统计能量分析法在汽车噪声控制中的应用.docx

统计能量分析法在汽车噪声控制中的应用摘 要：统计能量分析方法在中高频段被广泛用于预测复杂结构的振动和噪声传递中，本文介绍了正在逐步推广和获得有效应用的统计能量分析法的基本理论，并参考相关资料，建立了用于汽车车内高频噪声分析的整车SEA模型，以及工程设计中车身子系统SEA模型，阐述了整车噪声传递路径分析方法的应用，最后验证了统计能量分析在汽车车内噪声性能设计中的适用性和准确性。关键词：统计能量分析；损耗因子；噪声控制Abstract: Statistical energy analysis method is widely used to predict the vibration and noise of the complex structure in the high frequency. This paper introduced the basic theory of statistical energy analysis method which has been gradually promoted and has obtained the effective application. Besides, a car interior vehicle SEA model as well as the automobile body subsystem SEA model for high frequency noise analysis has been established by referring to related information. This paper expounds the application of the vehicle noise transfer path analysis method. Finally, he applicability and accuracy of statistical energy analysis in the design of vehicle interior noise performance was verified.Key words: Statistical energy analysis; loss factor; noise control1、引言随着汽车消费市场的需求越来越高和车辆设计技术的发展，车内噪声性能正逐步成为衡量乘用车质量及其档次的重要指标之一，对于高档及豪华车市场尤其如此。在设计初期阶段根据设计方案，应用统计能量分析（SEA）模型预测分析新车车内高频噪声场，改进车厢声学设计，从而满足车辆设计的噪声性能目标，对于缩短汽车开发周期和降低开发成本具有重要意义。车内噪声通常可按其传播途径分为空气传播噪声和结构噪声，其中结构噪声是车身结构在路面或动力系的激励下向车内辐射的噪声，属结构辐射声，多集中在较低频段；而空气噪声是通过空气传播的动力系统噪声、路面噪声以及流噪声等，通常对车内噪声的影响集中在中高频段，讨论的是空气传播噪声。根据噪声产生和传播的机理不同，相应的模拟计算及预测技术也有所不同。有限元及边界元振动噪声模拟分析技术应用非常广泛，车内结构声响应的计算和分析可以依赖其解决；但这些数值计算方法并不适用于高频范围，其原因在于高频下结构和声模态的密集性和有限元模型的规模局限性。近年来在航空航天工业及汽车工业领域中，对高频振动噪声的预测广泛采用了统计能量分析（SEA）技术，其应用成功与否有赖于高的模态密度、高模态重叠和短的波长，而这些恰好是造成有限元技术在高频不精确的原因。应用SEA技术进行车内噪声性能分析，可以快速的进行车厢声学设计方案比较，对使用不同的声学材料进行性能预测，以及通过声能量流动分析辨识噪声传递的主要路径。这些分析技术直接影响着车厢声学设计方案，并为车内噪声性能优化改良提供设计方向。2、统计能量分析的基本理论统计能量分析是个模型化分析方法，它运用能量流关系式对复合的、谐振的组装结构进行动力特性、振动响应级及声辐射的理论评估，是一种在时间上和空间上的统计特性，这些能量流关系式在组成组装结构的各种耦合的了系统(如板、壳等)之间具有一个简单的热类比。在应用统计能量分析理论时，将车辆划分为若干个了系统，并假定各子系统之间的主要能量流是由于结构共振或声学模态引起的，即统计能量分析通常是关于各个共振振荡器组之间的能量或功率流分析。统计能量分析的基本方程式功率流平衡，图1表示一个机械系统被划分为若干个子系统（在这个例子中是6个子系统）后，用统计能量分析的功率流平衡示例。子系统是振动子系统，如梁状或板状结构，也可以是一个声学子系统，如一个空腔。图1 统计能量分析功率流平衡图举例说明对于每一个子系统，我们都可以列出声学或者振动功率流平衡式，即输出功率等于输入功率加上这个系统中的功率损耗。这样N个功率流平衡方程式就建立起来了，在下图所示的例子中，功率流平衡方程为：子系统1：1in+21coupl= 12coupl+ 1diss；子系统2：12coupl+ 32coupl+42coupl= 21coupl+23coupl+24coupl+2diss； . . . . . . 式中，1in表示子系统1的输入功率，21coupl表示子系统2对子系统1的耦合功率，12coupl是表示子系统1对子系统2 的耦合功率，1diss是子系统1的功率损耗。子系统2的功率方程与子系统1类似，方程左边是相邻三个子系统对子系统2的耦合功率。方程右边是子系统2对相邻三个系统的耦合功率加上子系统2的自身功率损耗。但要把各个功率用实用声学或震动测量值表述出来，还需要两个重复步骤。第一步是要把功率用能量E表述出来，对于单自由度系统，输入功率等于损耗功率，等于能量在单位时间内的衰减，即：=E其中，是振动角频率，是能量损耗因子，表示单位时间内振动能量的衰减率，E表示振动能量。把上式广义化，引入耦合损耗因子12和21，并运用到子系统1的耦合功率中，得到：21coupl = E221 ；12coupl = E112 ；经过转换，功率平衡式就变成能量平衡式，子系统1和子系统2 的能量平衡式就可以分别写成：子系统1：E11 +（E112E221 ）1in ；子系统2：E22 +（E221 E112）+（E223E332）+（E224E432）0 ；子系统3-6的能量平衡式也可以用类似的方法表示出来。至此，统计能量分析还只是能量分析，尚未引入统计的概念，也没有作任何假设。因此，上式适用于任何耦合系统和任何频率，统计能量分析的统计假设出现在其第二步中，把式中的能量参数用实际系统中容易测量得到的物理参数表示出来。对于声腔类子系统，容易测量得到的物理参数是声压。如考虑某一特定频率范围，其中声腔模态数目较大，声能正比于声腔空间声压平方的平均值，E=p2V/c2，对于大容积混响空间，如声学混响室，声腔模态密集，测量若干个空间点声压就可以标定声腔空间的总声能。根据以上理论，就可以运用SEA预测某些特定频段车内空间的平均声压级了。如前所述，车身结构受力激励引起振动模态响应从而导致声辐射主要集中在较低频段，一般说来，80Hz以下均是结构振动声辐射起主导作用，高于315Hz的频段范围内声响应具有多模态特性目空气传播声占主要地位，因此具有统计特性的SEA对于空气传播的噪声分析是适合的。而在界于100到315Hz之间的频段内，结构传播和空气传播的声能量同时存在，不能单独的仅考虑结构或空气传递路径。实际上，车厢内的声学材料及内饰件对低于400Hz的噪声产生的影响有限，因而，在高于400Hz的频段内运用SEA分析空气传播噪声是有效。3、整车模型的建立考虑到汽车整车开发流程的需要和工程分析的特殊性，可以通过以下方法建立整车SEA模型:首先为系列车型建立整车SEA模版模型，然后在该模型基础上进行儿何修改以与实际车型相匹配，最后将模型所需要的输入参数和载荷替换，完成整车工程预报模型。日前应用广泛的SEA商业软件是AutoSEA2，建立的模型如图2所示。图2 整车模型在了系统模型的分析中，应当特别关注那些噪声主要的传递途径，例如防火墙和地板等部分。通常在这些部位的噪声处理措施包括车身结构阻尼层的喷涂和粘贴，具有较大面密度背衬的海绵隔离层，以及乘客舱侧的地毯层。这里具有背衬的海绵隔离层对于噪声的隔离具有重要作用，但其厚度一般是随车神结构而变化的，较薄的区域可能成为主要的噪声传递路径，因此需要对这些区域进行仔细研究。这样建立的SEA模型可以通过多种不同的载荷工况试验测试验证，常用的工况有路面噪声工况和动力总成噪声工况等。在消声室里的路面噪声或动力总成噪声场的测试试验中，车外声场结果作为荷载输入给SEA模型，对照车内噪声级的测量值与计算预测值以检验模型的正确性，图3为某车型SEA模型计算和测量值比较，结果显示二者吻合很好。图3 整车SEA模型的试验验证4、统计能量分析主要参数的确定整车模型建立以后，在进行仿真计算之前，首先要确定统计能量分析参数。统计能量分析的基本参数有：模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子。4.1 模态密度子系统的模态密度是该子系统在某一频率范围单位频率内的模态数，是描述振动系统储存能量能力的一个物理量，可以用如下公式定义：n（f）dN（f）/df，式中，f为频率；N（f）为模态数的频率函数。简单系统的模态密度可以通过计算得到。首先通过系统的振动方程得到频率方程.然后找到用频率表示的共振频率数的数学表达式N(f)，再根据定义式计算模态密度。在AutoSEA2软件中，只要赋子系统其材料属性及厚度，软件可直接计算出模态密度。但是对于形状复杂的系统，计算模态密度可能相对困难，这时可以用试验方法测量，如模型中的挡泥板的模态密度就是通过试验测得的，通过试验得到的模态密度值需要在AutoSEA2的数据库中建立其模态密度项，然后再赋给对应的子系统。4.2 内部损耗因子内损耗因子是指子系统在中一位频率内中一位时间损耗能量与平均模态能量之比，它山结构子系统木身材料的内摩擦阻尼、振动声辐射阻尼和边界连接阻尼形成的损耗因子3部分组成，可以分别通过计算、查表或试验得到。本文模型中复杂子系统的内损耗因子是利用试验方法获得的，所采用的试验方法是随机信号猝发混响衰减方法。利用该方法可以快速得到子系统的频带平均内部损耗因子，且通过各个频带内的随机激励激振，用加速度传感器进行拾振，可以得到各个频段的T60值(混响时间)。4.3 耦合损耗因子耦合损耗因子表示两个耦合子系统在连接处振动能量的传输损耗。在研究子系统间的能量流动时，连接方式决定了子系统之间的耦合作用，正是借助这种耦合作用，直接激励子系统的能量传向被间接激励的子系统。不同子系统之间的耦合损耗因子是不同的，可以通过计算和试验得到。在统计能量分析中，因假设子系统之间是弱耦合连接的，即耦合损耗因子在数值上明显小于每个子系统的内部损耗因子，再加上耦合损耗因子通过试验来获得存在一定的困难，所以在实际应用中一般都通过理论公式来求解；只有极少数的复杂连接，很难通过理论来获得，就要通过试验来获得。在AutoSEA2软件中，子系统自动建立连接之后，会根据连接的两个子系统来确定耦合损耗因子。5、统计能量分析在汽车中的应用整车SEA模型经过试验验证以后可用于噪声传递路径分析，然后根据分析结果对噪声卞要传递路径实施不同的声学处理措施。措施包括增加或替换隔声和吸声材料，或通过粘贴阻尼材料以增大结构振动阻尼损失因了等。通过对比改进前后预测结果并结合相关试验验证来评价改进措施的优劣。本文以降低某车型后排乘客头部空间高频噪声级为例，说明整车SEA模型在汽车设计中的应用。5.1 噪声传递路径分析通过SEA模型的计算可以得到车内声学了系统的声能量来源及其所占比例，图4为后排乘客头部空间与相邻了系统间的功率流计算结果，显示出该部位声能量主要由侧门玻璃及后排乘客腰部空间传递进来，并A.各噪声传递路径在不同频段内所占比例不同。以此种方法分析下去，能够最终得到车身结构的主要噪声传递区域，如图4右图是在后排空间噪声传递路径分析中，得出的车外噪声场通过车身结构向车内传递声能量的卞要路径及其比重。此分析结果对于车辆高频噪声控制有着重要的指导意义，可据此提出降低车内噪声水平的方案。主要措施包括增大噪声主要传递路径上结构了系统的声传递损失，增加车内表面的声吸收系数等。5. 2车门玻璃子系统声传递损失图4给出了后车门玻璃由原来的普通钢化玻璃替换为同厚度夹层玻璃后，其声传递损失的变化。可以看出，由于夹层玻璃阻尼系数的增大（普通钢化玻璃约为0.05，夹层玻璃可达0. 1以上），声传递损失在吻合频率附近和更高的频段内有显著的增加。因此将后门玻璃更换。图4 钢化玻璃和夹层玻璃的声传递损失比较5.3 改进方案计算验证将修改后的后车门夹层玻璃模型替换到整车模型中，重新计算车内噪声场，两种方案下车内噪声级的差别如图5所示。结果显示在主要由玻璃能量传递路径控制的频段，即1000Hz以上范围内，由于换用了夹层玻璃声，从而获得了车内后排座位空间明显的噪声级降低;同