（光学工程专业论文）电动汽车内噪音的分析与控制.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 期：丝! ! ：? ! 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ( 捌：哮勇! 誊笔g 巴 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 l i i i1 11 1111i 1 1 1 1i iii iil 18 8 0 3 3 5 随着能源问题的日益突出，我国正大力发展电动汽车产业。电动汽车在噪声 方面有着先天优势，但这并不意味着设计人员就不用在这方面做研究。现阶段电 动汽车的设计主要是沿用内燃机汽车的相关结构与参数或经验去设计，几乎没有 针对电动汽车的噪声理论与指导。然而电机和内燃机在动态特性和噪声特性方面 有较大区别，使电动汽车在某些工作环境下并不具有绝对的优势，所以电动汽车 的噪声性能也需要特别的关注。另外，由于当前电动汽车在这方面的重视程度不 够，导致现阶段的电动汽车在噪声的控制方面并不理想。因此，随着我国电动汽 车产业逐渐从设计阶段到批量生产阶段过度，对电动汽车的噪声分析和控制就显 得尤为急迫与重要。 本文以k k - 6 0 e z 电动汽车为研究分析对象，应用有限元数值分析、边界元 法和声学c a e 等先进技术，参考国内外电动汽车噪声控制方法，在国内外噪声 数值分析研究现状的基础上，探讨对电动汽车车内低频噪声进行分析的方法，研 究其影响因素和控制措施，从而为该车低频噪声改进设计提供理论支持，提高其 车内噪声品质；另一方面，也试图探索出一套完善的针对电动汽车车内低频噪声 的分析与控制方法。文章的主要内容包括： ( 1 ) 建立白车身结构有限元模型和车内空腔声学模型，并对其分别进行结 构模态分析和声学模态分析，并对每一阶的模态频率与振型进行了说明，为后面 的噪声控制提供了准备。 ( 2 ) 对电动汽车的振动源和噪声源进行了分析，并分析了在电机振动和路 面激励下的车内声场分布，以及了解了驾驶员右耳和后排乘员右耳处噪声值随振 动频率的变化特性；并分析了车身各壁板对车内主要场点的声学贡献量，明确了 各个壁板对主要场点的声学贡献量，为下一步通过结构的改进来控制噪声提供了 指导意义。 ( 3 ) 对车内噪声的传播途径进行了分析，基于前面部分的各种理论研究和 成果，针对各种不同噪声和振动提出了不同的控制方案；对车身结构进行适当修 改以减小车内噪声与振动，并对改进后的车内噪声进行了仿真，得到了较好的效 果。 关键字：车内噪声，模态分析，声场分布，声学贡献量，噪声控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a se n e r g yi s s u e sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，o u rc o u n t r yi sd e v e l o p i n ge l e c t r i cv e h i c l e i n d u s t r y e v 但l e c t r i cv e h i c l e ) h a si n h e r e n ta d v a n t a g e si nn o i s yp e r f o r m a n c e ，b u tt h a td o e sn o t m e a nt h a td e s i g n e r sd on o tn e e dt od or e s e a r c hi nt h i sa r e a r e c e n t l yt h ed e s i g no fe v m a i n l y r e f e r t h ev e h i c l e so fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei ns t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so rt h ed e s i g n i n ge x p e r i e n c e ， a n da l m o s th a sn o t h i n gi nn o i s et h e o r ya n dg u i d a n c ef o re l e c t r i cv e h i c l e s h o w e v e r , t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dn o i s ec h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h em o t o ra n di n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sh a v e m u c hd i f f e r e n c e ，s ot h a ti ns o m ec i r c u m s t a n c ee vd o e sn o th a v ea na b s o l u t ea d v a n t a g e s ot h e n o i s yp e r f o r m a n c eo fe l e c t r i cv e h i c l e sa l s on e e ds p e c i a la t t e n t i o n h o w e v e r , t h ec u r r e n te vi sn o t e n o u g he m p h a s i z e di nt h i sa r e a ，r e s u l t i n gi ne va tt h i ss t a g ei sn o tv e r yi d e a li nt e r m so fn o i s y c h a r a c t e r i s t i c s n 峨w i t ht h ei n d u s t r yo fe vg r a d u a l l yf r o mt h ed e s i g n i n gs t a g et om a s s p r o d u c t i o ns t a g ei nc h i n a ，t h ea n a l y s i sa n dc o n t r o lo fn o i s ei ne vi sp a r t i c u l a r l yu r g e n ta n d i m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , k k - 6 0 e ze l e c t r i cv e h i c l ei sa n a l y z e d ，a n da p p l i e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o da n da c o u s t i cc a e ，a n dr e f e r e dd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ln o i s yc o n t r o l m e t h o d e lo fe v , d i s c u s st h ea n a l y s i sw a yt ot h el o wf r e q u e n c yn o i s eo fe v , a n di t si n f l u e n c e f a c t o r sa n dc o n t r o lm e a s u r e s ，s oa st op r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rd e s i g no fr e d u c e i n gt h el o w f r e q u e n c yn o i s eo ft h ee v , a n di m p r o v et h eq u a l i t yo fi t si n t e r i o rn o i s e ；t h eo t h e rh a n d ，it r i e dt o e x p l o r eas e to fp e r f e c ta n a l y s i sa n dc o n t r o lw a y t ot h el o wf r e q u e n c yn o i s ei n s i d et h ee v t h e m a i nc o n t e n t so ft h ea r t i c l e ： ( 1 ) t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ew h i t eb o d ys t r u c t u r ea n dt h ea c o u s t i cm o d e l so ft h ee v c a v i t yw e r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h e i rs t r u c t u r a la n da c o u s t i cm o d a la n a l y s i sw e r ec a r r i e do u t ，a n dt h e m o d a lf r e q u e n c yo fe a c ho r d e ra n dm o d es h a p e sa r ed e s c r i b e d ，a n di tp r o v i d e db a s i sf o rt h el a t e r n o i s yc o n t r 0 1 ( 2 ) t h es o u r c eo ft h ev i b r a t i o na n dn o i s es o u r c e so fe va r es u m m e du p ，a n da n a l y s i st h e a c o u s t i cr e s p o n s eo fe vi nt h es t i m u l a t i o no fv i b r a t i o no ft h em o t o ra n dr o a d ，f i n do u tt h ec h a n g e d c h a r a c t e r i s t i c so fn o i s el e v e li nt h er i g h te a ro ft h ed r i v e ra n dr e a rp a s s e n g e ra st h ev i b r a t i o n f r e q u e n c y ；a n da n a l y s e dt h ea c o u s t i cc o n t r i b u t i o no ft h eb o d yp a n e lt ot h em a i nf i e l dp o i n t ；a n d p r o v i e dt h es i g n i f i c a n c ef o rt h ec o n t r o lb yi m p r o v i n g t h es t r u c t u r e ( 3 ) t h et r a n s f e ro fn o i s ei nc a v i t yi sa n a l y z e d ，b a s e do ns t u d i e sa n dr e s u l t so fv a r i o u st h e o r i e s a b o v e ，1p r o p o s e dav a r i e t yo fc o n t r o l l i n gw a yt od i f f e r e n tn o i s ea n dv i b r a t i o n ，a n dc a r r i e do u t s o m ea p p r o p r i a t ec h a n g e st ot h eb o d ys t r u c t u r et or e d u c en o i s ea n dv i b r a t i o no fe v , a n dd ot h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 s i m u l a t i o nf o rt h ei m p r o v e dc a v i t yn o i s e ，a n dg o tg o o dr e s u l t s k c 严o r d s ：t h ei n t e r i o rn o i s e ；m o d a la n a l y s i s ；s o u n df i e l dd i s t r i b u t i o n ；a c o u s t i cc o n t r i b u t i o n ； n o i s yc o n t r o l l 武汉理1 = 大学硕士学位论文 目录 摘要l a b s t r a c t i i 目录i v 第1 章绪论1 1 1j ；l 言1 1 2 电动汽车噪声与振动的特点1 1 3 电动汽车与传统汽车在有关噪声与振动方面的结构区别2 1 4 电动汽车车内噪声组成3 1 5 国内外研究状况4 1 6 本论文研究思路及内容5 第2 章声学理论基础6 2 1 声音的产生及其传播6 2 2 声压、声功率和声强6 2 3 声学方程7 2 3 1 运动学方程8 2 3 2 连续性方程9 2 3 3 声波物态方程9 2 3 4 声波方程9 第3 章模态分析1 1 3 1 白车身结构模态分析1 1 3 1 1 车身结构模态分析的重要性1 1 3 1 2 结构模态分析的基本理论1 1 2 1 3 建立有限元模型的要点1 2 3 1 4 建模软件的介绍1 3 3 1 5 车身结构有限元模型的建立与分析1 4 3 2 车室空腔声学模态分析1 8 3 2 1 声学模态的有限元分析1 8 3 2 2 声学建模软件的介绍1 9 3 2 3 声学有限元建模原则1 9 3 2 4 车室空腔声学有限元模态分析2 0 3 - 3 本章小结2 5 第4 章车内声场动态响应分析2 6 4 1 电动汽车的激励源2 6 4 1 1 电机的振动。2 6 4 1 2 路面不平度导致的振动2 7 4 1 3 其他激励源2 7 4 2 车内频率响应分析2 7 4 2 1 频率响应的概念2 7 4 2 2 声学边界元的原理2 8 4 2 3 声学边界元模型中边界条件的建立3 0 i v 武汉理工大学硕上学位论文 4 2 4 车内空腔声场的计算3 0 4 3 本章小结。3 4 第5 章声学贡献量分析。3 6 5 1 声传递向量分析3 6 5 1 1 声传递向量分析的原理。3 6 5 1 2 声传递向量的仿真分析。3 7 5 2 单元及面板声贡献量分析3 9 5 2 1 单元声贡献量原理3 9 5 2 2 单元声贡献量仿真分析4 0 5 2 3 车身板件声贡献量仿真分析4 3 5 3 本章小结4 5 第6 章车内噪声的控制。4 6 6 1 电动汽车的噪声源分析与传播途径4 6 6 1 1 驱动电机的噪声4 6 6 1 2 轮胎一路面噪声4 7 6 1 3 传动系统噪声4 7 6 1 4 空调风扇的噪声4 8 6 1 5 车身噪声4 9 6 1 6 其他噪声4 9 6 2 车内噪声控制原理与方法4 9 6 2 1 降低噪声源的强度5 0 6 。2 2 隔绝传播途径5 0 6 2 3 吸声处理5 1 6 3 车内噪声的改进5 2 6 3 1 钣金件冲压加强筋5 2 6 3 2 粘贴阻尼片5 4 6 3 3 增加吸音材料5 6 6 4 本章小结5 8 第7 章总结与展望。5 9 7 1 全文总结5 9 7 2 展望6 0 致谢6 1 参考文献6 2 攻读硕士期间发表的论文6 5 v 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 首先要了解何谓噪声? 从声学角度而言，噪声就是人们不需要的而被强迫吸 收的声音；从物理学角度而言，噪声是无规律、不协调的声音，即声强和频率都 无规则的声波杂乱混合的声音。噪声对人的生活、工作、健康等影响很大。经过 长期的噪声试验研究，噪声强度越大和频率越高，对人的危害性越大，当噪声达 到一定程度时，轻者可导致暂时性听阈偏移，重者可导致噪声性听力损伤甚至噪 声性耳聋【2 】。另一方面，噪声对环境的影响也是日益突出，并且已将噪声污染、 水污染和大气污染并成为当代环境的三大污染。可见，减小和控制噪声对人和社 会的意义重大。 作为主要的噪声来源的汽车，不仅对车内乘员的影响明显，而且给车外的行 人和路边的生活小区也带来了噪声污染。减小汽车的噪声和对人的影响也变得越 来越强烈，而且受到大众的普遍关注。传统汽车的噪声来源主要是发动机噪声、 进排气噪声、散热风扇噪声、传动系统噪声、路面轮胎噪声、车身振动噪声和风 噪纠川。而本文讨论的电动汽车噪声要比传统汽车噪声在一般工况下减小了很 多，特别是没有了发动机噪声和进排气噪声这两大主要噪声，但在某些状况下由 于电动汽车驱动电机的特殊性，电动汽车噪声并不会比传统汽车噪声小，如果设 计不当或不充分进行噪声控制，有可能电动汽车的噪声会比传统汽车更大，噪声 品质更差。 总的来说，纯电动汽车在噪声方面具有较大的优势，但在部分工况下，尤其 是在高负载和高转速的情况下，噪声问题比较突出，并降低了电动汽车的乘坐舒 适性1 4 1 。然而，现在对电动汽车噪声研究得较少，也不够重视，大部分都是沿袭 内燃机汽车的控制方式与设计方式，导致电动汽车的噪声问题被一直忽视。本文 就电动汽车的噪声进行了研究，并基于研究和分析提出一些设计和控制方法，为 电动汽车的降噪设计提供了方便与参考。 1 2 电动汽车噪声与振动的特点 ( 1 ) 整车的质量比内燃机汽车有较大提高，局部结构承受量明显增加，导 致振动和噪声的性质有所变化。比如电动汽车的动力蓄电池及支持系统的质量比 几个发动机的质量还大，通常采用较硬的弹性连接甚至刚性连接于车身的安装结 构是不能满足电动汽车结构要求的。另外，由于质量较大以及固定位置的布置， 对整车的模态特性也具有较大影响。因此，需要提高整车车身结构刚度和连接处 武汉理工大学硕士学位论文 的刚度，否则会出现严重的接触面和连接处摩擦异常等噪声问题。 ( 2 ) 由于整车内外声学环境的噪声趋于减小，导致整车声学特性的变化【2 1 】。 原来内燃机汽车对车内外噪声贡献最大的发动机以及进排气系统被取消，而路面 激励引起的噪声以及轮胎噪声等仍将保留，将会使车辆行驶和怠速时的主要噪声 源营造的本底噪声降低，这是电动汽车整车噪声水平较低的根本原因所在。但是， 噪声水平的降低与特性的改变，将会使电动汽车各个噪声源对整体噪声的贡献量 发生较大的改变，从而对电动汽车车内噪声的分析与控制方式产生较大影响。 ( 3 ) 对电动汽车各种噪声传递途径的要求提高。电动汽车的振动源和噪声 源比较分散的特点，导致对车身结构的局部刚度和阻尼特性提出更高的要求，同 时对电机悬置和支承等也要提出更高的要求，并且不利于像内燃机汽车那样采用 带有副车架的二级隔振系统解决整个动力和辅助装置的宽带振动和噪声问题。另 外，电动汽车上的各种电机产生高频的电磁噪声，加上电动汽车线束系统数量多， 分布区域广，需要大量的间隙或者空洞走线，这对于隔离高频噪声形成较大的难 度。 ( 4 ) 瞬态冲击振动问题和高频噪声比较突出。电动汽车的驱动电机运行转 矩波动比较小，但是启动速度比较快，转矩响应的变化率就较大，所以要求电机 的悬置系统的抗瞬态冲击能力要较好；各种辅助系统的电机系统也会经常地启动 与停止，瞬态振动和噪声问题需要引起重视。电动汽车上各种电机发出的高频电 磁噪声，以及各种功率控制器件也会发出高频率的噪声，在人类听阈上限附近或 者更高的频率范围内对人体产生影响，对于器件来说是电磁兼容问题，对于乘客 和车外人员而言就是如何控制高频电磁环境污染和伤害的问题。 1 3 电动汽车与传统汽车在有关噪声与振动方面的结构区别 电动汽车与传统内燃机汽车在结构上明显的不同导致了它们二者在噪声和 振动方面也就存在着明显的不同，主要有如下几个方面： ( 1 ) 动力系统方面：动力输出方面：传统汽车利用内燃机进行驱动，电 动汽车利用电机进行驱动；能源供给方面：传统汽车使用装着燃油的燃油箱， 而电动汽车是重达几百千克的蓄能电池；传动装置方面：内燃机的转速范围比 较窄，所以需要档位较多的变速机构，而电动汽车的驱动电机转速范围较宽，甚 至可以不需要变速机构进行调速。 ( 2 ) 车身与底盘系统方面：由于电动汽车的蓄电池具有较大质量，且其分 散地安装在车身各处，导致车身的前后载荷分布有较大变化，从而使车身刚度和 底盘零部件的设计发生变化，最终也就使车身上的噪声和振动与传统汽车有较大 区别。 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 辅助系统方面：辅助系统主要是指那些传统汽车上需要内燃机工作提 供动力的装置( 如空调压缩机，转向系统的助力泵，制动系统的真空助力泵等) ， 在电动汽车上，这些辅助机构所需要的动力都来自于动力电池的低压电路，而且 要增加各种电机，这样各种电机的噪声与振动也给车内噪声带来了较大的区别 s o l o 1 4 电动汽车车内噪声组成 车内噪声是衡量汽车乘座舒适性好坏的重要因素之一，噪声过大不但会在各 方面影响乘员身心健康，容易使驾驶员疲劳，而且还可能会诱发不可想象的交通 事故，造成人员伤亡。当前，如何通过各种方法来降低车内噪声水平，改进车内 声学环境，提高车辆乘座舒适性已越来越受到大众的关注。 电动汽车车内噪声主要来源于驱动电机噪声、控制器噪声、空调风扇噪声、 辅助电器电机噪声、传动系噪声、路面轮胎噪声、车身振动噪声及风噪声【加1 。 这些噪声源主要通过空气传播和结构传播两种途径传入车内，其中空气传播是指 车外的各种噪声源通过门窗上所有的孔、缝、车厢壁板( 包括项盖、地板和四周 的壁板) 直接传入车厢内，这一部分噪声称为空气声；结构传播是指各振动源( 电 机、路面不平引起的振动、传动系统的振动) 通过悬架传递给车身，使车身板件 振动从而向车内辐射噪声，这部分噪声称之为固体声。试验研究表明：8 0 0 h z 以 上的中高频噪声( 如风噪声、电磁噪声等) ，主要以空气传播方式传入车内；而 4 0 0 h z 以下的中低频噪声( 如结构振动噪声、路面噪声等) ，则主要是以结构传 播方式传入车内。 电机的电磁噪声主要是定子铁心产生的振动变形的径向分量导致的，通过空 气向车内传播；电机的机械噪声主要有轴承噪声，转子动不平衡力产生的振动及 噪声，通过结构或空气向车内传播；空调风扇产生的旋转噪声和涡流噪声通过空 气向车内传播，机械振动则以结构传播向车内辐射噪声；悬架系统由于面激励导 致振动，再将这些振动以结构传播的方式向车内辐射噪声；传动系的齿轮、轴承、 半轴等产生的噪声也是通过空气和结构向车内传播；在汽车高速行驶时，空气对 车身的摩擦产生摩擦噪声则主要是通过空气传入车内【8 】。其噪声路径图如图1 - 1 所示： 3 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 噪声路径图 就车身而言，它并不是完全被动地接收外界的噪声与振动。车身结构的固有 频率、振型、阻尼等模态参数，对车内噪声有着重要的作用，可以通过对这些参 数进行改进和优化设计使得车内噪声降低。本文也主要从这方面入手，对车内噪 声进行分析与控制【2 1 。 1 5 国内外研究状况 我国在汽车噪声方面的研究起步比较晚，但由于注重借鉴和吸收国外的研究 成果，已经取得很大进展，但仍主要集中在内燃机汽车领域，对电动汽车系统的 研究颇少。北京理工大学的王再宙等人，通过对电动汽车的电机结构分析，提出 了针对减小电动汽车电机噪声的方式来降低电动汽车的噪声；哈尔冰工业大学的 崔颖采用断电法研究电磁噪声与机械噪声的比例，使电机避免电磁共振和降低电 磁噪声，从而降低电动汽车的噪声：吉林大学的赵彤航用传递路径的理论从结构 传播噪声和空气传播噪声入手建立了整车车内噪声分析模型；重庆理工大学的鲍 春燕应用有限元数值分析、边界元和声学c a e 等技术，探讨对车内低频传播噪 声的分析预测方法，从而为降低车内噪声的改造设计提供理论支持；吉林大学的 杨博应用数值模拟与风洞试验相结合的方法系统的研究了汽车外部空气动力噪 声特性；吉林大学的谢军通过建立假人头模型和听觉外周计算模型，探讨了一种 声品质客观评价的有效方法。 国外在车内噪声的技术方面已经比较成熟，广泛应用计算机与数值计算相结 合的方法，结合先进的试验方法，已在噪声研究方面形成了比较完善的理论体系。 如随着计算机的发展，用有限元方法和数值计算的方法来解决车内噪声问题逐渐 变得容易；用有限元法解决低频噪声问题；能量统计法解决中高频问题；开发出 s y s n o i s e 、a u t o s e a 、s e a m s 等软件；建立虚拟实验室，为噪声的研究提供了快 捷简便的方法。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 本论文研究思路及内容 本论文将以电动汽车车内噪声分析和控制为目标，运用有限元、边界元的方 法对车内噪声中的固体传播噪声部分进行分析与控制。因此，本文首先建立车身 结构有限元模型和车内空腔声学有限元模型，并对其进行模态分析，总结其规律 为噪声的控制提供准备和指导意义；建立车内空腔的边界元模型，在驱动电机和 路面的激励下分析车内声场分布，能够了解主要场点随这些边界元条件的变化规 律；在此基础上，研究车身壁板对车内主要场点的声压贡献量，为控制车内噪声 及进行车身改进设计提供准备；最后，基于以上分析与研究，为降低电动汽车车 内噪声提出相应的措施，使电动汽车的噪声性能得到优化与提高，改善车内噪声 品质。其具体内容如下： ( 1 ) 模态分析 如图1 1 所示，电动汽车上零部件的振动最终都是以车身振动产生噪声的形 式传入到车内，车身不仅是车内噪声源，也是其他结构件振动信号的滤波系统， 所以对车身结构进行模态分析能够更好的了解车内噪声的产生和振动传递的机 理，从而对车内噪声的控制有较大意义【1 2 】。车室空腔声场声学模态分析则是主 要在设计初始阶段为了防止车内空腔模态频率与结构模态频率相叠或接近，而产 生空腔共鸣进行的，另外在强迫振动下车内各点的总声压响应也取决于内部模态 被激励的方式，因此对车内空腔进行声学模态分析同样是十分必要的。 ( 2 ) 驱动电机和路面激励下的车内声场分布 在电动汽车正常行驶过程中，电动汽车要受到电机和路面的振动激励，导致 车身板件的振动，加上通过空气传播的各种噪声源，会使车内具有一个复杂的噪 声环境，所以对电动汽车车内声场的仿真分析有利于寻找噪声源和车内噪声的分 布规律，从而为降低噪声做准备【4 j 。 ( 3 ) 车身板件振动声学贡献分析 影响车内结构振动和噪声的主要因素是车身四周壁板的振动和声学特性，而 不同的壁板对车内任一场点的影响是不一样的，对车内噪声的贡献量也是不同 的，所以对车内噪声进行降噪处理之前了解车内壁板对车内噪声的贡献量是十分 重要的，这样就可以有针对性地对车身壁板进行改进设计，提高解决实际工程问 题效率【1 8 1 。 ( 4 ) 车内噪声影响因素研究及控制措施探讨 在对车内噪声进行控制前应先了解电动汽车噪声与振动的产生机理，以便于 对其进行针对性的噪声控制；另外在基于上述分析与研究成果上，提出一些针对 该车结构特点的改进措施，提高电动汽车的噪声性能和品质【5 1 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章声学理论基础 2 1 声音的产生及其传播 声音其实质是一种机械波。物体的振动产生声音，以声波的形式在媒介中波 动，传播到人耳处，在耳膜上产生相应的振动，通过听觉神经使人产生声音感觉 【3 j o 声音的传播一般应具备以下三个条件：物体的振动、媒介和人的感觉器官。 声音虽然在介质中以波动的形式传播，但是传播介质的质点只是在各自的平衡位 置附近进行振动而并不会随波动的传播而移动。声音的传播的只是物体的运动而 不是物质本身，也就是说是声音的传播是声波的振动能量的传播。振动和声波是 相互联系的，振动是声波产生的原因，而声波是振动传播的形式1 6 j 。 2 2 声压、声功率和声强 当声波在弹性介质中某点p 运动时，由于能量的叠加而使p 点处的压力增 加或减小，那么这个由于声波的能量导致的压力差称为声压，宏观意义上它表示 在单位面积上某一声波作用的压力大小，其单位为帕( p a ) 。一般将人的耳膜在 声波频率为l k h z 时能感觉到的最弱声压2 x 1 0 5p a 称为基准声压；将使人的耳膜 产生疼痛的声压2 0 p a 称为痛阀声压【酣。一般而言，可用声压大小来判断声音的 强弱。用单位时间内向外辐射的声压大小来表示声功率，其表达式为： w p f ( 形) 式( 2 1 ) 用单位面积上单位时间内通过垂直于声波传播方向的能量来表示声强，单位 为形m 2 ，其表达式为： ，；t 瞩 式( 2 2 ) 声强是有方向的，l 表示正向声强，t 表示负向声强。 据大量科学研究表明，人耳对声音的感受并不是直接正比与声音的实际强 弱，而是正比于其对数值。因此在声学中一般用对数形式来衡量声压、声强和声 功率等噪声的客观量度，分别称为声压级、声强级和声功率级，单位均为分贝 ( d b ) 。 其中将声压的有效值与基准声压的有效值之比的常用倒数的2 0 倍定义为声 压级( s o u n dp r e s s u r el e v e l ) ，其单位为分贝，其表达式为： 工。= 2 0 l g ! r 旦 式( 2 3 ) 。 p r 6 武汉理- t 大学硕士学位论文 其中见为测量声压，b 为参考声压，常取值为2 x 1 0 p a ，它是人耳对l k h z 纯 音的可听阈。 将声强和参考声强之比的常用对数的1 0 倍定义为声强级( s o n u di n t e n s i t y l e v e l ) ，其表达式为： l z - l o l g i _ f 。( e a j 肌) 式( 2 4 ) 其中基准声强l = 1 0 1 2w m 2 ，为可听最小声强。 将声功率与基准功率之比的常用对数的1 0 倍定义为声功率级( s o u n dp o w e r l e v e l ) ，可表示为： 式( 2 5 ) 声压级、声强级和声功率级三者之间的基本关系如f ： 厶。三。+ 1 0 l g 鱼鱼 式( 2 6 ) 乒c o l 一厶+ l o l g s 式( 2 - 7 ) 厶，。+ 1 0 l g s + 1 0 l g 盟 式( 2 8 ) p o 其中p ：c ：是参考状态的空气特性阻抗，一般取值4 0 0p a s m ，岛也接近 4 0 0 p a s m ，所以厶一上口。 2 3 声学方程 在建立声学数学模型之前，需要对相关声学问题( 如声传播介质以及声传播 过程) 进行简化，如下所示： ( 1 ) 假设声波在传播过程是绝热过程，在此暂不考虑与外界的热交换作用。 ( 2 ) 假设声波在传播过程中没有能量损失，而且介质是没有粘性的理想流体， 具有均匀且各向同性的性质。 ( 3 ) 假设声压p 远小于介质静压强p 0 ，声波传播的介质中质点的振动速度v 远 小于声速c ，质点振幅远小于声波波长；介质密度增量p 远小于静态密度。 经过上述的假设，现在可将声波的传播作为一种普通的宏观物理现象进行理 解，则其应当满足物理学的一些基本规律，比如质量守恒定律、牛顿第二定律以 及物态定律。通过这些定律，可以导出声波的以下描述方程【3 2 。 7 肜一 k 0 互 l 形 j 盯 = 吸 率 功准基中其 茎坚墨三奎兰堡主兰垡笙兰 一一一 _ 一一。 设空间中的一点( x ，y ，z ) 在无声扰动的静态情况下的压强和密度分别为昂和 p 0 ，在受到扰动后，该点处的压强和密度分别为只t p o + p 和岛一岛+ j p ，见图 2 1 所示，由牛顿第二定律可知，在x 轴方向上的运动方程为： 图2 - 1 微元体示意图 丑舭一h 警) 舭= n 掀警 其中，警- 鲁+ 芸匕+ 号b + 誓v z ； 将其带入上式中，并忽略高阶微小量，得： 警哪誓 a yd t 又因为： a p a p _ 一。一 a x a x 密度改变量p 是微小量，因此有： a p 却。 面一风哥 同理： 詈一一风鲁警一风鲁面一风言i 一鳓面。 将以上各式总和写出向量形式： v p 叫。詈 式( 2 9 ) 式( 2 1 0 ) 式( 2 1 1 ) 式( 2 1 2 ) 式( 2 1 3 ) 式( 2 1 4 ) 这就是声波的运动方程式，其中符号v = 去f + 专，+ o a z k , v = v , i + _ j f + 匕七。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 连续性方程 如图2 - 1 所示的微元体，微元体的体积为d v = d a d y d z ，在x 轴的两个侧面上 介质的流动速度分别为v ，和1 ，；+ 翌d x ，因此在单位时间内x 方向上流入微元体 的质量为：p e 咖比，单位时间内在x 方向上流出微元体的质量为： p ( k + 誓出) 方比 式( 2 1 5 ) f i x , 这样，流入到微元体的质量为：一生监出咖出，由于密度的变化而引起的质 d x 量变化为望a x a y a z ； a x 根据质量守恒定律，微元体质量的改变应等于微元体质量的变化率，于是得 到微元体在x 方向的连续性方程： 2 3 3 声波物态方程 p 盟+ 望：0 p 蔷+ 亩2 式( 2 1 6 ) 由声学方程的简化假设第二条可知：声音传播可简化为绝热过程，因此一定 质量的理想气体的绝热物态方程可表示为： 每俐俐 式( 2 1 7 ) 式中，为气体定压比热容与定容比热容之比。对上式求导后得到声波物态方 程的另外一种表达式： _ o p 。乓y p ( r - 1 ) o p 式( 2 1 8 ) 甜p 0 7 o t 2 3 4 声波方程 如果只考虑声波延x 方向传播，根据上面的运动学方程、连续性方程和物态 方程，可得到： 风吒2 磊0 v + 鲁= o 式( 2 1 9 ) 将此式对t 进行偏导，得到： 风爵熹+ 等= 。 于是可以推出在x 方向上的一维波动方程： v 2 = 忑0 2 + 矿0 2 0 x + 芝o zp = 寿芝o x 2 a v 2 “ c ： 9 式( 2 2 0 ) 式( 2 2 0 ) 武汉理工大学硕上学位论文 同理可得y 和z 方向上的波动方程，在以矢量叠加的形式将其表示为： 一岛( 鲁，+ 百o v a ，+ 鲁七) = 罢z + 号+ 警七 这样就可以得到三维波动方程： v 2 p t 专窘 其中v 2 拉布拉斯因子，在直角坐标系中v 2 1 0 式( 2 2 1 ) 式( 2 - 2 2 ) a 2a 2a 2 。丽+ 萨+ 万。a x 。a a z 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章模态分析 模态分析是汽车动态分析中一个重要的分析方法，它能够发现和解决汽车结 构和设计上的很多问题。模态分析又可以分为解析模态分析和试验模态分析，利 用计算方法求出模态参数称为解析模态分析；利用试验手段分析处理后得出模态 参数的方法称为试验模态分析【3 5 j 。 随着计算机的发展，利用有限元分析的方法计算出结构的模态参数变得更加 容易，分析周期更短，成本也更低。针对电动汽车的v i i 性能的模态分析主要 包括结构模态分析和声学模态分析，通过这两种模态的分析可以大致了解导致汽 车振动和噪声的一些深层问题，为改进和优化设计提供理论依据和参考【4 9 1 。 3 1 白车身结构模态分析 3 1 1 车身结构模态分析的重要性 电动汽车的车身结构是一个无限多自由度的弹性系统，也就意味着有无限多 个模态频率【铝1 。对于其中那些重要的模态频率，比如低阶频率，主要部件的主 频率等，如果正好与汽车的振动源频率重合或接近，将会产生共振，不仅会给乘 坐室带来噪声和不舒适感，而且还会加速汽车结构部件的疲劳损坏，破坏车身表 面的保护层、油漆和密封性。另一方面，当车身结构的振动频率正好和乘坐室空 腔模态重合或接近时，又会造成乘坐室的空腔共鸣，导致较大的噪声。 因而了解汽车动态特性，获得汽车的模态参数，对研究汽车的振动与噪声有 重要影响。比如驱动电机选型的时候，会考虑让转子不平衡的频率避开车身附件 的那一阶模态频率，最高车速下传动轴的动不平衡产生的激振频率应小于车身一 阶模态频率，将一些振动零件避免安装在车身某阶振型的节点上等等，这些都会 为我们的设计提供很大的参考价值；反过来，根据模态参数的分析可以预测噪声 的来源，这样就提高了解决噪声问题的准确性；另外，当知道哪些地方的模态频 率较低，或不合适的时候，可以采取针对性的措施进行合理的改进，提高设计效 率。 3 1 2 结构模态分析的基本理论 模态分析主要是为了确定设计结构或者机械部件的振动特性，通过计算振动 系统的动力学微分方程获得其特征值( 固有频率) 和特征向量( 振型) ，它们是 动态载荷结构设计中的重