杨　杨，陆森林

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江　212013)



车内噪声的数值化分析与降噪设计

杨杨，陆森林

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江212013)

针对一般腔体结构的内部声场公式，利用有限元法得到声压响应幅度判定参数的计算公式。以某客车车身结构和声腔有限元模型为例，计算得到低频结构车身顶棚的声压响应幅度判定参数。为降低车身顶棚的声压响应幅度判定参数，提出车身顶棚的改进方案。利用声学软件计算改进前后的车身车内噪声，并分析驾驶员和前3排乘客场点处的声压级曲线。结果表明：通过计算顶棚声压响应幅度判定参数以降低车内噪声的方法是可行的。

客车车身；声压响应幅度判定参数；有限元方法；声压级曲线

目前，车内的噪声水平决定了驾驶员和乘客的乘坐舒适性，成为评价车辆乘坐舒适性的重要指标之一[1-4]。目前，国内外对车内噪声的研究方法包括实验法和CAE法两种。实验法通常采取铺设隔声吸声材料、涂装阻尼、添加结构加强筋等措施以降低车室内的低频结构噪声。CAE法的特点是：在产品成型或制造前，通过相关软件分析出车身结构的薄弱环节，然后进行结构优化。该方法可以缩短产品上市周期，节约大量生产成本。

有研究指出，对于一般腔体的无声源内部声场表达式，可以通过对整个车身的声压响应幅度判定参数幅值进行分析，以达到降低车内噪声的目的[5]。这种方法的优点在于将降噪设计和有限元法相结合，将车身的噪声问题转化为有限元模型节点的计算问题，但其计算量太大。若能对此判定参数进行分块处理，则可以大大减少工作量，即通过降低车身某部分的声压响应幅度判定参数，以及声压贡献值，达到整体车内噪声下降的效果。因此，以计算车身顶棚声压响应幅度判定参数为例，提出车身顶棚改进策略，并分析车身改进前后7个场点处的声压级曲线，证实这种采用局部计算声压响应幅度判定参数以达到降低车内噪声的思路是比较合理的。

1　车身有限元模型

在CATIA中建立客车白车身模型。模型应能反映结构力学特性，以及车身结构的实际形状和相互间的搭接关系。模型忽略尺寸较小的圆角、倒角、圆孔以及一些非承载件等[6]。将装配完成的模型以“.IGS”格式导出，并由Hyper mesh软件导入，对白车身进行几何清理。采用40 mm的shell63单元划分网格。车身主体的单元厚度为2 mm，如车架、顶棚加强筋等，其他部件单元厚度为1 mm。赋予车身材料和属性，运用rigid命令建立点焊连接，单元数量为37 177个，节点数量为36 286个。

将结构有限元模型导入Hyper mesh中，运用ruled命令对白车身单元进行封闭处理，再利用Hyper mesh中的NVH模块提取车身结构内壁与空气接触的表面构成封闭的声学空腔[7]，快速生成白车身的声学模型。在划分网格时，采用六面体和四面体混合单元网格划法，单元的大小要求不大于计算频率最短波长的1/6[8]，即单元长度L满足式(1)。

(1)

考虑局部结构和声腔节点的对应关系，声腔模型的单元网格亦取40 mm,划分单元16 4681个。所得结构和声腔有限元模型如图1所示。

图1　车身有限元模型

2　一般腔体内部声场公式分析

2.1一般腔体内部声场解析式

(2)

其中：p(r)为极坐标下系统内部点r处的声压；ρ0为常温空气密度；c0为常温空气声速；S为结构声腔接触的表面积；F为外界激励力；n和p分别为声腔和结构的模态阶数；Cnp为声腔第n阶模态和结构第p阶模态的振型耦合系数；Fnp为声腔第n阶模态和结构第p阶模态的频率重叠系数；ψn(r)声腔振型在响应点处的分量；φp(ρ)为结构振型在激励点处的分量；Λn为声腔第n阶模态质量参数；Λp为结构第p阶模态质量。

将式(2)由极坐标转换到笛卡尔坐标系中，有振型耦合系数和频率重叠系数表达式如式(3)、(4)所示。

(3)

(4)

将振型耦合系数、频率重叠系数以及激励点处的结构振型分量三者的乘积幅值作为车内噪声声压响应幅度判定参数[9]。激励点处的结构振型分量由模态振型可得，记为phis。

2.2振型耦合系数分析

由于研究的车身形状为不规则形，运用有限元的方法，将振型耦合系数转化为关于有限元模型节点的函数，得到振型耦合系数近似解[10]。假设式(3)中的dx=lsx/q1,dy=lsy/q2，其中q1和q2分别为两条积分边lsx和lsy上的总段数，并将式(3)转化为离散的求和表达式：

(5)

利用有限元自由模态分析结果，可以得到耦合面上声腔和结构模态振型在各个节点上的分量，因此，将结构和声腔的模态振型函数转换为以节点编号为自变量的函数：

(6)

我的身体太摇晃了，除了尽力躲开他我什么都做不了，在场上允许的范围里，能躲多远就多远。他冲了过来，狠狠踢向我的腹部，这一脚把我肺里的空气都逼了出来，很疼。也许是太疼了，也许是因为被踢了一脚，我感到无法呼吸，到底是什么原因说不清，只是倒在地上。

2.3频率重叠系数分析

3　声压响应幅度判定参数的计算

3.1振型耦合系数计算

在ANSYS中分别对车身结构和声腔模型进行自由模态分析。结构自由模态分析采用兰索法(Block Lanczos)[11]，声腔自由模态分析采用非对称法。对车身结构模型求解,导出顶棚耦合面上各个节点的前200阶模态的第p阶固有频率和第p阶固有振型。对车身声腔模型求解,导出顶棚耦合面上各个节点前20阶模态的第n阶固有频率和第n阶固有振型在XY平面内的振型分量。

利用式(5)，通过Matlab编程计算出振型耦合系数，其数值有正有负，正负号仅代表方向。从计算结果发现，对于顶棚模态振型很小的阶数，其振型耦合系数也很小。图2中仅列出40阶顶棚模态振型较大的振型耦合系数幅值结果。

3.2频率重叠系数计算

计算频率重叠系数时，需要激励力的频率数值。车身在运动过程中承受着来自发动机和路面等激励作用。以发动机激励为例，通过分析车身顶棚在发动机激励下的受迫振动响应曲线，找到具有代表性的发动机激励力圆频率点，此圆频率点应是引起较大车内声压值的发动机激励频率。在车身发动机悬置点定义发动机激励，响应点定义为车身顶棚前部和后部中点，运用Virtual.Lab软件分析得到频率区间在20～100 Hz下的顶棚受迫振动响应曲线，如图3所示。

图2　改进前振型耦合系数

图3　顶棚受迫振动响应曲线

由图3可见：在发动机激励频率为36，78 Hz等时顶棚有较大的振动。限于篇幅，取发动机激励力频率为36 Hz，通过式(4)计算频率重叠系数，并对这些数据取幅值，结果如图4所示。频率重叠系数的峰值出现在结构第41阶模态、声腔第2阶模态处，此处结构模态固有频率、声腔模态固有频率与发动机激励频率最接近。

3.3声压响应幅度判定参数计算结果

已知振型耦合系数结果、频率重叠系数结果和结构在激励力点处的振型分量，最终得到顶棚声压响应幅度判定参数，如图5所示。从图5中发现：频率重叠系数对声压响应幅度判定参数有很大影响，决定了判定参数的整体基本变化趋势，但在判定参数峰值区域，振型耦合系数起到了关键作用，使得判定参数趋于无规律的变化。

图4　改进前频率重叠系数

图5　改进前声压响应幅度判定参数

4　车身顶棚改进方案

声压响应幅度判定参数由结构振型函数、声腔振型函数、结构固有频率、声腔固有频率以及激励力频率等因素决定。结构固有频率、声腔固有频率以及激励力频率在改进前后的变化不大。因此，可以通过减小结构振型函数和声腔振型函数来降低声压响应幅度判定参数的数值。考虑到车身结构已经成形，通过改变声腔形状降低声腔振型函数的方法不容易实现。因此采取提高车身结构刚度的方法来降低车内噪声，而改变结构刚度可以通过在结构壁板上增加加强筋来实现。因此，考虑改变结构刚度以降低结构振型函数，从而达到降低声压响应幅度判定参数的目的。

具体方法：对顶棚上横梁的数量和分布情况进行调整。如图6所示，将顶棚左端起第2根梁前移，第5根梁后移，并在第2、3根梁中间增加1根梁，第5、6根梁中间增加1根梁，使得改进后的前4根梁间距、后4根梁间距相等。

图6　改进前后的车身顶棚

对改进后结构进行模态分析，得到结构前200阶模态固有频率和振型。同样计算得到改进后40阶顶棚振型较大的振型耦合系数值、发动机激励频率为36 Hz时的频率重叠系数以及声压响应幅度判定参数，见图7。

通过与改进前各参数的比较，改进后顶棚的振型耦合系数有所下降，而频率重叠系数有所变化，因此声压响应幅度判定参数也有所下降。

5　改进前后的噪声分析

在声学软件Virtual.Lab中进行发动机激励下的耦合车内噪声分析，车身结构和声腔模型应含有模态信息。为降低车身内部声场，在车身结构上定义阻尼层以及多孔材料参数，在声腔包络面上定义吸声系数。场点采用驾驶员和6位乘客的右耳耳旁网格，声压级采用A计权标准。分析得到了顶棚改进前和改进后各场点的声压级曲线,如图8所示。

从声压级曲线进行分析，得到各频率下声压级的变化：从声压级曲线的局部进行分析，改进后各场点处的峰值都有下降，其中在前排乘客右侧场点处最大下降了6.16 dB；但在80Hz附近，中排左侧乘客场点处的声压值略有增加；车内声压较大值多出现在频率40 Hz附近和频率80 Hz附近，与图2中顶棚的受迫振动响应曲线在这2个频率点附近有较大振幅的情况相吻合。从声压级曲线总体上分析，在声压值较小的频率区间里，改进前后的声压级数值有升高也有降低，这是因为改进前后车身的固有频率发生了变化，声压级曲线的增减趋势也发生了改变，但改进后声压级曲线多处于改进前曲线下方。

图7　改进后各参数结果

图8　改进前后场点处声压级曲线

6　结束语

对于一般腔体结构，可以用声压响应幅度判定参数来表征其内部声场情况，计算声压响应幅度判定参数可以达到对内部声场的数值化分析效果，直观地反映出车内声场与声固耦合模型模态之间的内在联系。但计算整车的声压响应幅度判定参数计算量过大，故考虑只计算车身某部的判定参数。

通过车身局部部件的声压响应幅度判定参数有限元计算分析车身声固耦合作用，减小了计算的工作量。通过改进顶棚结构，最终降低了顶棚的声压响应幅度判定参数幅值。

从声压级曲线的分析中可以发现：大部分声压级都有所降低，个别频率点上的声压级略有升高。说明对车身顶棚的改进方案可行，也说明在本例中，通过计算车身局部部件的声压响应幅度判定参数分析车内噪声情况具有一定的理论指导作用。

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[2]胡远志, 雷雨, 郑光泽,等. 车身密封性对车内噪声的影响[J]. 重庆理工大学学报(自然科学), 2014(9):1-6.

[3]夏勇, 邹波, 贺才春,等. 某城市客车车内噪声试验与治理[J]. 客车技术与研究, 2015(3):59-62.

[4]康强, 左曙光, 韩惠君. 汽车空调系统离心风机气动噪声数值计算[J]. 江苏大学学报(自然科学版), 2013, 34(1):1-6.

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(责任编辑刘舸)

Numerical Analysis and Design to Lower Vehicle Interior Noise

YANG Yang, LU Sen-lin

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In view of the general formula for the internal sound field of a ruled structure, calculation formula for determinant parameter of sound pressure response level was derived using FEM (finite element method). Taking the structure and acoustic infinite model of a passenger car body as an example, the determinant parameter of the roof part in the low frequency body was calculated. In order to decrease the determinant parameter, an improvement program of the car body was provided. The interior noise of both the original body and the improved body was calculated using acoustic software. The sound pressure level curves for driver and passengers in first three rows were analyzed. It was confirmed that the solution to achieve interior noise reduction based on calculation of determinant parameter of sound pressure level of the roof part was feasible.

car body; determinant parameter of sound pressure response level; finite element method; sound pressure level curve

2015-05-18

江苏省自然科学基金资助项目(BK2009212)

杨杨(1990—)，男，江苏徐州人，硕士，主要从事车辆振动噪声控制方面的研究，E-mail:15862227665@163.com; 陆森林(1957—)，男，江苏江阴人，博士，教授，主要从事车辆振动噪声控制方面的研究。

format：YANG Yang, LU Sen-lin.Numerical Analysis and Design to Lower Vehicle Interior Noise[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):26-32.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.004

U461;TB532

A

1674-8425(2016)09-0026-07

引用格式：杨杨，陆森林.车内噪声的数值化分析与降噪设计[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(9):26-32.