（车辆工程专业论文）汽车车内噪声源识别方法应用研究.pdf

r e s e a r c ho nt h e a p p l i c a t i o no ft h ea u t o m o b i l ei n t e r i o rn o i s es o u r c e i d e n t i f i c a t i o n b y b a o j i a n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 6 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 r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e m e c h a n i c a le 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 ga i g u o m a 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： 协处 e l 期：1 夕lf 年 月乞乙日 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 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：l & 历l 刷磁轹哦善诹 日期：砂j f 年罗月 c l e 1 日期：伊l1 年歹月1 z 日 汽车车内噪声源识别方法应用研究 摘要 汽车的n v h ( 噪声、振动、声振粗糙度) 性能已经成为顾客衡量汽车性能的重 要指标之一。降低车内噪声成为了提升汽车品质，满足客户需求的一个亟待解决 的问题。又因影响车内噪声的因素很多，识别出车内噪声源即成了汽车降噪的关 键和重点。本文从噪声源识别的角度出发，分别针对车内低频、高频和全频的噪 声源进行了识别。并对比研究了各噪声源识别技术的优缺点。主要内容如下： 1 基于c a e 技术的低频噪声源识别。主要研究了f e m ( 有限元) 、b e m ( 边界元) 和a t v ( 声传递向量) 在低频结构噪声源识别中的应用。建立了某微车有限元模型 和边界元模型，分别用f e m 、b e m 和a t v 方法预测了车内低频结构辐射噪声。通过 板件贡献量的计算，确定了峰值频率下板件对车内声学的贡献。并应用板件贡献 量对辐射声压进行了排序，识别出了主要噪声源，寻找到了结构设计的缺陷，进 而为结构优化设计提供了方向性建议。通过对低频噪声源识别的研究，明确了c a e 低频噪声源识别技术在汽车虚拟设计中的重要性。 2 基于s e a ( 统计能量分析) 的高频噪声源识别。主要研究了s e a 在高频车内 噪声源识别中的应用。建立了某微车的统计能量分析( s e a ) 模型，通过施加实测的 激励源，成功预测了汽车平稳运行中车内高频噪声。应用s e a 对车内噪声输入功 率进行了排序，识别出了车内噪声主要输入板件。从声辐射与透射的角度识别出 车内高频的主要噪声源。在此基础上，提出了工程上可行的降噪措施。通过对s e a 技术的研究，确定了s e a 噪声源识别方法在汽车平台开发中的重要性。 3 基于信号处理的全频噪声源识别。主要研究了信号处理的一些方法在噪声 源识别领域的应用。主要包括利用相干分析、偏相干分析和小波分析方法对某微 车车内噪声源识别。并编写了偏相干函数和小波函数噪声源识别的m a t l a b 程序， 量化了各噪声源的贡献，使得各噪声的贡献清晰、明确。进而为车内降噪明确了 方向。通过对信号处理技术的研究，确立了信号处理噪声源识别技术在主机厂中 较优性价比的地位。 关键词：噪声源识别；板件贡献量；s e a ；偏相干分析；小波分析 i l 硕士学位论文 = e 目! j e j # = l 拿目= 目鲁l = 目自目e 目e ! 自= e 自= 自_ _ 目自目i 一i i i ： a bs t r a c t t h en v h ( n o i s e ，v i b r a t i o n ，h a r s h n e s s ) o fa u t o m o b i l e sh a sb e e nt u r n i n gt ob ea c r i t i c a lf a c t o rf o rt h ec u s t o m e r s c o m m e n t so nt h ep e r f o r m a n c eo fa u t o m o b i l e s ，s oh o w t or e d u c et h ei n t e r i o rn o i s eh a sb e c o m et h ep r o b l e mt ob eu r g e n t l yr e s o l v e di no r d e rt o i m p r o v et h ed r i v i n gc o m f o r t a d d i t i o n a l l y ，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et oi d e n t i f yi n t e r i o r n o i s es o u r c ec o n s i d e r i n gt h ev a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n gt h ei n t e r i o rn o i s e i nt h i sp a p e r n o i s ew a si d e n t i f i e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fn o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o n ，l o w f r e q u e n c y ， h i g h f r e q u e n c ya n df u l l f r e q u e n c yn o i s e w e r ei d e n t i f i e dr e s p e c t i v e l y a n dc o m p a r a t i v e s t u d i e do nt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h en o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t sa r ca sf o l l o w s ： f i r s t ，l o w f r e q u e n c yn o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o nb a s e do nc a et e c h n o l o g y i t f o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o no ff e m ，b e m ，a t vo nl o w f r e q u e n c yn o i s es o u r c e i d e n t i f i c a t i o n t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la n db o u n d a r ye l e m e n tm o d e lw e r ee s t a b l i s h e d , a n dt h ef e m ，b e ma n da c o u s t i ct r a n s f e rv e c t o r ( a t v ) m e t h o d sw e r er e s p e c t i v e l y u s e dt op r e d i c tt h el o w f r e q u e n c yr a d i a t e dn o i s e b yt h ec a l c u l a t i o no fc o n t r i b u t i o no f p a n e l s ，t h ep a n e l s c o n t r i b u t i o ni n t h ep e a kf r e q u e n c yw a sd e t e r m i n e d b e s i d e s ，t h e m a i nn o i s es o u r c e sw e r ei d e n t i f i e da n dr a n k e db yt h ep a n e lc o n t r i b u t i o na n a l y s i so f s o u n dp r e s s u r e a n dt h es t r u c t u r ed e s i g nf l a w sw e r ef o u n d ，b e s i d e st h ed i r e c t i v e p r o p o s i t i o na b o u ts t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g nw a sp r o p o s e d t h r o u g ht h es t u d yo n t h el o w f r e q u e n c yn o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o n ，t h ei m p o r t a n c eo fv i r t u a ld e s i g no ft h e v e h i c l ed e v e l o p m e n tw a sg r e a t l yc l a r i f i e d s e c o n d ，h i g h f r e q u e n c yn o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o nb a s e do ns e a i t sm a i n l y a b o u tt h ea p p l i c a t i o no fs e ai nt h eh i g h f r e q u e n c yn o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o n b y e s t a b l i s h i n gas e am o d a la n da p p l y i n gt h em e a s u r e de x c i t a t i o ns o u r c e ，t h ei n t e r i o r h i g h f r e q u e n c yn o i s eo ft h ev e h i c l ew a sp r e d i c t e ds u c c e s s f u l l y s o r t i n gt h ei n p u t p o w e ro fi n t e r i o rn o i s ew i t hs e a ，t h em a i ni n p u tp a n e l so ft h ei n t e r i o rn o i s ew a s i d e n t i f i e d ，a n dt h em a i nt h em a i nh i g h f r e q u e n c yn o i s es o u r c e si n s i d et h ec a rw a r e i d e n t i f i e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs o u n dr a d i a t i o na n dt r a n s m i s s i o n b a s e do nt h e s e ， t h ef e a s i b l em e a s u r e so fn o i s er e d u c t i o nw e r ep r o p o s e d a n dt h es i g n i f i c a n c eo fs e a t e c h n i q u eo nn o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o nw a sc o n f i r m e do nt h es t u d yp l a t f o r m o f v e h i c l e t h i r d ，f u l l f r e q u e n c yn o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o nb a s e do ns i g n a lp r o c e s s i n g i t m a i n l yr e s e a r c ho ns i g n a lp r o c e s s i n gi n t h en o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o nf i e l d s a n d h l 汽车车内噪声源识别方法应用研究 c o h e r e n c ea n a l y s i s ，p a r t i a lc o h e r e n c ea n a l y s i sa n dw a v e l e ta n a l y s i sw e r eu s e dt o i d e n t i f yt h e i n t e r i o rn o i s er e s p e c t i v e l y a l s o ，t h ep a r t i a lc o h e r e n c ef u n c t i o na n d w a v e l e tf u n c t i o no fn o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o nm a t l a b p r o g r a mw e r ew r i t t e n t h e c o n t r i b u t i o no fv a r i o u sn o i s es o u r c e sw e r eq u a n t i f e d ，m a k i n gt h en o i s ec o n t r i b u t i o n c l e a r l y t h r o u g hr e s e a r c ho ns i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，t h ec o s t - e f f e c t i v ep o s i t i o n o ft h en o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o no fs i g n a lp r o c e s s i n gw a sc o n f i r m e di nt h e0 e m k e yw o r d s ：n o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o n ：c o n t r i b u t i o no fp l a t e s ：s e a ；p a r t i a l c o h e r e n c ea n a l y s i s ；w a v e l e ta n a l y s i s i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书。i j 祷要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 选题背景与意义1 1 2 国内外噪声源识别方法研究现状2 1 3 本文主要研究内容4 第2 章基于c a e 技术的车内低频结构辐射噪声源识别6 2 1 声学基础6 2 1 1 声学基本概念6 2 1 2h e l m h o l t z 声学波动方程7 2 2 声固耦合模型有限元声学分析。9 2 2 1 有限元法简介9 2 2 2 声固耦合有限元算法基本理论1 0 2 2 3 内部声场有限元声学分析。1 2 2 3 边界元方法声学分析1 8 2 3 1 边界元法简介1 8 2 3 2 边界元基本理论1 8 2 3 3 内部声场边界元声学分析2 0 2 4 基于板件贡献量噪声源识别2 3 2 4 1 板件贡献量算法简介2 3 2 4 2 基于板件贡献量噪声源识别应用2 4 2 5 本章小结3 0 第3 章基于s e a 技术车内高频噪声源识别3 1 3 1 统计能量分析法基本理论_ 3 1 3 2s e a 模型的建立3 4 3 2 1 车身系统s e a 子系统划分3 5 3 2 2s e a 参数确定3 6 3 2 3 激励源输入功率的确定。4 0 3 3 基于s e a 的噪声贡献量分析4 2 3 4 本章小结4 5 v 汽车车内噪声源识别方法应用研究 第4 章基于信号处理实验方法全频域噪声源识别4 6 4 1 信号处理简介4 6 4 2 基于相干分析噪声源识别4 7 4 2 1 相干分析理论。4 7 4 2 2 相干分析噪声源识别应用研究4 8 4 3 基于偏相干分析噪声源识别5 2 4 3 1 偏相干分析理论简介5 2 4 3 2 偏相干分析噪声源识别应用研究5 3 4 4 基于小波分析噪声源识别。5 5 4 4 1 小波分析理论5 6 4 4 2 小波分析噪声源识别应用研究5 7 4 5 本章小结。6 0 第5 章总结与展望6 1 参考文献6 3 j 改谢f ；6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文6 7 附录bm a t l a b 偏相干噪声源识别程序6 8 附录cm a t l a b 小波噪声源识别程序。7 2 v i 硕士学位论文 1 1 选题背景与意义 第1 章绪论 随着经济的发展，社会城市化进程加快，交通运输业也得到了长足的发展。 交通运输发展带来的结果是汽车保有量显著并且持续上升，汽车保有量的上升导 致了汽车噪声问题日益突出。目前汽车噪声污染已经成了现代社会环境污染的一 个重大污染源，汽车噪声也已成为世界上主要的公害之一。汽车噪声不仅污染着 社会环境，还严重影响着人们正常的日常生活。社会向人性化的趋势发展，国家、 政府对车外噪声的控制也越来越严，世界各国对车内外噪声制定了严格的控制标 准。 控制汽车内外噪声也已经成为汽车行业的一个热门话题。与此同时，汽车噪 声大小也成了衡量汽车质量水平的一个重要指标，一般中高档的轿车具有较低的 噪声水平。汽车噪声也是衡量一个汽车企业在行业中是否具备竞争力的表现，为 此汽车制造企业对汽车内外噪声控制研究都投入了较多的资金和人才。美国通用 和德国大众公司在汽车设计初期，汽车噪声控制就已经介入其中，在整个开发过 程中，一直都关注着车内噪声的设计、优化和控制。我国汽车企业关注噪声问题 较晚，但随着国民经济的发展，对生活品质追求的提升，我国车企也日益重视对 汽车噪声的控制。现在也已经将噪声控制纳入到汽车开发各个环节中来。汽车噪 声的控制已经是世界汽车行业中一个特别重要的课题。国产车的噪声问题比较突 出，这需引起国内汽车生产商的重视。 目前，人们对生活品质的追求越来越高，对汽车噪声控制的要求自然也是越 来越高。在享受车辆优越的动力性能和乘驾性能的同时，对乘坐舒适性也提出了 较高的要求，希望在安静和谐的环境下享受乘驾的乐趣。 所以无论是从政府角度、企业角度还是客户角度，控制汽车噪声都已经成为 了迫切需要解决的问题。而汽车是一个复杂的系统，具备不同性质的综合噪声， 在对汽车噪声的研究中，鉴别出汽车主要的发声部件及各部件发声的大小关系显 得非常重要。因此对汽车噪声的研究非常必要对汽车整车的噪声源进行识别，摸 清其主要的发声部件、传递路径、噪声大小及其频率范围等特性。汽车降噪是汽 车工业中公认的技术难题之一，是一个系统工程。在降噪过程中重要的、关键的 一个环节就是识别出汽车车内的噪声源。只有找到最主要的噪声源，才能有针对 性的采取不同的降噪措施，以最经济的成本达到最好的降噪效果。由此看来，整 个汽车降噪过程中，噪声源识别就显得尤为重要。 汽车车内噪声源识别方法应用研究 1 2 国内外噪声源识别方法研究现状 车辆是一个复杂的动力系统，动力源头是发动机，其产生动力，带动轴系， 驱使车轮前进，各个环节都可能产生噪声。连接发动机的进排气系统随气体流动 产生空气动力噪声，结构振动产生辐射噪声。直接与发动机相连的动力总成，随 着齿轮传动产生冲击噪声，带动壳体振动产生辐射噪声也是主要的噪声源。汽车 在高速行驶中，风噪和轮胎噪声也突显出来，成为主要的噪声源。对于如此众多 的噪声源，在减噪过程中需分清主次，有针对性的减噪才能达到事半功倍的效果， 不进行噪声源识别，可能在减噪过程中难以达到较理想的效果。由此可见，噪声 源识别是控制噪声的一项重要工作内容，因此，国际上对噪声源识别方法的研究 随着科学技术的进步也在不断的深入。 噪声源识别方法有很多种，包括分别运转法、铅覆盖法、声强测量法、声全 息法和波束成形法。 传统识别方法是利用人的感觉直接判断噪声源的位置和特性。这种方法简单 易行，但只能对噪声做定性的判断，而不能做定量的分析，并且根据人的经验不 同可能产生不同的结果，这样判断误差较大。分别运转法也是传统噪声源识别技 术中的一个重要方法，它将机器各个发声部件分别运行起来，在同样的条件下测 试有没有该部件的噪声对比，进而判断贡献量较大的部件。分别运转法适用范围 较窄，在很多状况下很难将各个部件分别分开来运行，这是该方法存在的最大缺 陷。受使用范围限制，该方法应用也不太普遍。覆盖法是在主机厂中使用较为广 泛的方法之一，该方法主要是将各个发声部件分别通过铅或其他透射很弱的材料 制成的覆盖件包裹起来，测试包裹前后的声压级，将包裹各个部件前后测试的声 压级进行对比分析，从而识别出主要的噪声源。该方法测试准确，但工作量大， 且难度大，花费人力物力财力都较大，一般不太建议采用该方法识别噪声源。 声强测量法主要是利用两点声压梯度的积分近似模拟空气中质点的振动，并 可以同时利用f f t 变换来实现声强的实时处理。声强测量可以获取被测噪声丰富 信息，不仅能获得噪声的大小还可以测得噪声能量流动的方向。目前该方法在国 内外应用较为广泛，主要是其存在着一些优点，声强测量对环境要求并不高，不 需要在专门的消声室中进行，而且能实时在线处理数据，且精度也较高，辨识能 力强。基于此特点，从7 0 年代末该技术问世以来就被广泛应用于声场测量和噪 声源识别等领域比3 1 。 声全息的基本原理是在采样面上测试并记录下声波振动的幅值和相位数 据，然后利用全息函数重建出重构面上的声场信息。十九世纪八十年代，美国 美国宾夕法尼亚大学教授e g w i l l i a m s 和j d m a y n a r d 提出了基于空间声场 变换的近场声全息，该方法可以由一个测量面上的声场数据计算出另一个测量 2 硕士学位论文 面上的声压等声场数据随1 。该方法可以获取全面的声场三维信息，在噪声源识别 领域有着极大的优势，并对运动噪声源识别也具备非常高的精度，而且在进行 测试时，抗干扰能力强。该技术受各国研究人员的重视，在过去二十多年中取 得了重大的发展。该方法在国外噪声源识别中应用比较广，在国内用于汽车噪 声源的识别的测试并不多见1 。 波束形成技术( b e a m f o r m i n g ) 是将多元基阵的输出信号做处理，增强特定方向 上的有用的信号，衰减其干扰信号，使得信号在空间上形成一定的指向性订1 。该 方法克服了近场声全息技术的缺点，可在中远距离测试，测试速度快，能识别大 结构声源。 自从傅里叶变换问世以来，成为了信号处理领域中效果最好、应用最广、最 完美一种分析手段。随着数字信号处理技术的发展，离散傅里叶变换应运而生， 成为了工程师们解决实际工程问题的工具。离散傅里叶变换也为数字信号处理技 术的蓬勃发展奠定了坚实的基础。伴随着数字信号处理技术的深入发展，出现了 许多基于数字信号处理的噪声源识别方法，如相关函数法、频谱分析法、常相干 函数法、偏相干函数法、小波分析法等。 时域分析主要是通过测量发生部件和目标噪声之间的相关函数来判断主要的 噪声源。频域分析法是根据汽车或发动机各个噪声声源形成机理不同，每个声源 声学特性存在差异，能量分布的频谱范围不同，在了解各个噪声源的频谱特性情 况下，测量总的噪声频谱，对比各声源部件噪声频谱特性，从而分析出各声源部 件对总噪声的贡献幅度，找到需要控制的发声部件。频域分析中还可以利用相干 函数来识别噪声源。相干函数可以描述被测部件噪声在目标噪声中占的比例大小， 根据结果判断噪声是否由该部件产生，进而推断各个声源对目标噪声的贡献量。 然而在实际应用中，常常是多输入单输出的系统，目标噪声一定，发声部件有多 个，且各个噪声之间存在着相互依赖，这时需通过偏相干函数来代替相干函数来 识别主要噪声源。偏相干函数是在剔除各个输入噪声相互影响后再对目标噪声做 相干处理。其消除了各发声部件的相互影响，数据上更具说服力。目前频谱分析 和相干分析方法已经成熟，已经广泛应用于噪声的测试，在噪声源识别领域，也 已开始了一些应用性研究。 g a b o r 提出了g a b o r 变换后，又进一步发展为短时傅里叶变换。但其存在一个 弱点，g a b o r 基不能构成一组正交基，数值计算非常的不便，从而产生了小波变换。 小波变换继承和发展了短时傅里叶变换的优点，并且克服了缺乏离散正交基，窗 口大小不随频率变化的缺点，是一种较为理想的信号处理的工具晒9 1 。小波分析在 时域和频域都具备很好的局部化特性，能较好的解决频率和时间分辨率矛盾的问 题n 叫。信号处理时频分析中，小波分析的优势已经逐步显示出来。自从问世以来， 小波分析就以其特有的分析特点应用于各个领域，噪声源识别领域也不例外。目 3 汽车车内噪声源识别方法应用研究 前小波变换噪声源识别仍处于研究发展阶段，但已经被证实是一种有效的识别手 段。 目前对噪声的控制逐渐从后期改进慢慢转变为前期预测，虚拟仿真技术的发 展也为噪声预测提供了技术基础。在噪声源识别领域，人们对虚拟噪声源识别技 术的要求也越来越迫切。8 0 年代g m 公司的s u n g 和n e f s k e 利用有限元方法对车内噪 声进行了预测1 。c y r c h e n g 和a f s e y b e r t 使用边界元方法计算了车内声场 声压n 羽。有限元方法和边界元方法预测车内低频噪声获得了很大的成功。但对噪 声预测和识别方面还是存在较明显的局限，低频问题波长比较长，数值求解特征 频率较明显，但中高频，利用数值求解会出现明显的偏差，高频模态密集，模态 分析方法在高频上就失效了，随之发展了统计能量分析方法，r i c h a r d l 将汽车简 化为一系列板、梁、空间子系统成功预测了车内噪声n 羽。 1 3 本文主要研究内容 本文主要从噪声源识别角度考虑，针对低频和高频，实验与仿真中的一些噪 声源识别方法做一些应用研究。主要研究内容分为三部分： ( 1 ) c a e 技术针对低频车内辐射噪声的噪声源识别 通过建立某微车车身有限元模型和车内声腔有限元模型，应用有限元方法、 边界元方法和声传递向量方法预测车内噪声，并应用板件贡献量分析对车内低频 噪声进行贡献量的分析，得到峰值频率下噪声的主要贡献部件，从而实现利用c a e 方法对车内低频结构辐射噪声源的识别。 ( 2 ) 统计能量分析针对车内高频噪声的噪声源识别 通过建立某微车统计能量分析的模型，获取各板件的内部损耗因子和空间的 内部损耗因子以及板与板之间的耦合损耗因子、空间与空间之间的耦合损耗因子 和板与空间的耦合损耗因子，试验确定各子系统的输入功率。应用统计能量分析 将板件对车内声压的输入功率的大小进行排序，从而识别出车内高频噪声的主要 噪声源，为声学包优化提供参考。 ( 3 ) 信号处理方法对车内全频噪声的噪声源识别 信号处理方法通过获取实测噪声信号的原始数据，应用相干函数分析两信号 之间的相关程度。利用常相干函数分析各个部件噪声信号在车内声压信号之中所 占的比重。偏相干分析噪声源识别在考虑各输入噪声信号之间相互影响的情况下， 利用偏相干函数消除各个输入信号之间的相互干扰后再用相干函数分析各输入噪 声信号在车内声压信号之中所占的比重。结合m a t l a b 软件，编写了偏相干噪声源 识别程序，并且将各输入噪声贡献大小量化。在时频分析噪声源识别中，利用小 波分析方法，分解和重构各噪声信号，建立各噪声信号的能量特征向量，通过对 4 特征向量的处理获取各输入噪声对 软件，编写了小波分析噪声源识别 5 汽车车内噪声源识别方法应用研究 第2 章基于c a e 技术的车内低频结构辐射 噪声源识别 低频噪声源识别，主要考虑在汽车的虚拟设计阶段，车身板件对车内辐射噪 声的影响。从噪声源识别的角度考虑就是识别出对车内噪声贡献量较大的板件， 通过更改结构，降低车内辐射噪声的水平。这种虚拟设计方法均是在同一状态下 做的横向对比。通过有限元和边界元，耦合和非耦合方式对车内噪声预测。 2 1 声学基础 2 1 1 声学基本概念 声波是一种物质波，在介质中传播压力和质点运动。声压就是以声波为载体 向外传输的。声压即流体中某一点处压强的变化。假设初始状态下压强为，受 到声波扰动时，压强由p o 交换到p ，此处压强的变化： p 一p - p o ( 2 1 ) p 即为声压，声压在不同时刻和不同地点是不一样的，所以声压是时间和位置的 函数，即p = p 协，y ，z ，f ) 。 一微元体积d x d y d z 的初始体积，初始密度岛，初始压强风，在声波的干扰 下，振动速度为 ，压强为p o + p ，体积为y ，微元体振动能量为： 晟= 去岛憎2 ( 2 2 ) 。p d v ( 2 3 ) 微元体总的声能量为： e = e k + e e 。l p o v o ( v 2 + 去p 2 ) ( 2 4 ) 式中q a 彬v - ；o 势a 兹p 2 声能密度定义为单位体积的声能量，即： w v o ；2 1p o ( v 一+ 去p 2 ) ( 2 5 ) w 一2 雨p ) ( 2 5 ) 声功率是指单位时间内辐射出的总的声能量。 6 硕士学位论文 w w o o s( 2 6 ) 式中s 表示声场中的面积。 声强指垂直于声传播方向上的单位面积上的声能。 卜w c 。o _ _ s s ；w c 0 ( 2 7 ) ) 值得注意的是声强是有正负之分的。 声压级定义为声压的有效值与基准声压的有效值之比后取对数。 s p l 一2 0 1 9 k 。 ( 2 8 ) p r 见声压有效值，b 参考声压，一般取所- 2 1 0 p a 。 人体对声音的感觉与声压有关，也受频率的影响，在不同的频率下，相同的 声压给人的感觉是不太一样的。为此，人们对声音按不同的频率设定了计权来模 拟声压给人的感觉。通常计权声压曲线有四种，d b a ，d b b ，d b c ，d b d ，其中d b a 是 应用最为广泛的，且最能反映频率对人耳的影响【1 4 1 。 1 02 0 1 蹦锄ot2 t -1 0 i r f r o q i i 琊钾 i 嘲 图2 1 计权曲线 2 1 2h e l m h o l t z 声学波动方程 h e l m h o l t z 声学波动方程是声学理论中最为重要的一个方程，它是有限元，边 界元求解声学响应的基本方程。主要由三个方程推导，声波的连续性方程、运动 方程和物态方程。联立三个方程可以推导出h e l m h o l t z 声学波动方程【1 4 l 。 流体中的总声压p ，密度p ，振动速度y 在时n t 和位置o ，y ，z ) 如下： p o ，y ，z ，f ) lp 0 0 ，y ，z ，f ) + p ，y ，z ，f )( 2 9 ) p ( x ，y ，z ，f ) 一p o ，y ，z ，f ) + p o ，y ，z ，f )( 2 1 0 ) v ( x ，y ，z ，f ) = v o g ，y ，z ，f ) + v o ，y ，z ，f )( 2 1 1 ) 式中，既，风，分别表示初始声压，密度和速度。根据如下流体微元体： 7 i l l o 粕 郴 伽 汽车车内噪声源识别方法应用研究 p ( 监+ 堕+ 与妣纰。三p , 抚e y a z ) ( 2 1 2 ) 屹 y ， 屹 o t 帆+ 掣蛳埘。 鹕。 慨+ 掣惴。慨+ 萨劬触。 帆+ 掣。 图2 2 流体微元体 将p = p o + p 代入，并假定单位体积的体积速度引起质量变化： q ( x ，y ，z ，t ) - q o ( x ，y ，z ，f ) + 鼋伍，y ，z ，f ) 并假设伍) ，石f ) 一0 ，弓l a , v 一兰f + 兰_ + 兰七可得连续性方程为： d xo vd z 业；( p o + j d 为一( p o + p 9 v 咿 o t 。 在某x 方向上的动力学方程为： p 蝴警= p d y d z p + 罢出舭一罢蝴 p = p o + p ，p 确+ p ，警= 嗉+ y 耽代入，得动力学方程： ( 岛卅嗉坩v 地一一鼍 y 和z 方向上同理可得， ( 风卅曝坩v 以，一等等 ( 岛卅嗉坩晚一等等 写成矢量形式，得声波的运动方程： ( 岛+ p 砖坩v 儿一v 饥+ p i ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 声传播速度比热量的传播快很多，一般把声传播过程看成是绝热过程，满足如下 关系： 8 硕士学位论文 卫。粤) ，仁) ，或者p 。厂o ) 。c p ， p o y p o 式中，气体定压比热容与定容比热容的比值，空气中y 为1 4 0 2 。 将上式泰勒展开，将p = p o + j d ，p = p o + p 代入，省略高阶分量，得声波的物态方 程： p 一等外等( 衍 ( 2 2 。) 联立声波连续性方程、动力学方程和物态方程，省去高阶分量，保留线性部分， 并对时间t 求偏导，可以得到线性声学波动方程： v 2 p 一等一风等 ( 2 2 1 ) v 2 为拉普拉斯算子，v ：。三+ 三+ 三。 觑。 妙。 a z 。 p 1p ( x ，y ，z 弦，q - q ( x ，y ，z 沙代入，得到声学波动h e l m h o l t z 方程： v 2 p o ，y ，z ) - k 2 p o ，y ，z ) 一- j p o g o q ( x ，y ，z )( 2 2 2 ) 式中k 一叫c 一2 r c f c 为波数；为角频率。 2 2 声固耦合模型有限元声学分析 2 2 1 有限元法简介 有限元法是用有限单元将结构或声腔离散化，根据力学方程或声学波动方程， 得到联立的代数方程，通过求解代数方程式得到结构弹性体或声传播的振动和声 学特性。有限元法是应用变分原理求解数学物理方程的一种数值方法。它是将结 构离散成有限个单元后，再连立力学方程和h e l m h o l t z 方程，然后通过数值方法 求解代数方程式，从而得到结构和声学特性。目前有限元理论已经得到了长足的 发展，且应用也越来越广泛。从最初的结构静力学分析以及拓展到了动力学、热 力学、弹塑性力学、流体力学、电磁场等领域，并且可以用来分析稳定问题，波 动问题。在工程机械、汽车、航空航天、水利工程、土木建筑应用极为广泛。有 限元通用性极强，已经成为了解决问题的非常有用的工具。在应用方面，通用性 软件也已经商业化。如n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 等。目前此类软件已经在 市场上面通用，应用极为广泛，大大提高了设计的效率和可靠性。 有限元分析的一般分成如下四个部分【1 5 】， 图2 - 3 有限元分析步骤 9 汽车车内噪声源识别方法应用研究 结构离散化，在应用过程中对应于利用有限元软件对结构进行网格划分。单 元分析和整体分析主要对应于对结构进行前处理，给离散化网格赋予属性，并计 算单元刚度矩阵，建立单元平衡方程，联立单元刚度矩阵和方程建立整体的平衡 方程。计算求解对应于求解整体的平衡方程，得到各节点的位移、力等参数。对 于求解结果，有限元软件都能将其用数据或云图的形式显示出来。 2 2 2 声固耦合有限元算法基本理论 声固耦合有限元方程需联立结构动力学方程和流体动力方程及流体连续性方 程【1 6 1 。在求解结构有限元方程时，主要应用模态分析方法求解方程的特征值和特 征向量，得到系统的固有频率和振型，从而了解系统的动力学特性，为合理的设 计与结构优化提供必要的依据。 根据弹性力学有限元理论，多自由度系统的动力学方程： m 舀+ c l i + k u f 1 3 f )( 2 2 3 ) 式中m 为结构质量矩阵；c 为阻尼矩阵；k 为刚度矩阵；“为节点位移；f o ) 为 载荷向量。 在进行模态分析时，不考虑阻尼，且f o ) 一0 ，则无阻尼多自由度系统的自由 振动微分方程： m i i + k u - 0 ( 2 2 4 ) 令加皿，将其带入上述方程，得， ( k 一2 m ) 驴；0 ( 2 2 5 ) 妒一0 ，贝i j k 一2 m 一0 ( 2 2 6 ) 结构刚度矩阵k 和质量矩阵m 都是疗阶方阵，以为自由度个数，求解方程可得刀 个解，即为结构的厅个固有频率，即模态频率。 qs 吡s 鸭s sq 对应每一个固有频率都有一个固有振型与其对应，即工程中常讲的模态振型。 在使用有限元方法求解动态响应问题时，有两种方法t 一种是振型叠加法， 另一种是直接积分法。在汽车工程中，因有限元模型自由度较多，且求解频域较 宽，使用振型叠加方法计算更能提高计算效率，从而缩短汽车设计中的响应时间， 大大提高汽车设计的效率。 振型叠加是利用结构各模态下的振型，将结构的运动方程转化为广义坐标下 的非耦合动力学方程，单独求解振型响应，然后将其叠加起来得到最后系统的响 应。 不考虑阻尼的自由振动方程： m h + k u = 0 ( 2 2 7 ) 1 0 解写成 将其带 引入变 将其代 式中， 利 后，将各阶振型响应叠加得到系统的响应。在有限元的使用过程中，一般一个车 型的自由度数一般有几十万个，一般情况下截取2 0 0 h z 以下的模态，便能满足工 程上精度的要求。 声学波动方程，在有限元使用中，主要考虑其线性部分，不考虑流体边界上 能量损失。在声学波动方程使用中，考虑线性范围内的无能量损耗的波动方程。 根据声学波动理论，汽车乘员室内的声波方程可表示为： v 2 p 一专鲁