 基于动力总成激励时的车内低频( 2 0 2 0 0 h z ) 结构传播噪声，本文采用 有限元法对其进行分析和控制。通过车内噪声的仿真计算，发现驾驶员耳旁噪声 在1 2 5 h z 处的峰值超过了设计目标。接着通过板件贡献量分析发现对峰值点噪声 贡献最大的板件是后挡风玻璃。最后对挡风玻璃上横梁制定了结构更改方案，验 证分析表明所使用的分析方法能有效的控制车内低频结构传播噪声。 2 基于动力总成激励时的车内中高频( 2 0 0 5 0 0 0 h z ) 空气传播噪声，本文 采用统计能量法对其进行分析和控制。通过对车内中高频噪声的s e a 仿真计算， 发现驾驶员耳旁噪声计算结果在6 0 0 1 0 0 0 h z 不满足设计目标。针对驾驶员头部声 腔和腿部声腔进行了输入能量分析，确定前门是造成车内高频噪声不达标的主要 贡献板件。最后根据分析结果针对前门增加阻尼和吸声材料，验证分析表明所使 用的方法能有效的控制车内中高频空气传播噪声。 3 基于动力总成激励时的车内噪声，本文采用传递路径法对其进行实验分析 及控制。首先建立了由悬置车身侧到驾驶员耳旁的传递路径分析模型。接着通过 传递路径分析结果找出了对车内噪声贡献最大的路径是左悬置z 向到驾驶员耳 旁，并且通过详细的t p a 分析结果确定了该条路径贡献大的原因是传递不好，而 不是激励源过大的问题。最后对左悬置支架刚度进行了加强，验证试验表明所使 用的分析方法能有效的控制车内噪声。 研究表明，针对动力总成激励时的车内噪声问题，本文从仿真到试验，从低 频结构传播噪声到高频空气传播噪声，从理论到实践，对n v h 设计提供了一个 较全面的解决方案。 关键词：汽车噪声； n v h ； 有限元法；统计能量法；传递路径法； l l a b s t r a c t e x c i t a t i o no fp o w e r t r a i ni so n eo ft h em a i ns o u r c e s o fv e h i c l ei n t e r i o rn o i s ea n d v i b r a t i o n m o s to fv e h i c l ei n t e r i o rn o i s ec a u s e db yp o w e r t r a i n e x c i t a t i o nt h r o u g n m o u n t so fb o d yi sl o wf r e q u e n c y ，w h i l e ，m o s to fv e h i c l e i n t e r i o rn o i s ec a u s e db y p o w e r t r a i ne x c i t a t i o nt h r o u g hs o u n dw a v ei sh i g hf r e q u e n c y l o wf r e q u e n c y n o i s e c a nb ec o n t r o l l e db ym o d i f y i n gb o d ys t r u c t u r e a n dh i g hf r e q u e n c yn o l s ec a nb e c o n t r o l l e db yd a m p i n ga n ds o u n d a b s o r b i n gm a t e r i a l t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st os t u d yh o w t ou t i l i z ec a em e t h o d si nv i h i c l e n v hd e s i g n ，a n dt oc o n t r o lv e h i c l ei n t e r i o rl o wf r e q u e n c ya n dh i g hf r e q u e n c y n o l s e c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fp o w e r t r a i ne x c i t a t i o n a tt h em e a nt i m e ，t h i sp a p e r a l s os t u d i e sh o wt oc o n t r o ln o i s eb yt e s tm e t h o d t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r a r e a sf o l l o w s ： 1 v e h i c l ei n t e r i o rl o wf r e q u e n c y ( 2 0 2 0 0 h z ) n o i s ee x c i t e db yp o w e r - t r a i n s y s t e mw a sa n a l y z e da n d c o n t r o l l e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) t h r o u g h v e h i c l ei n t e r i o rn o i s ec a l c u l a t i o n ，i t i sf o u n dt h a tt h en o i s ec l o s et od r i v e r s e a r s e x c e e d e dt h ed e s i g no b j e c t i v e sa tt h ep e a ko f1 2 5 h z t h er e a rw i n d s h i e l d i st h ep a n e l w h i c hm a k e st h eb i g g e s tc o n t r i b u t i o nt ot h en o i s et h r o u g h p a n e lc o n t r i b u t l o na n a l y s l s a tl a s t ，t o pg i r d e ro ft h er e a rw i n d s h i e l dw a s m o d i f i e df o rt h eo p t i m i z a t i o n v a l i d a t i o n a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h em e t h o du s e dt oc o n t r o lv e h i c l e i n t e r i o rl o wf r e q u e n c yn o l s e w a se f f e c t i v e 2 s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ( s e a ) w a sd o n et oc o n t r o lv e h i c l ei n t e r i o rh i g h f r e q u e n c y ( 2 0 0 5 0 0 0 h z ) n o i s ee x c i t e db yp o w e r t r a i ns y s t e m t h r o u g ha n a l y s i s ，t h e n 0 1 s en e a rd r i v e r se a r sw a sf o u n dt oe x c e e dt h ed e s i g no b j e c t i v e s a n di t sv a l u ei s b e t w e e n6 0 0t o1 0 0 0 h z t h r o u g hi n p u te n e r g ya n a l y s i so fd r i v e r sh e a da n dl e gc a v i t y ， i t i sf o u n dt h a tf r o n td o o r sm a k et h eb i g g e s tc o n t r i b u t i o n t ov e h i c l ei n t e n o rh l g n f r e q u e n c yn o i s e f i n a l l y ，d a m p i n ga n ds o u n d a b s o r b i n gm a t e r i a l s a f ea d d e dt ot h e f r o n td o o r sa c c o r d i n gt oa n a l y s i sr e s u l t s v a l i d a t i o na n a l y s i ss h o w e d t h a tt h em e t h o d u s e dt oc o n t r o lv e h i c l ei n t e r i o rh i g hf r e q u e n c yn o i s ew a s e f f e c t i v e 3 e x p e r i m e n t a lt r a n s f e rp a t ha n a l y s i s ( t p a ) w a se m p l o y e d t oc o n t r o lv e h l c l e i n t e r i o rn o i s ee x c i t e db yt h ep o w e r t r a i ns y s t e mi nt h i s a r t i c l e f i r s t l y ，t h et r a n s f e r p a t ha n a l y s i sm o d e lw h i c hw a sf r o mt h ep a s s i v es i d eo fe n g i n em o u n t t ot h ed r l v e r s e a rw a se s t a b l i s h e d t h e n ，t h ez - l e f tm o u n tw a sf o u n d t h em a i ns o u r c eo tt h ev e h i c l e 1 1 1 一lllil-iiiliii_l_i 汽车车内噪声分析及摔制 i n t e r i o rn o i s eb yt p a t h er e a s o nw h yt h i sp a t hc o n t r i b u t e sr e m a r k a b l yi st h eb a d t r a n s f e rr a t h e rt h a nt h el a r g e re x c i t a t i o n f i n a l l y , t h el e f t m o u n t i n gb r a c k e tw a s s t r e n g t h e n e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s v a l i d a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e m e t h o du s e dt oc o n t r o lv e h i c l ei n t e r i o rn o i s ew a se f f e c t i v e t h er e s e a r c hs h o w st h a tf r o ml o wf r e q u e n c yt oh i g hf r e q u e n c yr a n g e s ，f r o mc a e t ot e s ta n df r o mt h e o r yt op r a c t i c e ，t h i sp a p e rg a v eaf u l l ys o l u t i o ni nv e h i c l en v h d e s i g nb a s e do nt h ep o w e r - t r a i ne x c i t a t i o n k e yw o r d ：v e h i c l en o i s e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ；t r a n s f e r p a t ha n a l y s i s i v 2 2 3 风激励噪声1 5 2 3 汽车车内噪声的控制1 5 2 3 1 车内噪声控制的基本方法1 5 2 3 2 车内噪声控制的基本流程1 8 第3 章基于有限元法的车内低频噪声分析及控制2 0 3 1 引言2 0 3 2 有限元法基本理论2 0 3 2 1 有限元法简介2 0 3 2 2 模态分析理论基础2 l 3 2 3 声固耦合动态分析理论基础2 2 3 2 4 板块声学贡献量分析理论基础2 2 3 3 有限元模型的建立及模态分析2 4 3 3 1 驾驶室有限元建模一2 4 3 3 2 驾驶室结构模态分析2 6 v 汽车车内噪声分析及控制 3 3 3 驾驶室声腔模态分析2 8 3 4 有限元分析结果及控制2 9 3 4 1 动力总成低频振动激励获取一2 9 3 4 2 车内噪声仿真计算3 1 3 4 3 板块声学贡献量分析：。3 4 3 4 4 分析结果验证及噪声控制3 6 3 5 小结3 7 第4 章基于统计能量法的车内中高频噪声分析及控制3 8 4 1 弓l 言3 8 4 2 统计能量法基本理论3 8 4 2 1 统计能量法系统方程3 8 4 2 2 统计能量分析的频率适用范围4 1 4 2 3 统计能量分析子系统的划分原则4 1 4 3 统计能量分析模型的建立4 2 4 3 1 几何模型的建立4 2 4 3 2 模型主要参数的确定4 5 4 3 3 吸声、隔声材料性能数据测试4 8 4 4 统计能量分析结果及控制4 8 4 4 1 动力总成中高频噪声激励获取4 8 4 4 2 车内噪声仿真计算5 0 4 4 3 输入能量贡献量分析5 1 4 4 4 分析结果验证及噪声控制5 2 4 5 小结5 3 第5 章基于传递路径法的车内噪声实验分析及控制5 4 5 1 引言5 4 5 2 传递路径分析基本理论5 4 5 2 1 结构声传递路径分析基本原理5 4 5 2 2 结构声工作载荷的提取5 5 5 3 传递路径分析模型的建立5 6 5 3 1 分析模型路径的划分5 6 5 3 2 分析模型数据的采集5 7 5 4 传递路径分析结果及控制一5 8 5 4 1t p a 分析结果5 8 5 4 3 分析结果验证及噪声控制一5 9 5 5 小结6 1 结论与展望 参考文献。 致谢 附录a ( 研究生期间发 v i i 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的工程应用背景及意义一 就汽车性能指标而言有很多，如可靠性、安全性、n v h 性能、操纵稳定性、 经济性能等等。虽然可靠性和安全性等技术指标在所有车型的开发中都显得比较 重要，可是n v h ( 噪声与振动) 性能的要求越来越受到重视，特别是对于中高级 轿车而言。随着我国汽车工业的发展和人们环境意识的增强，声场设计和噪声振 动控制是汽车设计中普遍而重要的问题。汽车噪声不仅给乘员造成疲劳与不适， 而且给环境带来噪声污染【1 】。激烈的市场竞争使得噪声问题显得尤其重要，现代 车身设计中，车内声学舒适性已成为重要的设计指标之一，直接决定着该款车在 市场上竞争力。多数顾客在驾驶汽车时，希望有一个安静和平稳的车内环境，能 够充分享用车内通信与影音娱乐系统，因此在购买汽车时很看重汽车的振动与噪 声水平。统计分析表明，一辆车的振动噪声水平与顾客对这辆车的总体印象和评 价有着直接的关系。对于一些特殊人群，除了追求传统的低噪声与振动外，还对 于汽车的声音品质有所追求。如对豪华车而言，既要安静、振动小外，而且要使 声音中尽可能多的只含有发动机点火频率的成分；对于赛车，为了使车驾驶起来 有动感，声音中要尽可能多的含有半阶次成分。图1 1 指示了不同年代中档轿车 的车内噪声值。对于汽车振动、噪声的研究与控制是汽车自主开发设计中非常重 要的一个环节，制定出合理的车内噪声目标，从而在汽车开发初期就进行噪声与 振动的设计、分析、优化和控制是世界各汽车厂商的研究方向。因此对汽车车内 噪声研究具有重要的意义。 年份 图1 1 不同年代中档轿车的车内噪声值 汽车车内噪声分析及控制 从汽车车内噪声的来源来看，主要有：发动机噪声、进排气噪声、风噪声、 风扇噪声等。从汽车振动源来看，车内振动激励源主要是发动机激励、路面激励 和风激励。车内噪声的产生主要有两个途径，一是车外噪声源产生的噪声通过车 身壁板及孔洞直接传入车内；二是车外噪声声波和振动源激励车身壁板，使其产 生振动，并向车内辐射噪声。车身壁板主要是由金属钣金件和玻璃构成，再加上 一些塑料件，这些材料具有很强的声反射性能，声波在密闭的驾驶室内多次反射， 从而形成了复杂的驾驶室内部声场【2 l ，要预测它首先要对这些系统的振动噪声特 性进行参数化建模，预测产生噪声的大小及分布情况，同时研究参数化优化方案， 知道阻尼、吸声材料、声场贡献度、传递路径、结构的形状和尺寸与噪声响应的 关系，从而达到减振降噪的目的。这对于减少设计成本，缩短设计周期和提高设 计效率具有重要的意义。 汽车噪声振动有两个特点。一是与发动机及汽车行驶速度相关；二是不同的 噪声振动源有不同的频率范围。图1 2 表示汽车噪声源与行驶速度的关系。在低 速时，发动机是主要噪声与振动源；在中速时，轮胎与路面的摩擦是主要噪声振 动源；在高速时，车身与空气之间的摩擦变成了最主要的噪声振动源。车内噪声 按频率可分为低频噪声、中频噪声和高频噪声1 3 , 4 1 。图1 3 表示噪声源与频率的关 系。 蘸 2 、 警 蕊 二： 、 型 汽车速度 图1 2 汽车噪声源与行驶速度的关系 频率 图1 3 噪声源与频率的关系 由动力总成振动通过车身结构向驾驶室内传递引起的噪声5 1 主要是低频结构 传播噪声，由动力总成噪声通过声波激励车身结构向驾驶室内传递引起的噪声主 要是中高频空气传播噪声，分别对它们进行分析和控制对于降低车内噪声非常重 2 硕卜学位论文 要，特别是从汽车设计的初级阶段出发来分析和控制它们，因此研究由动力总成 激励引起的车内噪声具有重要的意义。 1 2 车内噪声国内外研究现状 车内噪声的研究分为两个方面t 第一方面是试验研究；试验研究的主要工作 是针对引起车内噪声的不同声源及如何控制这些声源对车内噪声的影响进行了大 量的试验研究工作；第二方面是理论研究；理论研究的主要工作是对车内噪声的 产生建立理论模型，同时研究理论模型的精确度和计算效率，通过理论模型来预 测车内噪声的大小，最后利用理论模型对车内噪声进行优化，从而指导汽车设计 工作。从汽车噪声的研究内容上看，首先是对噪声进行分析，其次是对噪声进行 控制。分析可以是试验分析，也可以是理论分析。分析的目的是进行车内噪声的 控制。 在汽车振动噪声问题的研究方面，国内外学者做了大量的研究工作，取得了 重大的研究成果。由于车内噪声振动源非常多，而且噪声振动传递的路径也很复 杂，使得车内噪声的分析及控制变得非常困难。从2 0 世纪6 0 年代起就有国外学 者开始研究汽车噪声振动问题，国内学者对汽车噪声的研究比国外学者晚了将近 十年。国外学者先后对发动机机舱的噪声辐射特性、车身结构发出的轰隆声的声 学特性、汽缸和油箱的辐射噪声、轮胎和路面的接触噪声、轮胎与路面接触噪声 的产生机理、汽车在高速运行中产生的紊流对车内气动噪声的影响、汽车多层结 构内饰材料的吸声性能、汽车车门的反光镜及汽车骨架产生的气动噪声、汽车排 气系统的噪声、低噪声轮胎等进行了研究，并利用其研究成果来降低汽车车内和 车外噪声，发现其效果很好。 国内学者对动力总成引起的车内噪声仿真问题已经进行了部分研究工作，主 要集中在发动机振动引起的车内低频结构噪声，很少对发动机噪声引起的车内中 高频噪声进行研究，而且以声学灵敏度计算为主，很少直接以动力总成激励作为 输入进行仿真计算的。试验分析的研究则主要是频谱分析，主要有两种，一种是 噪声与时间和频率的三维瀑布图，另外一种是噪声与发动机转速和频率的三维瀑 布图。将传递路径法应用于车内噪声试验分析中还处于研究阶段，应用很少。通 过他们的研究发现发动机二阶激励对车内噪声的贡献最大，找到了发动机振动向 车内的传递途径和对车内噪声贡献最大的车身板件。在此研究的基础上，提出了 如何改善发动机引起的车内低频结构噪声的有效方案：( 1 ) 修改发动机悬置系统 的刚度来控制发动机振动向车身的传递，来达到降低车内噪声的目的。( 2 ) 提高 顶棚板件的刚度来改善顶棚的振动，控制对车内噪声贡献比较大的发声部件，从 而达到降低车内噪声的目的。同时还对车内噪声分析后发现发动机和传动系统是 汽车的主要噪声源，发动机燃烧基频与传动轴旋转基频下车内噪声值都很大，而 3 汽车车内噪声分析及控制 且其不随车速的变化而变化，这些不随车速变化的低频噪声是汽车固有的结构特 性或声腔特性所决定。在路面激励引起的车内噪声问题方面国内学者也进行了一 些研究，发现可以通过控制悬置阻尼来控制路面激励在车内引起的噪声。 主动噪声控制技术也称有源噪声控制，经过2 0 年的发展已经相当成熟，与传 统技术相比，它对低频噪声的控制效果非常好。国外的有源噪声控制研究开始与 1 9 3 3 年。当时的德国物理学家提出了有源消声的概念和思路，并申请了专利，但 由于受当时电子技术的束缚，他的设想并没有马上实现。直到1 9 5 6 年美国通用电 气公司把有源消声的思路应用于大型变压器线谱的噪声控制中，才使得这一创造 性的设想真正应用于实际工程中。国内开展有源消声技术的研究比较晚。清华大 学、西安交通大学和西北工业大学的学者从1 9 7 9 年开始对有源消声技术进行了大 量的研究工作。近几年国内对于有源噪声的研究工作主要有：对基于智能模糊控 制策略的有源消声进行了研究；对空间声场的自适应有源噪声控制进行了研究； 对低频噪声的有源吸收理论进行了研究；对d s p 在有源噪声控制中应用进行了研 究；对有源噪声控制的前馈和反馈算法进行了研究。 1 3 车内噪声分析方法概述 从2 0 世纪6 0 年代，就有人从事汽车噪声振动的研究，基本上是基于实验和 简单的计算，比如在排气系统中使用的赫姆霍兹消声器就可以用简单的计算来设 计。经过国内外学者和工程技术人员的大量研究性工作，汽车振动噪声技术得到 了突破性的进展。6 0 年代后，计算机逐步应用到汽车领域，首先用于结构分析， 数值分析方法被用于计算动态系统的振动和声学响应的研究。经过多年的发展， 数值计算方法主要有：经典方法；有限元法；边界元法；统计能量法；传递路径 法；模态综合法等。他们有各自的优点和缺点，并在实践中得到发展与完善。到 7 0 年代，随着计算机容量和计算速度的发展，数值计算方法的精度越来越高。到 了8 0 年代，随着工作站的应用，大型计算成为现实，于是出现了整车噪声与振动 的计算，其中以模态综合技术为主。以下来具体介绍这些方法。 1 经典方法：在汽车设计初期，概念设计阶段，能获得的数据有限，这时只 能根据这些基本参数建立汽车四分之一模型和二分之一模型，来研究汽车最基本 的频率和振型特征，或者研究汽车的动力特性。经典方法只适合于分析很低频率 的整体模态，应用软件有m a t l a b 等。 2 有限元方法：对于汽车而言，整体和局部的振动情况都很重要。经典方法 不具备对汽车结构设计指导作用，必须分析汽车子系统或局部的振动情况。汽车 是一个连续的弹性结构，形状比较复杂，应用计算机技术和仿真分析技术能够极 大的提高设计效率。目前，用得最为广泛的方法是有限元分析【6 j ，已经成为复杂 结构系统动力学的重要手段。根据分析精度的需求，有限单元的划分也不同。当 4 硕j ? 学位论文 只是对整车进行粗略的振动噪声分析时，有限单元可以划分得大一些；当需要对 整车进行细致的振动噪声分析时，有限单元的划分需要小一些。细致的单元网格 大小为5 m m ，单元的数量和自由度个数可以达到几百万甚至上千万。结构划分的 单元愈多，自由度也就愈多，计算精度也愈高，但计算时间也愈长。有限元方法 是一项非常成熟的分析方法，能够准确的预估整车和各个系统的模态和模态频率， 并且能动态演示整车模态。有限元方法的思路来源是矩阵分析，其基本思路是用 有限单元将结构弹性域或空气域离散化，单元通过节点处相连，节点位移分量是 最基本的未知量。这样无限自由度连续系统的问题被分解为有限元单元自由度的 离散系统问题。根据力学方程或声波动方程，引入边晃条件和激励后，通过求解 代数方程式得到结构弹性或声传播空气域中的振动和声特性，即完成对系统的动 力学响应求解问题。有限元分析方法在汽车方面的应用有：零部件及整车模态分 析、刚度分析、强度分析、安全分析、约束系统分析、振动噪声分析、空气动力 学分析等。 边界元方法有限元主要用来解决声场内部问题，为解决部分结构辐射噪 声问题，发展起来了边界元。边界元方法对处理结构声辐射、声散射和结构声腔 问题有独特的优越性，因而在实际中得到应用【7 8 l 。在边界元方法中，h e m l h o l t z 方程被转化成积分方程。由于积分方程中的未知变量分布在声场的边界表面，因 此只有边界被划分为网格单元。这样，简化了输入数据，减少了计算时间和代价。 此外，在积分方程中，远场中的声学条件能够自动满足。由于边界元方法的这些 特点，他被广泛应用于计算声辐射的问题。 边界元方法的输入是声场边界上的复声压、复振动速度或者复阻抗，计算时 必须知道复声压和复振动速度中的一个物理量，另外一个通过边界条件可以求出。 作为输入，结构表面的复声压或复振动速度可以实测得到，也可以通过计算得到。 对于结构表面复振动速度的计算，边界元方法常常借用有限元方法。整车结构振 动分析使用有限元模型，车内空腔的声场分析使用边界元模型。应用软件有l m s v i r t u a l l a b 等。 统计能量分析法一一在高频范围内，由于模态密集，能量的传递已经分不清 是哪一阶模态传递的，但是可以从统计的角度出发分析密集模态的平均能量传递 水平。有限单元方法计算汽车的高频问题时会导致计算量巨大，工程上难以接受， 统计能量法正好克服此缺点，因为对于统计能量法而言，模态越密集，分析越准 确。统计能量分析是个模型化分析方法，以板、梁、柱、壳等基本单位进行建模， 将车辆划分为若干个子系统。能量在子系统之间的流动关系是以功率流的形式来 描述的。外界激励以输入功率流的形式进入模型，结果以输出功率流的形式表示。 当然，能量的流动具有一定的规律，一般是从高内部损耗因子的系统向低内部损 耗因子的系统流动，从低模态密度子系统向高模态密度子系统流动。统计能量分 5 汽车车内噪声分析及控制 析作为一种分析方法【9 j 0 1 ，其更重要的作用在于列出主要噪声贡献，以及预测不 同设计对车内噪声的相对影响。目前，统计能量分析在预测和分析车内空气噪声 的应用比较普遍，而预测和分析车内结构噪声却是研究得多，应用得少。其中一 个重要局限是在汽车研发初期无法预测结构耦合损耗因子。建立大量的类似结构 的耦合损耗因子数据库可以在一定程度上缓和这个局限性，但其工作量大，而且 即使有了数据库，可能仍然很难满足车内结构噪声分析的所有需求。另一方面， 传递路径分析方法发展很快，逐渐成为分析车内结构噪声的主要方法。 传递路径分析方法车内振动或者噪声响应是由激励源和振动源经过很多 条路径传递的，有些是通过结构传递，有些是通过空气传递。结构传递又可以细 分，从每个激励点到响应点为一条路径，再进一步细分就是从每个激励点的一个 方向到响应点的一个方向为一条路径。所以车内噪声是由多种振动噪声源经过多 条路径衰减，然后传递到多个响应点的结果【l 。为了降低噪声，就需要对每一条 路径进行研究，经过矢量叠加来预测车内噪声，这样就可以看出每一条路径对车 内噪声的贡献量，从而使我们降低车内噪声的时候具有针对性，而不是盲目的试 探性工作。 传递路径分析中首先要明确问题的路径，也就是要建立传递路径模型。例如 动力总成激励引起的车内噪声问题，就需要考虑每个悬置点到车内噪声的响应。 路面激励引起的车内噪声问题，就需要考虑每个底盘硬点到车内噪声的响应。整 车问题就比较复杂，激励源特别多，要建立很多条传递路径。明确了所分析问题 的路径后，首先需要计算出路径上耦合点处的激励力大小，然后计算出耦合点到 响应点的传递函数，最后进行合成得到车内噪声值，工作量往往非常大。传递路 径分析目前基于试验测试的方法运用比较成熟，基于仿真计算的方法还处于研究 阶段。应用软件有l m s 的t p a 传递路径分析软件，l m s 传递路径分析软件提供 了用于数据处理和结果显示的许多有效工具，成为试验和设计工程师的好帮手。 模态综合方法一一虽然有限元法能快速解决车内结构噪声问题，但是建立整 车级的有限元模型计算量是非常庞大的，其效率无法得到体现，为了解决大型复 杂有限元模型的难题，模态综合技术将复杂结构划分为若干个简单子系统【13 1 ，对 每个子系统单独进行分析得到其模态和动力学响应，然后根据他们的边界条件将 它们组合起来，得到复杂结构的模态和动力学响应。这项技术大大缩减了对计算 资源的需求，特别是当某个子系统结构改动时，只需要对修改过的子系统进行重 新计算或试验，然后运用模态综合技术就可以获得整体结构的动力学特性【1 4 】。 模态综合技术对于汽车设计厂商是非常有意义的，汽车是由不同的部件组成 的，每个部件也许是经过不同的供应商提供的，这就使得供应商分别进行设计分 析成为可能。在汽车设计初期，只需要每个供应商设计分析好自己所提供的部件 模态和动力响应，最后整车生产厂商根据每个部件的连接方式进行综合得到整车 6 硕十学位论文 的模态及动力响应。 早期，测试分析设备简单，只能用声级计、加速度传感器等来进行简单的噪 声振动测量。当电子技术和信号处理技术迅速发展的时候，出现了频谱分析。相 干分析、相关分析等应用到信号分析和噪声振动源识别。以后又出现了声强测量、 小波分析、倒频谱法、声全息方法等等新的测试与分析技术【1 5 】。这些技术大大提 高了分析噪声振动谱和识别噪声振动源的能力。 1 4 本文的主要研究内容 汽车驾驶舱作为一个声学系统是比较复杂的，不仅噪声的产生比较复杂，而 且他们之间的联系也比较复杂，这就使得传统的分析方法很难对驾驶舱内噪声进 行准确的预估与分析。而且由于噪声的频率范围非常广，使得用单一的方法很能 对汽车噪声进行全面的分析，考虑到各种噪声分析方法的适用频率范围，本文针 对由动力总成激励时车内噪声的分析及控制的一些关键技术进行了研究。动力总 成激励是汽车车内振动噪声最主要的激励源之一，由动力总成振动通过悬置激励 车身结构引起的车内噪声主要是低频( 2 0 2 0 0 h z ) 结构噪声，由动力总成噪声通 过声波激励车身结构引起的车内噪声主要是中高频( 2 0 0 5 0 0 0 h z ) 空气噪声。图 1 4 显示了不同的噪声分析及控制方法适用的频率范围。由于有限元法、统计能 量方法和传递路径法理论比较成熟，在汽车振动噪声分析中的应用己被工程界所 熟悉，同时成熟的商业软件可供使用，因此采用这些方法进行车内噪声的分析及 控制具有很高的工程实用性。 釜 蕾 数翠 图1 4 有限元、统计能量法和传递路径法的应用频率范围 本文首先用有限元法对动力总成激励时的车内低频段结构传播噪声进行了分 析，并通过改进车身结构达到对车内噪声进行控制的目的；其次利用统计能量法 对动力总成激励时的车内中高频段空气传播噪声进行了分析，并通过增加阻尼、 吸声隔声材料来进行车内噪声的控制；最后利用传递路径法对动力总成激励时的 车内噪声进行了试验分析及控制，从而为解决由动力总成激励时的汽车车内噪声 问题提供了一套完整的策略。 本文的研究内容主要包括以下几个方面： 一、对车内噪声的产生与控制进行理论研究 7 汽车车内噪声分析及控制 1 对声学基础理论进行了研究 2 对汽车车内噪声的产生机理进行了研究 3 对汽车车内噪声的控制方法和流程进行了研究 二、利用有限元法对动力总成激励时的车内低频噪声进行了分析和控制 1 对某轿车整备车身进行有限元网格划分，同时对驾驶室内部声腔进行 网格划分，然后根据它们的连接方式建立整备车身有限元模型。 2 根据n a s t r a n 有限元模型，进行结构和声模态分析、并与试验数据 进行对比来验证有限元模型的有效性。 3 对车内噪声进行有限元仿真计算，判断其是否满足设计标准。 4 对于不满足标准的峰值频率点进行板件声学贡献量分析，找出对车内 噪声贡献最大的板件，为车身结构修改及优化提供指导性意见。 5 制定修改方案，重新对车内噪声低频段进行仿真计算，考察方案实施 效果来验证所使用的分析方法的有效性。 三、利用统计能量法对动力总成激励时的车内中高频噪声进行分析和控制 1 利用统计能量法理论建立s a e 模型，包括几何模型，s a e 模型参数获 取，材料性能测试，激励载荷参数获取等。 2 根据s a e 模型进行车内中高频噪声级的预测，并与设计目标进行对比， 找出不满足设计目标的频率段。 3 对不满足目标的频率段进行驾驶员头部声腔输入能量贡献量分析，找 出对车内中高频噪声贡献量最大的子系统，从而为车身板件进行声学处理 提供指导性意见。 4 制定修改方案，重新计算车内噪声的高频段，考察方案实施的效果来 验证所使用分析方法的有效性。 四、利用传递路径法对动力总成激励时的车内噪声进行试验分析和控制 1 根据传递路径分析理论建立基于动力总成激励时的试验t p a 模型。 2 对t p a 模型进行传递路径分析，找出对车内噪声贡献最大的路径。 3 对贡献最大的路径进行详细t p a 分析，具体找出该路径贡献大的原因 是传递的结构问题还是激励源的问题。 4 对薄弱的传递路径环节制定修改方案，重新对车内噪声进行试验分析 来验证t p a 分析方法的有效性。 8 第2 汽车噪声分为车内噪声与车外噪声。车内噪声的大小决定着一辆车的舒适性、 语音清晰度、行车安全、听觉损害程度以及人在车内驾驶过程中对外界各种声音 讯号的识别能力【1 6 】。据有关实验数据表明：人在车内的谈话声一般为6 0 d b ( a ) ； 当车内噪声高于6 5 d b ( a ) 时，人在车内交谈就变得有点困难，必须提高嗓音才能 让对方听清楚；当车内噪声高于9 0 d b ( a ) 时，人在车内不可能听清楚对方的说话 声，而且长时间处于这种噪声环境中的话，人的听觉系统将受到损伤。噪音控制 已成为现代环境科学工程中的一个重要分支。 2 1 声学基础 2 1 1 声学基本概念 物体的振动会引起周围空气的振动，空气是一种具有质量、弹性和可压缩性 的物质。由于空气的压缩与扩张这种不问断的运动就形成了声波，声波在空气中 传播，它的速度只与介质的特性和热力学温度有关系。在理想气体中，声速c 可 用下面表达式定义： c = ) ，r t a ( 2 1 ) 式中，y 是流体的比热比；r 是气体常数；乙是热力学温度。 声压、频率、质点振速和声功率是描述声音的基本物理参数【17 1 ，其中声压和 频率是两个比较重要的参数。波长a 沏) 、频率f ( h z ) 和声速c ( m s ) 是描述声波的 三个重要物理量。当地气压与大气压的差值就是声压。声压是一个与时间和位置 相关的物理量，用p ( x ，t ) 来表示。介质的特性决定着声音的传播，介质的特性用 声阻抗来表示，是一个十分重要的物理参数，它可由声压与体积速度的复数比值 得到： p z = 吾 ( 2 2 ) 式中，p 为声压；u 为速度体积，其中 u = s u ( 2 3 ) 式中，s 是面积，u 是质点的速度。 声阻抗率【1 8 】就是在声阻抗不考虑面积的情况下得出的，它是声压与质点速度 的比值： 9 汽车车内噪声分析及控制 z 。旦 ( 2 4 ) “ 平面波在自由声场中存在一个特殊的声阻抗，我们称之为特性阻抗。某一 点的介质密度乘以声速就得到特性阻抗的表达式为： z g p c 一 ( 2 5 ) 式中，p 是介质的密度，因此用介质中的声压与特性阻抗的比值可以得出平面波 的速度公式为： h ：旦；旦 ( 2 6 ) z op c 声源的特性和强弱决定着声音传播的快慢和幅值的大小等，声功率( w ) 是 表示声源强弱特性的物理量【19 1 。单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积 上的