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基于结构声学灵敏度的薄壳件辐射噪声控制研究 摘要 噪声是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。现代社会工业 化进程不断加快，高速度、大功率的设备不断增多，这些设备所产生的噪声逐渐 引起人们的重视。当噪声达到一定的级别就形成了噪声污染，噪声污染己被认定 为四大环境污染之一。随着人们物质条件、生活水平的上升，对自身所处环境的 要求也越来越高。人们对汽车产品的要求已经不是简单的功能性要求了，而是要 更加安静、舒适、有驾驶乐趣，这与汽车的振动噪声控制密切相关。如何降低噪 声已成为噪声控制领域的重要研究内容。 噪声是由于物体振动而产生的，对噪声的控制大致可从两个方面入手：一是 从源头上减小物体振动，降低振动能量；二是利用吸音、隔振材料将噪声与入耳 隔离。本文主要研究基于结构声学灵敏度的薄壳构件结构一声学优化，从优化设 计角度减少薄壳构件结构振动，控制薄壳构件辐射噪声。 论文主要研究工作如下： ( 1 ) 介绍了有限元法和边界元法联合求解结构声学问题的基本理论；推导了 结构速度灵敏度、速度声压灵敏度、速度声功率灵敏度计算公式，为后续解决 工程问题提供了基本理论与分析方法。 ( 2 ) 用三维建模软件u g 抽取某微型车油底壳中面，得到油底壳的片体模型， 并以i g e s 格式导入h y p e r m e s h 软件进行网格划分；用n a s t r a n 对壳体进行模态分 析与模态灵敏度计算，得到了结构的模态参数与模态灵敏度；在壳体上施加已知 载荷，分析了其表面的振动速度分布情况，发现结构表面速度分布不均匀，局部 区域会振动偏大，振动速度大的区域必定会产生较大的噪声。 ( 3 ) 用n a s t r a n 计算了壳体的结构速度灵敏度；将n a s t r a n 输出的结构一速度 灵敏度导入s y s n o i s e ，再将壳体模型与结构速度灵敏度相关联建立边界元模型， 进行结构声压灵敏度、结构声功率灵敏度分析，得到各个激振频率下的声学响 应，发现模型在1 0 0 0 h z 、1 5 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 处出现明显的响应峰值。 ( 4 ) 在结构声学灵敏度分析的基础上，利用i s i g h t 软件集成n a s t r a n 、s y s n o i s e ， 对壳体模型进行了优化。分别研究了单点多频率激励下的结构声学优化设计、多 频率激励下的轻量化设计、多频率激励下的多目标优化等问题，得到了不同的优 化结果；通过云图对比，表明优化后的模型具有更好的声学性能。 本文以国内某微型车油底壳为实际研究对象，从其模态分析、模态灵敏度分 析、发动机激励下的结构表面振动特征分析、设计域点声压分析以及设计域点的 结构声学灵敏度分析等方面展开研究。建立了一套以降低设计域点声压级峰值为 i l 硕士学位论文 目的，修改油底壳结构参数为手段，基于结构一声学灵敏度的优化设计流程。本文 研究工作证明了基于结构声学灵敏度的薄壳件辐射噪声控制方法是有效的。 关键词：有限元；边界元；噪声控制；灵敏度；油底壳；优化设计 i i i 基于结构声学灵敏度的薄壳件辐射噪声控制研究 a bs t r a c t t h en o i s ei sak i n do fv o i c et h a tm a k e sp e o p l ei r r i t a t e i ft h ev o l u m eo fn o i s ei s t o os t r o n g ，i tw i l lb eh a r m f u lt oh u m a nh e a l t h w i t ht h ea c c e l e r a t i n go ft h ep r o c e s so f i n d u s t r i a l i z a t i o no ft h em o d e r ns o c i e t y ，h i g hs p e e d ，h i g h p o w e rd e v i c e sa r ei n c r e a s i n g t h en o i s eg e n e r a t e db yt h ee q u i p m e n tg r a d u a l l ya t t r a c t e dp e o p l e sa t t e n t i o n n o i s e p o l l u t i o nc a nb ei d e n t i f i e da s o n eo ft h ef o u re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n w i t ht h e i m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e s m a t e r i a lc o n d i t i o n sa n dl i v i n g s t a n d a r d s ，p e o p l e s r e q u i r e m e n to ft h e i ro w ns u r r o u n d i n g s b e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r a u t o m o t i v e p r o d u c t sa r er e q u i r e dt ob em o r eq u i e t ，c o m f o r t a b l e ，f u nt od r i v e ，w h i c ha r ec l o s e l y r e l a t e dw i t ht h ec a rn o i s ea n dv i b r a t i o nc o n t r 0 1 h o wt or e d u c et h en o i s eh a sb e c o m e a ni m p o r t a n tr e s e a r c hi nt h ef i e l do fn o i s ec o n t r 0 1 n o i s ei sg e n e r a t e db yt h eo b j e c tv i b r a t i o n t h ec o n t r o lo fn o i s ec a nb er o u g h l y f r o mt w oa s p e c t s ：t h eo n ei st or e d u c et h ev i b r a t i o no fo b j e c t s ，t h eo t h e ri st ou s eo f s o u n da b s o r p t i o n i no r d e rt or e d u c et h es t r u c t u r a lv i b r a t i o na n dc o n t r o lt h er a d i a t e d n o i s eo fs h e l lp i e c e s ，t h es t r u c t u r a l a c o u s t i co p t i m i z a t i o np r o b l e m so fs h e l lp i e c e s b a s e do ns t r u c t u r e a c o u s t i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i sa r er e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h em a i nr e s e a r c hw o r k so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s i ct h e o r yt os o l v es t r u c t u r a l a c o u s t i cp r o b l e m sb yc o m b i n gf i n i t e e 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 di si n t r o d u c e d ；t h ef o r m u l a sf o rc a l c u l a t i o nt h e s t r u c t u r e s p e e ds e n s i t i v i t y ，s p e e d s o u n dp r e s s u r es e n s i t i v i t y ，s p e e d s o u n d p o w e r s e n s i t i v i t ya r ed e r i v e d ；t h eb a s i ct h e o r ya n da n a l y s i sm e t h o df o rt h ef o l l o w u pt o s o l v ee n g i n e e r i n gp r o b l e m sa r ep r o v i d e d ( 2 ) t h em i d d l ef a c e so fo i lp a ni nam i c r o - c a rw e r ee x t r a c t e df r o mt h es o f t w a r e u g , a n dt h e nt h e yw e r ep u ti n t oh y p e r m e s hs o f t w a r eb yi g e sf o r m a tt og e n e r a t ef i n i t e e l e m e n tm e s h m o d a lp a r a m e t e r sa n dm o d a ls e n s i t i v i t yo fs h e l lp i e c e sa r ec a l c u l a t e d b yn a s t r a n t h es u r f a c ev i b r a t i o nv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nw a sa n a l y s e dt h r o u g ha p p l y i n g ak n o w nl o a do nt h es h e l l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o nw a s u n e v e n ，s o m ea r e a so ft h eo i lp a nh a v eal a r g e rv i b r a t i o n ，a n dt h e s e a r e a sw i l l c e r t a i n l yh a v eag r e a t e rn o i s e ( 3 ) t h es t r u c t u r e v e l o c i t ys e n s i t i v i t yo fs h e l lp i e c e sw a sc a l c u l a t e db yn a s t r a n ， a n dt h er e s u l tw a si m p o r t e di n t os y s n o is e t h e nt h eb o u n d a r ye l e m e n tm o d e lw a s e s t a b l i s h e db ya s s o c i a t i n gt h es h e l lm o d e lw i t hs t r u c t u r e - v e l o c i t ys e n s i t i v i t yo fs h e l l i v p i e c e s s t r u c t u r e p r e s s u r es e n s i t i v i t ya n ds t r u c t u r e s o u n dp o w e rs e n s i t i v i t yw e r e a n a l y z e d a c o u s t i cr e s p o n s e so fe a c he x c i t a t i o nf r e q u e n c yw e r eo b t a i n e da n di tw a s f o u n do u tt h a tt h e r e s p o n s ep e a k so fm o d e la p p e a r e d o b v i o u s l yi n 10 0 0 h z 。 15 0 0 h z ，2 0 0 0 h z ( 4 ) t h es h e l lm o d e lw a so p t i m i z e db ys o f t w a r ei s i g h ti n t e g r a t i n gs y s n o i s ea n d n a s t r a nb a s e do ns t r u c t u r a l - a c o u s t i c s e n s i t i v i t ya n a l y s i s s t r u c t u r e a c o u s t i c o p t i m i z a t i o nd e s i g nu n d e rs i n g l ep o i n tm u l t if r e q u e n c ye x c i t a t i o n ，l i g h tw e i g h td e s i g n u n d e rm u l t if r e q u e n c ye x c i t a t i o na n dm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e mu n d e r m u l t i f r e q u e n c ye x c i t a t i o nw e r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y ，a n dd i f f e r e n t o p t i m i z a t i o n r e s u l t sw e r eo b t a i n e d i t ss h o w nt h a tt h e o p t i m i z e dm o d e lh a sb e t t e ra c o u s t i c p e r f o r m a n c et h r o u g hc o n t r a s t so fc o n t o u r i nt h i st h e s i s ，t h eo i lp a ns h e l lo fam i n ic a rw a st a k e na st h ea c t u a lr e s e a r c h o b j e c t i tw a sr e s e a r c h e df r o mt h e a s p e c t so fm o d a la n a l y s i s ，m o d a ls e n s i t i v i t v a n a l y s i s ，s u r f a c ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i su n d e re n g i n e e x e i t a t i o n ，d e s i g n d o m a i np o i n t ss o u n dp r e s s u r ea n a l y s i sa n d s t r u c t u r a l a c o u s t i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i so f d e s i g nd o m a i np o i n t s t h ed e s i g no p t i m i z a t i o np r o c e s sw a se s t a b l i s h e di no r d e rt o r e d u c et h ep e a kv a l u eo fs o u n dp r e s s u r el e v e li nd e s i g nd o m a i np o i n t sb ym e a n so f m o d i f y i n gt h eo i lp a ns h e l ls t r u c t u r ep a r a m e t e r sb a s e do ns t r u c t u r a l a c o u s t i c s e n s i t i v i t y r e s e a r c hw o r k sp r o v e st h a ts h e l lp i e c e sr a d i a t i o nn o i s ec o n t r 0 1m e t h o d b a s e do nt h es t r u c t u r a l a c o u s t i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i sw a se f f e c t i v e k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；b o u n d a r ye l e m e n t m e t h o d ；n o i s ec o n t r o l ； s e n s i t i v i t y ；o i lp a n ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n v 摹于结构声学灵敏度的薄壳件辐射噪声控制研究 插图索引 图1 1 研究思路流程图9 图3 1 计算精度、计算时间和网格数量关系图一2 0 图3 2 某微型车发动机油底壳网格模型2 l 图3 3 油底壳第一阶模态云图2 2 图3 4 油底壳第二阶模态云图一2 3 图3 5 油底壳第三阶模态云图2 3 图3 6 油底壳第四阶模态云图2 3 图3 7 油底壳第五阶模态云图2 4 图3 8 油底壳第六阶模态云图2 4 图3 9 油底壳第七阶模态云图2 4 图3 1 0 油底壳第八阶模态云图2 5 图3 1 1 油底壳第九阶模态云图2 5 图3 1 2 油底壳第十阶模态云图2 5 图3 1 3 油底壳加载有限元模型2 9 图3 1 4 油底壳表面振动速度云图2 9 图3 1 5 油底壳表面振动速度云图3 0 图4 1 结构声压灵敏度计算流程图3 4 图4 2 油底壳网格模型3 5 图4 3 油底壳半球场点模型3 5 图4 4 域点在激励频率下的声压分布3 6 图4 5 声压对设计变量1 的灵敏度3 6 图4 6 声压对设计变量2 的灵敏度3 6 图4 7 声压对设计变量4 的灵敏度3 7 图4 8 声压对设计变量5 的灵敏度3 7 图4 9 声压对设计变量5 的灵敏度3 7 图4 1 0 声压对设计变量6 的灵敏度3 7 图4 1 l 声功率对设计变量1 的灵敏度4 0 图4 1 2 声功率对设计变量2 的灵敏度4 0 图4 1 3 声功率对设计变量3 的灵敏度4 1 图4 1 4 声功率对设计变量4 的灵敏度4 l 图4 1 5 声功率对设计变量5 的灵敏度4 1 v i i i 硕士学位论文 图4 1 6 声功率对设计变量6 的灵敏度4 1 图4 1 71 0 0 0 h z 时声功率对6 个设计变量灵敏度4 2 图4 1 81 5 0 0 h z 时声功率对6 个设计变量灵敏度4 2 图4 1 92 0 0 0 h z 时声功率对6 个设计变量灵敏度4 3 图5 1 基于结构声学灵敏度的辐射噪声优化流程4 5 图5 2 最小声压设计优化前、后域点声压对比4 9 图5 3 优化前油底壳半球场点辐射声压4 9 图5 4 模型1 优化后油底壳半球场点辐射声压5 0 图5 5 模型2 优化后油底壳半球场点辐射声压5 0 图5 6 轻量化设计优化前、后域点声压对比5 1 图5 7 轻量化设计优化后油底壳半球场点辐射声压一5 2 图5 8 多目标优化前、后域点声压对比5 3 图5 9 多目标优化后油底壳半球场点辐射声压5 3 i x 基于结构声学灵敏度的薄壳件辐射噪声控制研究 附表索引 表1 1 汽车加速行驶车外噪声限值3 表3 1 油底壳前1 0 阶固有频率2 2 表3 2 发动机振动频率分布2 6 表3 3 设计变量a 的模态灵敏度2 7 表3 4 设计变量b 的模态灵敏度2 7 表3 5 改变设计变量a 后的油底壳的l o 阶模态频率2 8 表3 6 改变设计变量b 后的油底壳的1 0 阶模态频率2 8 表4 1 峰值频率下的结构声压灵敏度声压级3 7 表5 1 最小声压设计油底壳结构参数优化结果4 8 表5 2 轻量化设计油底壳结构参数优化结果5 1 表5 3 多目标优化油底壳结构参数优化结果5 2 x 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 噪声是一类引起人们烦躁、或因为音量过强而危害人类生命健康的声音，当 噪声对人和周围环境造成不良影响时，这些噪声就形成了噪声污染。随着社会的 快速进步和经济的高速发展，人们的生活质量水平逐步上升，对噪声污染的关注 度也越来越高，噪声污染已上升为世界四大环境污染之一。1 9 9 7 年之前，很多发 达国家就已制定了有关噪声控制的管理体系，并通过法律来严格限制噪声产生的 污染。就在1 9 6 8 年，日本政府颁布了噪声控制法；中国在1 9 7 1 年，公开了噪 声环境的噪声标准以及特定工厂配套相关治理公害的法规条例【lj ；从1 9 6 9 年至 1 9 7 2 年间，美国政府颁布了噪声污染消除法、环境控制法和国家环境保护法等； 欧盟1 9 9 3 年成立，三年后便发表了绿皮书题目是未来噪声政策。 为了对噪声污染进行控制，保护生态环境和国民健康，促进社会和谐快速发 展，我国从1 9 9 7 年施行中华人民共和国环境噪声污染防治法【2 j 。该法规定： 国家会鼓励和支持有关防治环境噪声污染的科研工作与技术创新，并且强制要求 淘汰对环境污染较严重的落后设备。近年来，随着汽车行业的高速发展，机动车 辆数目迅速增加，使得交通噪声成为城市的主要噪声来源。汽车车外噪声对周围 环境产生严重污染，影响着人们的正常生活、学习和工作，而车内噪声则是影响 汽车乘坐舒适性和顾客选车、购车的重要参考依据。汽车噪声不仅是用户及汽车 厂关心的指标，也是国家噪声控制标准所限定的指标。许多国家都针对性的制定 了汽车噪声标准及测试规范。2 0 0 2 年，我国在机动车噪声允许标准g b l 4 9 5 - 1 9 7 9 p j 的基础上提出了g b l 4 9 5 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法1 4 j ， g b l 4 9 5 2 0 0 2 规定了汽车加速行驶车外噪声的限值和测量方法，明确了各类车辆 噪声值的范围，比g b l 4 9 5 1 9 7 9 更加严格和全面。新标准提出了更高的要求，促 使研究人员和生产厂家提高汽车的振动和噪声性能。 根据噪声的来源，噪声大致分为两类： ( 1 ) 结构辐射噪声，也就是通常所说由结构表面振动引起空气振动所产生的 噪声： ( 2 ) 空气动力噪声，是由流体流动过程中的相互作用，或气体和固体介质之 间的相互作用而产生的噪声。 人体对噪声的敏感程度与噪声的响度、频率等都有关，响度越小人越感觉不 到；不同频段的噪声对人体的影响也不相同。噪声的控制手段非常多，如附加阻 基于结构声学灵敏度的薄壳件辐射噪声控制研究 尼，增加吸声设备等，但最好的方式是从源头减小振动。进行结构声学性能优化 设计，改善结构表面振动特性，提高结构的声学性能是控制噪声最有效的途径。 在结构设计初期，主要是利用计算机仿真技术模拟现实中的噪声辐射工况， 并不断的重复“设计一仿真分析一优化设计 的过程，缩短产品开发周期，提高 产品的声学性能与市场竞争力。随着现代计算机技术的发展以及各种工程软件的 出现，计算机仿真技术得到迅速发展，仿真模型规模越来越大，仿真精度不断提 高。仿真分析己成为结构一声学性能优化的有效工具。 本文针对薄壳类构件进行结构声学性能优化研究，以某微型车的油底壳为实 例，基于结构声学系统分析的有限元法与边界元法，进行了结构声学灵敏度分 析，并在灵敏度分析的基础上对结构声学性能进行了优化设计研究。 1 2 课题研究背景及意义 噪声控制和声学设计是与人类生活、生产紧密相关的，也是工程界普遍关心 的问题之一。人类所处环境中的声音，大体分为乐音和噪声两大类。一种声音是 乐音还是噪声取决的不是它的频谱，而是个人的主观评价，即一切影响他人的声 音均为噪声，无论是音乐或是机械声等。从环境保护的角度看，凡是影响人们正 常学习，工作和休息的声音，或是人们在特定场合“不想要、不能要的声音 ，都 统称之噪声。例如工厂的嘈杂声，闹市的喧哗声，和马路上汽车的鸣笛声、尾气 排放声，各种突发的声响等，都被定义为噪声。噪声的主要来源是振动，人类周 围有各式各样的振动现象。某些振动会给人类或生物带来有害的影响，例如振动 会引起人类或动物体内器官的共振，从而导致疾病或病变的产生，严重时可以威 胁到其生命安全。一旦振动是以危害的形式存在，便成为了振动噪声污染，人们 必须对这种污染进行处理。 现代社会中的噪声污染主要有四大类：交通噪声、工业噪声、建筑噪声、社 会噪声。在工程领域中谈论得最多的是交通噪声，其包括机动车辆、船舶、地铁、 火车、飞机等发出的噪声，其中机动车辆中的汽车噪声是最受关注的。汽车在行 驶过程中产生大量的噪声，我国的小型汽车平均噪声级为8 2 9 0 d b a ，载重卡车、 公共汽车相对高一些，平均噪声级为8 9 9 2 d b a ，汽车的喇叭特别是气压喇叭噪 声则高达1 0 5 d b a 。在城市中行驶的汽车，经常遇到红绿灯、堵车，汽车启动、 制动时发出噪声的能量比正常行驶时高出7 倍。以中国规定的城市环境噪音标准 为依据，该噪音已远超过了标准。据上海市连续5 年的城市道路噪声监测资料反 映，城市交通噪音总量占到整个市区环境噪音总量的4 1 7 。随着现有汽车统计 的保有量迅猛上升，汽车噪声成为影响人类健康生活的一个重要因素。近些年来 国外有关汽车噪声的规定越来越详细，各项指标越来越严格，中国也颁布了新的 汽车行驶外噪声法规，并作为强制执行标准予以实施【4 】，参见表1 1 。 2 硕十学位论文 表1 1 汽车加速行驶车外噪声限值 m 2 ( g v m 3 5 0 t ) ，或 m ( g v m 3 5 0 t ) ： g v m 2 t 2 t g v m 3 5 t m 2 ( 3 5 t 5 t ) ： p 1 5 0 k w p 1 5 0 k w n 2 ( 3 5 t 1 2 t ) ： p 7 5 k w 7 5 k w p 2 t 时： 如果p 1 4 0k w ，p g v m 之 比大于7 5 k w t ，并且用第三档测试时其尾端出线的速度大于6 1 k m h ，则 其阻值增加1 d b ( a ) 。 汽车的噪声包括发动机噪声、轮胎路面噪声和传动机构噪声等。车辆行驶过 程中，发动机噪声是主要噪声源之一，随着噪声限值标准的提高必然要求生产更 安静的发动机。分析8 0 年代a v l 的统计数据，研究人员发现在标定工况下发动 机l 米处的声压级，与轿车或卡车行驶过程中产生的噪声声压级之间存在经验衰 减差值，即如果标定工况下距发动机l 米处的声压级控制在9 5 9 7 d b a 之内，汽 车就能满足9 0 年欧盟噪声法规r 5 i o l ，其中规定轿车和卡车噪声声压级分别低 于7 7 d b a 和8 3 8 4 d b a ，而为了满足9 6 年欧盟的噪声法规r 5 i 0 2 规定的轿车和 跎 黔 船 跖 罟昌 基于结构声学灵敏度的薄壳件辐射噪声控制研究 卡车噪声声压级分别低于7 4 d b a 和7 9 8 0 d b a 的要求，在采用所有降噪措施后， 标定工况下距汽车发动机l 米处声压级必须控制在9 3 9 5 d b a 内。2 0 0 2 年我国执 行的g b l 4 9 5 2 0 0 2 是依据欧盟9 0 和9 6 年的标准制定的，现在国内的生产厂家基 本都达到了此标准。车企为了提高自身产品的竞争力，必须为自己的产品注入更 多的生命力，使其具有更好的动力性以及更好的驾驶舒适性，汽车的噪声( n o i s e ) 、 振动( v i b r a t i o n ) 、声振粗糙度( h a r s h n e s s ) 性能被研究人员高度重视，高档轿车拥有 良好的动力性与安全性，同时也具有良好的n v h 性能。 发动机是汽车主要的振动源和噪声源之一，发动机的表面振动和辐射噪声不 仅向车外辐射声场，而且对车身结构件的振动和辐射噪声影响很大，研究人员对 内燃机的振动和噪声控制愈来愈重视【5 。6 】。在发动机表面辐射噪声中，薄壁构件( 包 括油底壳、缸盖罩、正时齿轮室盖等部件) 辐射噪声占相当大的比例，其中油底壳 的辐射噪声约占总辐射噪声的1 5 - - - 2 2 t 。有效控制油底壳的辐射噪声，对于 减小振动和降低发动机噪声水平具有重要意义。 对油底壳的辐射噪声进行有限元分析时，大多将油底壳视为薄壁结构。目前 国内外研究人员对薄壁构件的噪声预测已做了大量的研究工作，由于发动机激励 和噪声控制的复杂性，油底壳的低噪声设计大多采用“设计一虚拟样机虚拟试验一 修改”的虚拟设计流，而理论研究工作大都集中在“修改”这一环节。修改的依据主 要为频响函数、模态参数或噪声预测结果，修改的具体方法主要是修改薄壁构件 的形貌或结构参数，其中形貌优化大多是在结构刚度较差的部位加筋或者改变其 局部形状，所加筋的位置、局部形状样式的确定需要丰富的工程经验，而结构优 化往往通过优化薄壳厚度来实现。贾维新【8 j 以提高某阶模态频率为优化目标，对 油底壳进行形貌优化，改善了油底壳声学性能。梁兴雨【9 】通过分析油底壳结构刚 度，根据模态频率变化特点，改进了油底壳结构参数，降低了辐射噪声2 d b 左右。 葛蕴珊【lo 】通过有限元分析和模态试验的方法，对油底壳附加阻尼前后的自振特性 变化进行了研究，降低了油底壳辐射噪声。尽管以上文献对油底壳声学性能得到 了较好的优化结果，但是优化过程缺乏指导，油底壳参数的修改需依据经验制定， 修改位置和修改参数对修改结果的影响也不确定。针对这些问题，本文基于结构 声学灵敏度分析方法进行油底壳的低噪声设计 1 1 - 1 3 】。结构声学灵敏度是振动声学 指标对结构参数的变化率，该值对低噪声结构设计具有重要意义1 1 4 。1 7 1 。结构声学 灵敏度分析方法能快速准确地判断结构辐射噪声的主要影响因素。 本文以某微型车的发动机油底壳模型为例，在结构声学灵敏度分析基础上对 油底壳结构参数进行了优化，有效降低了油底壳在1 0 0 h z 、- - 2 0 0 0 h z 频带内的峰值 声压，从而降低了其辐射噪声。表明基于结构声学灵敏度分析方法的油底壳辐射 噪声控制方法能够在发动机设计阶段为油底壳低噪声设计改善提供指导，具有良 好的工程应用前景。 4 硕士学位论文 1 3 国内外研究现状及文献综述 1 3 1 薄壳件的辐射噪声控制研究 结构噪声问题按照辐射途径可以分为两类，直接向空气辐射的噪声和由于结 构振动最终通过外表面辐射的噪声。其中第二类被称为表面辐射噪声。辐射噪声 的表面一般都不是振动产生源，而是因为噪声辐射表面与振动源接触，结构振动 通过接触面传递到其表面产生辐射噪声。辐射表面一般是薄壳件，小尺寸的有发 动机气门室罩、变速箱盖、正时齿轮、油底壳；大尺寸的如汽车白车身、轮船夹 板等。这些薄壳件一般刚度相对较小，受到激烈振动时其响应剧烈。研究表明， 这些薄壳件是主要的表面辐射噪声源【l 引。因此，对薄壳件的振动、辐射噪声特性 进行深入、系统的研究，对降低其辐射噪声具有重要意义。 目前，对薄壳件辐射噪声的研究，国内外研究人员已做了许多工作，其方法 主要是实验研究方法和结构声学仿真分析方法。 ( 1 ) 通过实验研究薄壳件辐射噪声 在实验研究方面，主要针对的是噪声源识别问题，测试方法主要有近场声压 扫描法、铅覆盖法、声强测试法、表面振动速度测量法等【1 9 之0 1 。 近场声压扫描法是在振动表面附近测量其声压级，进而获得近场声压分布图 并计算得到线性声功率级。这种方法可以有效的测量出离传感器较近的声源，从 而估计其噪声级。该方法操作简单，但是由于无法隔离其他噪声源产生的噪声， 只能适合粗约的估计噪声源声压级。文献 2 1 】利用表面振动法和近场声压扫描方 法识别表面辐射噪声源，发现油底壳和缸盖罩等薄壁件是噪声的主要辐射部件， 是降噪的重点部位。 铅覆盖法是将被测结构用铅板密封，然后逐个暴露待测部位的振动表面，分 别测量其噪声级和声功率级。这种方法实际操作复杂、实验成本很高、测量效率 低，但是这种方法测量结果相对比较准确。文献 2 2 】以单缸柴油机为研究对象， 通过铅覆盖法、表面振动速度法、声强法等多种方法进行实验研究和数据分析处 理，识别了该柴油机的主要噪声源( 包括进排气噪声、齿轮室罩、机体、油底壳等) 及其对整机声功率的贡献量。 声强测试法是测量振动表面的声强值。根据声强测试原理，对封闭的测量表 面进行积分，可消除环境混响的干扰，在测量复杂声场时具有明显优势。文献 2 3 】 根据声强测试原理，应用b & k3 5 6 0 c 便携式振动与噪声测试系统中的声强测试 模块，对4 19 0 型柴油机的表面辐射噪声源进行识别。绘制了三维声强图，找出了 该发动机各个辐射面上的主要噪声源，并对其进行排序，分析了这些噪声源的产 生根源。 表面振动速度测量法是通过测量结构表面振动速度，再利用声学相关基础理 5 基于结构声学灵敏度的薄壳件辐射噪声控制研究 论，估算振动体表面声辐射情况。文献 2 4 】利用测振计算法，根据声压和振动速 度的相关性，通过近场测量声压和振动速度来计算出振动表面的辐射效率，并用 于计算发动机各振动表面的辐射声功率。 在不同的测试要求和不同的测试环境中，应使用不同的测试方法。近场声压 法测试过程简单，测试结果精度较低，只能用于对测试结果要求不高的近似性评 估；铅覆盖法比近场声压法测得的结果要准确一些，但是其测试过程复杂，测试 效率低，测量成本相对较高；声强测试法相对前面两种测试方法其优势在于复杂 声场的测试；表面振动速度测量法是通过间接的方式测得声学响应，其测试结果 准确，不存在其他辐射的干扰，但是测量过程比较复杂，对测试仪器要求比较高。 ( 2 ) 通过结构声学仿真研究薄壳件辐射噪声 通过结构一声学仿真技术控制薄壳件噪声的理论基础是结构声学数值分析方 法，目前用于求解结构声学问题的数值方法主要有两大类：离散方法和能量方法， 离散方法主要指有限元法( f e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 2 5 。3 0 1 、边界元法( b e m ， b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 3 1 d 4 1 ；能量方法主要指统计能量分析法( s e a ，s t a t i s t i c a l e n e r g ya n a l y s i s ) 3 5 - 3 7 和能量有限元法( e f e a ，e n e r g yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 3 8 - 3 9 。离散方法适用于中低频复杂结构振动与声幅射计算分析【4 0 1 ，能量方法多用 于求解复杂结构高频声振问题。 有限元法是一种用较简单的问题代替复杂问题的思路。该方法将复杂结构或 是连续的物质离散化，例如将结构弹性域和空气域离散化并用有限单元替代，再 结合力学理论和声学波动理论，以变分原理和插值函数为基础，得到计算机可以 解的结构声学耦合系统的矩阵方程，最后利用现代计算机技术求解矩阵方程，得 到结构弹性体和空气域中的振动和声场特性。g l a d w e l l 和z i m m e r m a a n 【4 1 l 首次建 立了结构声学理论的能量方程，利用余能定理推导了薄膜振动与声耦合和薄板振 动与声场耦合的理论表达式，成功将有限元法应用于声学领域。s h u k u 和 i s h i h a r a 4 2 】最先建立了按原始模型等比例缩小的车辆内部声场模型，用有限元方法 计算了内部声场的声学响应，并用实验进行了验证，率先将结构声学有限元法应 用到汽车设计领域。2 0 世纪8 0 年代以来，国内外学者在用有限元法分析处理结 构声学辐射噪声问题方面进行了深入地研究，有限元法得到了迅速的发展【4 4 1 。 文献【4 5 】针对某型铁路客车，应用有限元法在较低的频率范围内对客车车内的声 学特性进行了研究分析，在给定激励下，计算了客车车厢对其内部辐射的声场。 文献 4 6 】应用声固耦合理论对车身结构与车内噪声耦合进行了研究，为降低由结 构振动所引起的车内低频辐射噪声提供了结构修改和声学修改的依据。目前有限 元法理论己经成熟，能有效分析解决复杂结构内部低频声场问题。对大型复杂声 学问题，有限元模型自由度多，导致计算量大和计算时间过长，随着计算机技术 的高速发展，高速计算、大储存空间、小体积的计算机的出现，加上多种振动与 6 硕十学位论文 声学有限元分析前、后处理软件的问世，如n a s t r a n 、a n s y s 、a d i n a 和a b a q u s 等， 计算量大和计算时间过长的问题己逐步得到解决。 边界元法是在有限元法之后发展起来的一种有效的工程数值分析方法。它以 定义在边界上的边界积分方程为控制方程，采用格林公式将力学中的微分方程问 题转化为边界积分方程，再通过边界的离散化与待定函数的分片插值，将边界积 分方程化为代数方程进行求解。边界元法与基于偏微分方程的区域解法相比，因 为降低了数学模型中的维数，从而大大减少了问题的自由度数，同时边界的离散 也比局部区域的离散方便得多。由于边界元采用微分算子的解析基本解作为边界 积分的核函数，具有解析与数值相结合的特点，使其具有较高的精度。c h e n 和 s c h w e i k e r t l 4 7 最早将边界积分方程方法应用到声学系统中，根据结构的表面速 度分布来对结构进行声辐射预测。文献【4 8 】，【4 9 将等参单元引入边界积分方 程，推导出任意表面结构声辐射的计算表达式，显著提高了声辐射的计算效 率和精度。虽然边界元法的出现要比有限元法晚十年，但目前其在辐射噪声控制 方面的应用已经非常广泛【5 叭，国内外学者进行了大量研究工作，主要应用领域有： 内燃机噪声预测、船舶工程、水声学、车辆工程等。文献【5 1 】通过改进消声器的 物理模型，根据间接边界元法利用s y s n o i s e 对其内部辐射声学问题进行了数值计 算，并对计算结果与试验结果进行了比较分析，分析结果表明：改进后的消声器 由于加入了穿孔管结构，并在内插内壁安装吸声材料，从而形成阻抗复合消声器， 可有效增加声波的反射和声能的损耗，改善消声性能。文献【5 2 提出了分析内燃 机排气消声器内二维辐射声场的有效方法，采用二维坐标将声压作为未知参数， 建立了排气消声器二维声学边界元模型并应用于4 9 2 q 汽油机消声器，计算的插 入损失与实测结果具有很好的一致性，表明二维辐射声学边界元模型能有效用于