（车辆工程专业论文）简单腔体内部声场分析研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着汽车工业的发展，特别是由于近十几年以来的汽车大功率化、高速化、 轻量化的发展，汽车噪声问题已引起国内外相关部门的高度重视。目前如何改善 车辆内、外部声学环境，降低车内噪声水平，提高车辆乘坐舒适性已经成为汽车 研究的热点问题之一。本文结合统计能量法理论、有限元、边界元理论对一个简 单腔体在受到强迫振动时其内部声场特性进行了全频率内的分析研究，本文的主 要研究内容和创新点表现如下： 在统计能量法方面，首先根据统计能量法原理，建立了简单腔体的模型，推 导了腔体内部声场特性方程，并计算了其在高频段一频率点的响应值。然后通过 基于统计能量法的分析软件在全频率范围内对腔体内部声场特性进行了仿真分 析，通过对比仿真分析结果、计算值和以往的试验值。结果表明：统计能量法适 合高频范围内的振动、噪声分析研究，在低频范围内计算出的结果误差很大，甚 至是不正确的；腔体外壁与内部流体间的耦合损耗因子对声场响应的影响很微弱。 在有限元方面，建立了基于有限元的腔体模型，推导了腔体内部流体- j l - 部结 构的流一固偶合模型方程。通过基于有限元法的分析软件分析了腔体内部的声场特 性。分析结果表明：由于有限元法计算的结果是指定点( 场点) 在不同频率下的 响应，通过几个不同场点的计算结果的比较可知，它们都存在很大的差异；在计 算场点结果之前，有限元法必须计算所有的节点的响应，因此需要很大的计算能 力和储存空间；有限元法在低频范围内的计算分析结果是非常准确的，能精确的 反应出响应的共振频率点以及响应的幅值，但是随着计算频率的增加，其计算成 本显著增加，且计算结果的可靠性越来越差。 通过边界元的计算结果分析，其适用范围也是低频范围。但是边界元法用二 维单元计算代替了有限元的三维单元计算，大大降低了计算性能的要求，其计算 结果与有限元计算结果的误差在1 以内，所以在计算封闭声场的噪声问题时，边 界元法比有限元法更合理。 在1 3 倍频程频段内获得全频率下的腔体内部声场特性，为研究实际工程中 的模型提供参考，为方便分析实际系统中各种因数对响应的影响打下了基础。 山东大学硕士学位论文 关键词统计能量法；有限元；边界元：声场 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , e s p e c i a l l yi nt e r m so f h i g hp o w e r , h i g h s p e e da n dl i g h tw e i g h to fa u t o m o b i l ei nr e c e n tt e ny e a r s ，t h ev e h i c l en o i s ep r o b l e mh a s a l r e a d yd r a w nh i 曲a t t e n t i o no ft h er e l a t e dd e p a r t m e n t sb 0 也a th o m e a n da b r o a d i th a s b e c o m eo n eo ft h eh o ti s s u e si nt h ev e h i c l er e s e a r c ho nh o wt oi m p r o v et h ea c o u s t i c e n v i r o n m e n tb o t hi n s i d ea n do u t s i d ev e h i c l e s ，r e d u c et h el e v e lo fv e h i c l ei n t e r i o rn o i s e a n dd e v e l o pt h er i d ec o m f o r t t h es 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 ) ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) a n db o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ( b e m ) a r ec o m b i n e dt om a k ea n a l y s i s a n dr e s e a r c hi nt h ew h o l ef r e q u e n c yf o ras i m p l ec a v i t y 谢t t lt h ef o r c e dv i b r a t i o n t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n sa r ea sf o l l o w s ： i nt h ea s p e c to fs e a ，f i r s t l yt h em o d e lo ft h es i m p l ec a v i t yi se s t a b l i s h e db a s e do nt h e s e a p r i n c i p l e ；t h ec h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o n so ft h ec a v i t yi n t e r i o rs o u n df i e l da r ed e d u c e d a n dt h er e s p o n s ev a l u ea to n ef r e q u e n c yp o i n ti nt h eh i g l lf r e q u e n c yr a n g ei sc a l c u l a t e d t h e nt h ei n t e r i o rs o u n df i e l dc h a r a c t e ri nt h ew h o l ef r e q u e n c yr a n g ei ss t i m u l a t e da n d a n a l y s e db yu s i n gt h ea n a l y s i ss o f t w a r eb a s e do ns e a t h es i m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l t s ， c a l c u l a t e dv a l u e sa n df o r m e r e x p e r i m e n t a l v a l u e sa r ec o m p a r e d t h er e s u l t s d e m o n s t r a t et h a ts e ai ss u i t a b l ef o rt h er e s e a r c ho fv i b r a t i o na n dn o i s ei nt h eh i 曲 f r e q u e n c yr a n g e ，w h i l ei nt h el o wf r e q u e n c yr a n g et h er e s u l t sh a v eaf a i r l yb i ge r r o ra n d s o m e t i m e sa r ee v e ni n c o r r e c t i na d d i t i o n ，t h ec o u p l i n gl o s i n gf a c t o rb e t w e e nt h ec a v i t y o u tw a l la n dt h ei n t e r i o rl i q u i dh a sas l i g h ti n f l u e n c eo nt h es o u n df i e l dr e s p o n s e w i t hr e p e c tt of e m ，t h ec a v i t ym o d e lb a s e do nf e mi sb u i l t ；t h el i q u i d - s o l i d c o u p l i n gm o d e le q u a t i o n sa r ed e d u c e d ；a n dt h es o u n df i e l dc h a r a c t e r i s t i ci n s i d et h e c a v i t yi sa n a l y s e db ym e a n so ft h ea n a l y s i ss o f t w a r eb a s e do nf e m t h ea n a l y s i ss h o w s t h a tt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sf r o ms e v e r a ld i f f e r e n tp o i n t sh a v eg r e a td i f f e r e n c e sw h e n c o m p a r e df o rt h er e a s o nt h a tt h er e s u l t sc a l c u l a t e df r o mf e m r e f e rt ot h er e s p o n s e so f t h es p e c i f i cp o i n t s ( f i e l dp o i n t s ) u n d e rd i f f e r e n tf r e q u e n c i e s ；t h er e s p o n s e so fa l lt h e n o d e sm u s tb ec a l c u l a t e df o rf e mb e f o r et h ef i e l dp o i n tr e s u l t sa r ec a l c u l a t e d ，t h u st h e s t r o n gc o m p u t i n gc a p a b i l i t ya n dt h el a r g es t o r a g es p a c ea r en e e d e d ；a n dt h ec a l c u l a t e d i 山东大学硕士学位论文 a n da n a l y s e dr e s u l t sb yf e mi nt h el o wf r e q u e n c yr a n g ea rea c c u r a t ee n o u g ht o p r e c i s e l yr e f l e c tt h er e s o n a n tf r e q u e n c ya n dv a l u eo f t h er e s p o n s e ，b u tw i t ht h ei n c r e a s e o ft h ec a l c u l a t i o nf r e q u e n c y , t h ec o m p u t i n gc o s ti s n o t a b l e l yi n c r e a s e da n dt h e r e l i a b i l i t yo ft h ec o m p u t i n gr e s u l t sa r eb e c o m i n gw o r s e t h e a p p l i c a t i o nr a n g eo fb e m i sa l s ot h el o wf r e q u e n c yr a n g et h r o u g ha n a l y s i n gi t s c a l c u l a t i o nr e s u l t s ，b u tt h et w o - d i m e n t i o n a le l e m e n tc a l c u l a t i o ni su s e db yb e mt o s u b s t i t u t ef o rt h et h r e e - d i m e n t i o n a le l e m e n tc a l c u l a t i o no ff e ms oa st og r e a t l yr e d u c e t h er e q u i r e m e n to fc o m p u t a t i o n a lp e r f o r m a n c e t h ee r r o rb e t w e e nt h er e s u l t sc a l c u l a t e d r e s p e c t i v e l yb yb e ma n df e m i sb e l o w1 ，t h u sb e mi sm o r er e a s o n a b l et h a nf e m d u r i n gc a l c u l a t i n gt h en o i s eq u e s t i o n so f t h ee n c l o s e ds o u n df i e l d t h es o u n df i e l dc h a r a c t e r i s t i ci n s i d et h ec a v i t yi sa c h i e v e du n d e rt h ew h o l e f r e q u e n c y i nt h eo n e - t h i r do c t a v eb a n d ，p r o v i d i n gr e f e r e n c ef o ri n v e s t i g a t i n gt h em o d e l si n p r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，a n df a c i l i t a t i n ga n a l y s i n gt h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r so nt h e r e s p o n s ei np r a c t i c a ls y s t e m s k e y w o r d s ：s e a ；f e m ；b e m ；s o u n d f i e l d i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰 写过的科研成果。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 责任由本人承担。 论文作者签名。柱、泼 日期2 缈吵占2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或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；本人授权山东大学可以将 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：柱波 导师签名：汐酒瑷日期：刃甲上7 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、内容和意义 随着生产的发展，科技的进步以及人们环保意思的提高，振动和噪声 问题越来越受到重视，振动和噪声控制方面的标准和法规也越来越多，而 且日趋严格。国内汽车保有量逐年增加，消费者针对汽车的舒适性要求也 逐渐增高。汽车噪声是影响车辆乘坐舒适性的一个重要因素，而由此引发 的汽车振动和噪声问题也就凸显出来了。随着道路状况的改善以及车辆振 动平顺性的研究成果的应用，车内噪声在评价车辆乘坐舒适性中起着重要 的作用【2 】。目前如何改善车辆内部声学环境，降低车内噪声水平，提高 车辆乘坐舒适性已经成为汽车一研究的热点，并且受到各大汽车生产企业 和研发机构的高度关注口1 。 在中国汽车工业产品自主研发不断深化的今天，对立自主地开发高档 次、高质量的轿车是我国汽车工业今后的发展方向和必然趋势，这就对汽 车整体开发设计提出了更高的要求。汽车整体开发设计中关键性的技术之 一就是对整车n v h ( n v h 是指n o i s e 噪声，v i b r a t i o n 振动，h a r s h n e s s 声 振粗糙度，由于它们在车辆等机械中是同时出现并且密不可分，因此将它 们放在一起分析研究) 性能进行分析。汽车整车n v h 性能的提高不但可以 提高汽车的档次和质量，而且还可以提高产品的市场竞争力和企业的经济 效益。据福特公司的资料显示，已销售车辆的2 0 - 3 0 抱怨的产生都是与 n v h 有关系，1 5 - 2 9 保养费用是用在与噪声有关的n v h 问题上，对其9 4 年生产的车型，3 年在噪声方面的保修费用为3 4 6 亿美元为总共保修费用 的1 8 。汽车市场激烈的竞争就促使汽车设计师越来越需要在早期的整车 设计开发阶段就能够对汽车的振动和噪声进行分析和预测，以避免将振 动、噪声问题延误到设计的后期才予以补救，导致重新改进设计而造成人 力和财力的巨大浪费。但在实际情况中，汽车产品中仍然存在许多的设计 不合理的地方，在投放市场后出现了比较突出的噪声和振动问题。而采取 易于实现的噪声控制措施对这些设计不合理的地方进行改进是切实可行 山东大学硕士学位论文 的，在整个改进的过程中计算机仿真分析可以起到有力的作用：对噪声控 制措施效果进行评估和预测：寻找优化汽车内、外部升学特性的控制措施； 改善车内声学环境等以降低车内噪声。 2 0 世纪7 0 年代以来，国内外许多的研究机构和汽车企业都对汽车内 部噪声特性进行了研究，其主要研究范围是使用有限元法研究汽车内部低 频区域的声场特性。近2 0 年来，通过引入统计能量法，人们才开始研究 车内高频区域的声场特性。但是，到目前为止，还没有在全频率范围内分 析汽车内部声场的特性。 本文将驾驶室简化为一个简单的腔体，在受到强迫振动激励的边界条 件下，分析研究全频率范围的腔体内部声场特性。本文所做的研究可以为 车辆等具有内部腔体的工程应用在全频率内分析其内部声场特性提供分 析思路和理论依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。 1 2 驾驶室内部噪声控制国内外研究现状 通常对汽车车内噪声进行预测分析主要有三种理论方法：有限元法、边 界元法、统计能量法。 有限元法的研究范围为车内中低频固体传播噪声。用有限元法进行噪 声的预测，计算结果精确直观，不足的是要求计算能力较高，同时对于高 频噪声的预测误差较大，甚至是错误的。 边界元法主要是应用于无限声场问题，但对于车内噪声它同样可以使 哟个，特别是在处理具有复杂的边界条件的内部噪声问题比如在处理具有 阻抗的表面吸声问题、泄露噪声问题等，边界元法具有比有限元法误差小、 效率高的优点。 统计能量法是新发展起来的一种振动噪声分析方法。它具有一种独特 的建模方法，虽然看起来其建模比较“粗糙”，但是每个子结构的特性都 是统计意义上的特征，因而其统计精度是完全符合工程的要求的。它不同 于有限元法能得到某一个点的噪声值，它只能获得某个子系统的整体平均 噪声水平。但是它可以解决高频区域内的噪声问题，这是有限元法和边界 2 第1 章绪论 元法无法比拟的。 1 2 1 驾驶室内部噪声有限元、边界元方法研究 早在1 9 6 5 年，g l a d w e l l 就将有限元法用于物体声辐射的计算，但仅 限于简单几何形状的物体乜引。开始从理论上探讨板状机构振动时所辐射的 声功率以及距离板一定距离空间中某点的声压预测公式。然后进一步研究 了二者的相互作用，板所辐射的声功率的方法。a c r a g g s 和t s h u k u 等人 研究了如何使用有限元方法分析不规则的空间声场和声学模态的方法 h 钉。这使得板的声辐射理论研究有了解决工程问题的实际工具。p e t y t 首次用等参元讨论了非规则形状物体的声模态，并与试验结果取得了吻合 n 引。k a g a w a 讨论了具有吸收壁面的轴对称声场特性b 。由于这些研究开 始就是结合汽车内部空间的声学特性进行的，有很强的针对性和实践性， 所以这些研究成果很快被应用到汽车车内声学模态分析上，以解决汽车中 低频声学共振“轰鸣声”的问题1 。 八十年代初期，美国通用汽车公司工程力学研究所在汽车的内部噪声 特性预测方面做了大量的研究工作 。1 。他们系统地研究了汽车车内声学 模态分析的有限元建模方法，深入探讨了边界振动( 车身板壁结构) 对车 内声场的影响以及车内声压对边界振动的影响，建立了结构一声学耦合的 有限元模型，解决了弹性边界的声学模态分析和车身结构受迫振动时车内 声压分布的计算难题，推导出结构振动一声压波动在受到外界干扰力作用 下的有限元计算公式。这就为汽车车内噪声预测分析打下了良好的基础。 利用这种预测模型，他们还提出了一种在计算机上模拟的主声源识别方 法。该方法可以模拟出车身结构中对车内特定点( 如司机耳旁位置点) 处 声压影响最大的壁板。由此，通过对它们的改进达到降噪的目的。他们研 究都集中在2 0 - 2 0 0 h z 的中低频范围，因为2 0 h z 是一般人类能够听到的最 低频率，而2 0 0 h z 以下频率是车身结构振动引起的车内噪声集中的频率范 围。阻尼问题也是他们研究的重要因素，在无阻尼情况下，空腔内声学共 振频率处，声压可以达到无限大，而实际上阻尼的存在有效的抑制了声压 3 山东大学硕士学位论文 的升高。这说明，在车内声压预测分析时必须要考虑声学阻尼。该研究在 有限单元计算使用的是n a s t r a n 软件，该软件是由美国航天部门开发的大 型有限元分析系统，具有很强的前后处理功能和有限元计算能力。由于该 软件成功由于车内噪声预测，世界各国在汽车车内噪声的预测分析中也纷 纷采用该软件。这使得n a s t r a n 软件成为车内噪声预测分析使用的标准软 件。 九十年代以来，随着电子计算机技术的飞速发展和高速、大容量、小 体积工作站的出现，各种再工作站上使用的软件系统也纷纷推向市场n 别。 在声学分析方面除了n a s t r a n 软件外，位于美国宾夕法尼亚匹兹堡的a n s y s 公司开发的有限元分析然间a n s y s 有其独特的优势，它建立了流体和声学 单元库，考虑了结构与空气( 流体) 相互作用的计算问题n 3 1 。这使得结构 一声耦合问题的建模分析更为方便快捷。由于该软件具有强大的前后处理 功能和有限元分析能力，所以受到国内外用户的广泛欢迎，在汽车车内噪 声预测分析方面也有许多的应用。此外，还有比利时的l m s 公司开发的 s y s n o is e 软件也是目前市场上最好的有限元噪声分析软件之一。该软件结 合有限元与边界元，不仅能分析车内噪声也能分析车外噪声。上述大型有 限元软件的成功开发及其功能的不断扩展，对车内噪声的预测分析和优化 设计提供了有力的工具，使这类研究具备了基本的条件，但是真正在工程 上成为实用还有许多工作要做。 边界元法是继有限元法之后发展起来的又一新的数值计算方法，它以边界 积分方程为基础，结合有限元法网格离散的优点，仅需结构边界信息，求 解变量少，数据准备少，且对于无限域问题和随时间变化的问题特别的有 效。国内外许多学者用边界积分方程讨论了任意形状振动物体的声辐射特 性，研究其发声机理，为降低噪声结构设计提供了依据。从6 0 年代起， c h e r t o c k 3 朝、s c h e n c k 3 6 1 和m e y e r 3 7 1 就利用边界积分方程法计算了物体振 动表面的声辐射和声指向特性。k o o p m a n n 口阳讨论了机械结构的声功率计 算。t o b o c m a n 们讨论了各种不同外形物体的声指向性。t a n a k a h 们讨论了结 构的声耦合问题。在国内，赵建等h 钉以轴对成封闭面为例，利用边界元法 计算了在任意频率下，已知表面振动速度分布的辐射声场。束永平h 2 1 计算 4 第1 章绪论 了某型叉车油泵齿轮箱在主要峰值频率处的表面辐射声场。苏清祖h 3 1 等还 利用边界元法与声强测量技术对汽车变速器的噪声进行了预估。1 9 9 4 年， 国内学者李世岩用边界元法对车内声场进行了分析计算，其结果在低频段 吻合较好，但在中高频段出现了较大误差h 钉。 国内使用有限元法分析研究车辆噪声振动问题也已经起步。沈壕，孙 洪生应用有限元法求解波动方程，计算出不规则形状房间的共振频率，通 过二维模型的计算，证明了房间的不规则性对室内扩散声场没有影响阳列。 邵宗安等应用有限元和模态分析技术对车身结构振动和车内噪声问题进 行了研究口引。吉林工业大学汽车系利用有限元法分析了载重汽车驾驶室在 路面激励和发动机激励下产生的噪声，并分析了设置吸声材料与未设置前 比较的降噪的结果。该研究中的路面和发动机激励都是实车测试得到的 n 钔。同济大学汽车工程系薛晓雄教授则根据轿车设计图纸和其它设计参 数对路面激励悬架系统，发动机激励下车身结构和车身内腔体声振特性建 模方法和预测分析方法作了系统研究n 钉，同时同济大学机械设计及理论专 业的白胜勇博士在该研究的基础上对悬架系统等影响车内噪声的因素作 了进一步研究，并且建立了整车流固耦合模型用于车内噪声预测分析和优 化设计，以实施车内噪声控制。重庆大学汽车工程系的汪斌等对某微型货 车驾驶室进行了结构一声场耦合分析与降噪设计，该研究也取得了很好的 降噪效果。 1 2 2 驾驶室内部噪音的统计能量法研究 关于统计能量法方法的研究在国外很早就有了研究，但是将统计能量 分析法用于车辆噪声的分析也是在近2 0 年左右才开始的。 国外早在1 9 5 8 年，a p o w e l1 和e s k u d r z y k 几乎同时率先应用统计的 观点来研究了有限和无限板之间关系的动力学问题n 们n 。美国麻省理工 学院的r h 1 y o n 教授和g m a id a n i 教授以及英国的d w s m i t hj r 等学者 在1 9 6 0 年左右提出是用统计能量分析理论可以有效地解决声振西特高频 动力学问题拍钉。此后，m h e c k l ，r h j y o n 和e e u n g a r 晦7 1 等学者对声振 5 山东大学硕士学位论文 耦合系统特性研究做出了重要的贡献。r h l y o n 总结了前人的统计能量分 析方法的研究和应用成果，进行了进一步的理论探索，并于1 9 7 5 年出版 了s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i so fd y n a m i c a ls y s t e m s ：t h e o r ya n d a p p l i c a t i o n ) ) 一书，被认为是一部关于统计能量分析的重要著作n 引。 从1 9 7 5 年到1 9 8 0 年期间，统计能量分析应用发展较为缓慢，其主要的原 因是由于集散复杂动力学系统间的耦合损耗因子在工作中遇到了不少的 困难。七十年代中后期，随着航天技术的商业化，国外相继出现了一些用 统计能量法分析预测声振环紧的计算机软件。到了八十年代后期，统计能 量分析继续发展和扩大应用，出现了如s e a m 和c o s m i cs e a 等大型专用分 析软件n 引。1 9 9 7 年，r a d c l i f f ej ，r a d c l i f f ecj ，h u a n gxl 在j o u r n a l o fv i b r a t i o na n da c o u s t i c s 撰写文章p u t t i n gs t a t i s t i c si nt h e s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i so fa u t o m o t i v ev e h i c l e s 。1 9 9 7 年，s f w u 将汽车简化成箱体，用统计能量分析法初步研究了由车辆侧窗表面脉动压 力诱发产生的车内噪声【4 6 1 。 国外研究机构近2 0 年来对统计能量法在车辆工程领域的应用作了大 量的研究，像克莱斯勒n v h 实验室，丰田公司，通用公司，福特公司等对 此都做了许多的尝试n 们口卜37 1 。但是刚开始的时候，通用受限于方程的复杂 性，大多局限于单一问题的分析，对于整车的建模和噪声问题的应用涉及 很少。现在借助于振动与噪声分析软件a u t o s e a ，很多汽车公司已经建立 了整车的声学模型，并取得了很好的研究效果乜们。福特公司为了对汽车应 用新型材料实现轻量化，同时不影响汽车内部噪声水平，使用a u t o s e a 2 软件建立了声振模型，通过统计能量法方便的分析和仿真多种设计方案。 日本丰田汽车公司，k a z u h i t om i s a j i 5 3 “1 等几个工程师发表文章利用 统计能量法分析车辆道路噪声，描述了道路噪声和振动通过空气以及结 构传递到车内的s e a 模型。l e a r 公司用a u t o s e a 2 软件进行统计能量分析， 对汽车整体噪声水平进行优化，同时开发出一系列用于噪声控制的产品： 车身的密封板、阻尼板和顶棚噪声控制材料等。戴姆勒一克莱斯勒公司采 用a u t o s e a 2 软件对振动和噪声进行统计能量分析，把车内噪声分析和内 装饰材料的设计提前到产品开发初期，用仿真模型就能试用部件和材料， 6 第l 章绪论 使相应的样机数量大为减少，以更低的成本获得更好的声质量。 国内对于统计能量分析方法在车辆工程方面的应用还只是一个起步 阶段，缺少系统和深入的研究车辆降噪设计的方法。研究工作开展得也很 不够：一方面体现在噪声测量的方法及噪声限值的法规上；另一方面体现 在真正能实际应用在汽车上的噪声控制成果为数不多，对于整车噪声测试 技术重视的程度不够，在图纸设计阶段预测噪声技术方面还仅仅出于起步 阶段。因此，我国的汽车产品噪声控制尚有大量的工作要做乜卜列。自二十 世纪七十年代以来，我国城市噪声控制的工作开始受到重视，其中车辆产 生的噪声约占交通噪声的8 0 左右，人们对于汽车噪声的关注程度也有所 提高。九十年代，国内应用统计能量分析方法进行车辆振动与噪声的研究 开始于江苏大学的左言言等人的研究，主要是关注于拖拉机和农用车的驾 驶室办件组合结构在单一激励下的室内辐射噪声问题心们。2 0 0 1 年叶平武， 薛晓雄等人将统计能量法引入到轿车振动噪声问题的研究心引。朱桂华，宫 镇乜们等人于2 0 0 3 年试用统计能量分析方法对轿车内外气流噪声进行了进 一步的研究。李晓政，黄其柏等人于2 0 0 5 年利用统计能量分析方法，建 立国内某种商务车的s e a 模型，在其室内噪声的控制和预测中，应用优化 设计方法对隔声与吸声方法的使用进行了优化设计的研究心 。2 0 0 6 年于笑。 非以设计初期阶段的客车为研究对象，运用统计能量分析软件h u t o s e a 对 其进行噪声评估，并通过增加普通内饰件和改变部分结构连接方式来改变 车内的噪声响应，取得了较好的降噪效果心引。 1 3 本课题的主要研究内容 本文首先将驾驶室理想化为一个简单的封闭腔体，并只考虑存在强迫 振动激励的边界条件下，分析研究腔体内部声场情况。建立腔体的有限元， 边界元，统计能量分析法的腔体模型，推导其相应的数学计算公式，结合 有限元，边界元，统计能量分析法的相关软件，分析腔体内部声场特性， 最后在全频率内得到腔体内部的声场特性。 ( 1 ) 基于统计能量分析法分析腔体内部声场特性 7 山东大学硕士学位论文 首先建立了基于统计能量分析法的腔体模型，推导只有白噪声激励下 的腔体结构内部流体耦合方程，利用统计能力分析软件a u t o s e a 计算了腔 体内部声场特性。 ( 2 ) 基于有限元，边界元分析腔体内部声场特性 建立了基于有限元，边界元分析法的腔体模型，推导只有白噪声激励 下的腔体结构内部流体耦合的有限元方程，利用边界元，有限元软件 s y s n o i s e 计算了腔体内部声场特性。 ( 3 ) 全频率范围内分析腔体内部声场特性 对腔体子系统进行分析研究，推导出各子系统的低、中、高频的频率 范围，综合前面的分析结果，在全频率内获得腔体的由结构振动引起的声 场特性。 8 第2 章基于统计能量法的腔体内部声场分析 第2 章基于统计能量法的腔体内部声场分析 2 1 引言 统计能量分析方法起始于6 0 年点航空航天工业，是计算复杂结构系统 中高频动力学环境( 声学和振动) 的一种非常有效的方法，此法如今被广 泛应用于汽车、航空航天、船舶、铁道等各个领域的声学和振动分析，预 测及优化控制【4 4 1 。 使用传统的模态分析方法研究工程结构振动的动力学问题已经有很长 的历史了，这种研究振动，噪声问题的方法局限于对能够清楚辨认的有限 数量的低阶模态进行分析，分析误差随着频率范围向更高扩展而增大，分 析难度随着结构复杂的程度而增加。研究工程结构系统振动问题的困难是 高阶模态参数的不确定性，因此使用统计模态的概念，把振动能量作为描 述振动的基本参数，并根据振动波和模态间存在的内在联系，建立了分析， 声，结构振动和其它不同子系统耦合动力学的统计能量分析方法。统计能 量分析方法适用于分析含有高频，高模态密度的复杂系统( 含声子系统和 结构子系统，或只含结构子系统) 的耦合动力学问题，例如使用统计能量 分析可预测复杂系统的内外声振环境问题。 统计能量分析的“统计”意义是指允许有较粗略的系统模型参数，也 就是说所研究的系统对象是从随机参数描述的总体中抽取出来的。这样就 可以较快地提供复杂系统的声振环境预示，这也是统计能量分析所以能够 较快发展的一个重要原因。统计能量分析把复杂结构动力学系统的模态参 数( 频率，振型，阻尼等) 处理成随机变量，因此要考虑预示结果的平均 值和标准偏差。统计能量分析虽不能预计子系统某个局部位置的精确响 应，但能从统计意义上较精确地预示整个子系统的响应级，这是统计能量 分析的局限性及其固有的一个特点。适用者必须注意到这一点。从某种意 义上说，在工程初步设计阶段，设计人员手中尚不掌握详尽的研究对象资 料的情况下，就能预示系统动力学响应，这又是一个优点。随着对被分析 系统细节情况的了解增多，计算模型会进一步完善，动力学预示的结果也 就会越精确。 9 山东大学硕士学位论文 统计分析中“能量 的意义是用能量描述各种动力学子系统的状态， 使用功率流( 单位时间的能量) 平衡方程描述耦合子系统间的相互作用关 系，使用能量作为统计能量分析中独立的动力学变量就可以统一处理固体 结构和流体声场间的耦合动力学问题，从而沟通了传统机械振动与声学问 的联系。因此在统计能量分析中先要进行子系统的能量的预示，然后再转 换成所需要的振动级、声压级、应力和压力等动力学参数。 统计能量分析中的“分析 的意义在于统计能量分析模型参数：如模 态密度、耦合损耗因子、内损耗因子及输入功率等，都是该动力学系统的 几何与材料特性的函数，强调统计能量分析是解决复杂结构耦合动力学问 题的一种分析方法，而不是一项专门的技巧【l 9 1 。 本章将使用统计能量法及其相关软件分析腔体内部声场。 2 2 统计能量法的基本原理 2 2 1 统计能量法的平衡方程 1 对于简单的单一振动子系统的损耗功率砌有： 助= 西2 = 2 纸尬2 = 2 纸e = 警= q 7 7 e ( 2 1 ) 式中： c 振动子系统阻尼系数一一 m 振动子系统质量 孝阻尼比( 孝= 昙瓜) k 振动子系统刚度 纯振动子系统固有频率 国分析频段的中心频率 e 能量 q 放大( 品质) 因子 刁内损耗因子 1 0 弟2 草基十统计f i 芑重痃的腔体内晋i ；声场分析 2 对于如图2 1 所示的两个子系统，建立结构的能量平衡方程 i 墨= 缈7 7 l 巨+ 强 墨一刍 ，l l他 ( 2 2 ) i 见= 缈仍易+ 缈仍。吃 垦一旦】 图2 1 两个系统间的能量流动不葸图 式中： 仍，见输入能量 仍阻尼损耗因子 耦合损耗因子 珥模态密度 骂系统能量 3 对于三个以上子系，第f 子系统的内损耗功率为砌= 缈仍置，f 子系 统向j | 子系统的功率流为： p u = 国q g e i 一q j i e j ( 2 3 、) 第f 子系统的输入功率为： 只，如= 砌+ 助 ( 2 4 ) _ ，= l f 代入砌和岛，则得到： 山东大学硕士学位论文 p i h = 国n t e j + r 2 , 旧q ；：i e i - c o 刁j , e j ) _ ，2 1 ，_ ，捌 ( 2 5 ) = 彩互+ 彩r j f e j 砌e 彳】= ，得到如下统计能量方程： 卜弘卜 嘞珥 仇 一仍i n 2 。，7 k l n k 卜萎仍，) 一 h 萎卜 式中o 3 岛d 一一第f 子系统的内损耗功率 n ，一一子系统f 向j 子系统的功率流 b 加一一第f 子系统的输入功率 缈一一分析频段的中心频率 仇，7 7 ，一一内耗因子 嘞，刁一一耦合损耗因子 n i ，刁，一一模态密度 互，e ，一一能量 1 2 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 一1j 切。研 仇 咖一旧 一 ： 必 = 刁1j ；：善：誉：g 耋i 2 篮2 ：2 2 ： 2 3 矩形腔体声场统计能量法分析 2 3 1 理论推导 矩形腔体模型如图，尺寸为8 0 0 6 0 0 8 0 0 m m ，底板厚度为4 m m ，其余 板厚为2 m m ，材料为钢，激励为幅值为i 牛的白噪声，研究其内部空腔的 噪声级。 根据统计能量法划分子系统的原则，将本例题的空腔划分为7 个子系 统。分别底板为系统1 、顶板为系统6 、侧面为系统2 、4 。前后板为系统 3 、5 和内部的空腔系统7 。见图2 - 2 图2 2 腔体爵散图 设置t 珥，吩，分别为f 系统的能量 损耗因子。彤是子系统1 的输入功率。 = 点 为第f 子系统的内部损耗能量。 一0 3 7 1 置 w i ? = i 。e i 。为子系统l 传到子系统j 的能量 能量。 内损耗因子和与，系统的耦台 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 。为子系统j 传到子系统f 的 吖w 2 m ( 是寺 山东大学硕士学位论文 是系统f 传到系统歹的总能量。 由此可列出该模型的功率平衡方程如下。 2 + 3 + 4 + 彤5 + 7 + l = 一嘭2 + 3 + 5 + 6 + 7 + 2 = 0 一3 一3 + 4 + 呢6 + 呢7 + 3 = 0 一4 一呢4 + 5 + 呢6 + 呢7 + 4 = 0 ( 2 1 2 ) 一彤5 一5 一吆5 + 嵫6 + 7 + 5 = 0 一6 一呢6 一呢6 一吆6 + 哌7 + 6 = 0 一7 一7 一呢7 一呢，一呢7 一睨，+ 7 = 0 d 】= l 1 1 1 1oooo0oooooooo 1 0o 001 1 1 loooooooo o o 1 0oo 。loo 0 1l loooooo oo 1 0oo ooo 1oo1 1 1ooo ooo loo 1 0oooo 1 0o1 1o oooo0oo 1 0o 1 0o 1o 1 01 oooo 1 0oo 1 0o 1 0o 一1o 11 将式2 8 ，2 9 ，2 10 ，2 1 1 ，2 13 代入2 1 2 得： 彩 d 阳 d t 咖1 + z 】) e 】= 形】 通过式2 1 4 就可以解出 e 】， 过能量与速度、压力等参数的关系， 1 腔体外壁板的模态数 ( 2 13 ) ( 2 1 4 ) 即求得在激励下个系统的能量。在通 即可以解出个系统的振动噪声情况。 n ( k b ) = t 7 t k 2 b 磐= 等 k 8 = 国慷c t r = h 厄 仉丽荔】2p u y ) 式中： 乞一一分别为平板的长和宽 1 4 ( 2 15 ) 第2 章基于统计能量法的腔体内部声场分析 r 一一平板的回转半径 一一板厚 q 一一平板的纵波速 一一平板内四分子一圆的半径 e 一一弹性模量 p 一一质量密度 y 一一泊松比 4 一一平板的面积 2 平板的模态密度 对式( 2 15 ) 在频率范围内求一次导数，得到 刀= 鑫 3 声腔的模态数及模态密度 阶譬 彤) = 警 1 8 ) k = c o c 式中： c 口一一声音速度 圪一一声场体积 一一频率 k 一一声场八分子一球的半径 4 结构内损耗因子。 r = r l + r r( 2 19 ) r r = = p o c a , c o p , 式中： 仉一一结构内损耗因子 仉一一结构辐射内损耗因子 山东大学硕士学位论文 岛一一大气质量密度 c 一一大气中声音速度 以一一平板的辐射比 级一一平板的面积密度。 声场的内损耗因子取0 0 1 。 5 结构间耦合损耗因子 r h 2 = c g = 2 扣面 式中： 功2 一一系统l 到系统2 的耦合损耗因子 ，一一系统l 和系统2 连接线长度 q 一一群速度 r 一一系统1 的回转半径 c ，一一板的纵波速 4 一一系统l 的面积 死，一一系统l 的传递系数 6 结构与声场间的耦合损耗因子 = 警 悸 三a r c s m y - 。( 妒l 一( l l ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 一一一一一一一一一f 正 式中： 岛一一大气质量密度 c 一一大