统计能量分析在汽车车内噪声分析中的应用.pdf

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1、?文章编号:1006-1355(2006)02-0066-04统计能量分析在汽车车内噪声分析中的应用刘?涛,顾?彦(泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201)?摘?要:建立了用于汽车车内高频噪声分析的整车 SEA 模型,介绍了工程设计中车身子系统 SEA 模型和整车噪声传递路径分析方法的应用,最后以分析实例说明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:声学;统计能量分析;车内噪声;高频噪声中图分类号:U467.4+93?文献标识码:ASEA Application in Vehicle Interior Noise AnalysisLI U Tao,GU Yan(Pa

2、n Asia T echnical Automotive Center,Shanghai 201201,China)?Abstract:A full vehicle SEA model was built for vehicle interior noise performance analysis andprediction.Detailed subsystem?s SEA model and noise transfer path analysis method were introducedinto vehicle noise performance design process in

3、this paper.And then,an example of statistical energyanalysis used for vehicle noise performance design shows that SEA prediction results have good agree?ment with that of measurement.Key words:acoustics;statistical energy analysis;interior noise;high frequency noise收稿日期:2005?08?21;修改日期:2005?12?05作者简

4、介:刘涛(1974-),男,山东省宁阳县人,博士,工程师,现从事汽车振动、噪声仿真计算研究工作。?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1,2。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

5、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3;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 4,5。应用 SEA 技术进行车内噪声性能分析

6、,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。1?统计能量分析理论?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子系统(如板、壳等)之间具有一个简单的热类比6。在应用统计能量分析理论时,将车辆划分为若干个子系统,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

7、个共振振荡器组之间的能量或功率流分析。振动功率损失和功率流动规律可以用水箱模型描述4。车身每个结构(或声学)子系统都具有一个分别与其时间平均和空间平均的均方振动速度 v2i(或均方声压 p2i)成比率的稳态能量水平,即Ei=Mi v2i,?Ei=Vi?c2 p2i(1)2006 年 4 月?噪?声?与?振?动?控?制?第 2 期式中:Ei为子系统能量;Mi为子系统能量,?为介质密度,c 为声音在介质中的传播速度,Vi为声空间的体积。一个子系统定义为一个具有共同共振模态性能的有限区域,它的响应假设是在频带?f 内包括同类型ni个模态的区域里的混响。子系统的有限带宽能量利用功率平衡的概念来估计,并

8、考虑到子系统间耦合互易性,它们的平均模态能量决定于下列之间的平衡 4 1+!kj 1 1jn1-12n1#1 kn1-21n2 2+!kj 2 2jn2#-2kn2#-k1nk-k1nk#k+!kj k kjnk?E1/n1?E2/n2#?Ek/nk=1!?P1?P2#?Pk(2)图 2?车门子系统 SEA 模型图 1?由模版模型建立整车 SEA 模型 7?式中,Ei,Pi,ni,i分别为第i 个子系统的平均能量,平均输入功率,模态密度以及能量损耗系数,ij为第 i 个子系统和第j 个子系统之间的能量传递损耗系数。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

9、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且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的2。2?整车 SEA 模型?考虑到汽车整车开发流程的需要和工程分析的特殊性,

10、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几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。目前应用广泛的 SEA 商业软件是AutoSEA2,以该软件为例建立整车 SEA 模型的流程如图 1 所示7。?这里整车模型中各子系统的声传递损失以及阻尼因子均可通过试验或仿真计算的方法得到 8。如图 2 为车门子系统的 SEA 模型,分别计算整车各子系统的声传递损失特性,然后将其输入整车模型,对简化整车 SEA 模型和提高分析效率有着重要的意义。在子系统模型的分析中,应当特别关注那些噪声主要的传递途径,

11、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的作用,但其厚度一般是随车身结构而变化的,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67统计能量分析在汽车车内噪声分析中的应用载荷输入给 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

12、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3?整车高频噪声性能改进分析实例?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主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子等。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。3.1?噪声传递路径分析?通过 SEA 模型的计算可以得到车内声学子系统的声能量来源及其所占比例,图 4 为后排乘客头部空

13、间与相邻子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,并且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主要路径及其比重。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子系统的声传递损失,增加车内表面的声吸收系数等。图 4?后排乘客头部空间噪声传递途径分析?图 4 的计算实例中,低于 1000Hz 的频率范围内能量主要来源于腰部空间,进

14、一步跟踪下去可得到主要能量来源为地板及行李箱内;而在 1000Hz以上的频段内主要的能量传递途径是后侧门的玻璃。在车辆高速行使过程中,车窗外的气流噪声或其他声源(如与它车并排行使时的的情况)会对车内噪声水平有显著的影响。由前面分析可知,解决方案是提高该玻璃子系统的声传递损失,在工程中常用的方法是改用阻尼更大的夹层玻璃。3.2?车门玻璃子系统声传递损失?图 5 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

15、璃更换为夹层玻璃,能够减少后门玻璃这个主要噪声传递路径中能量的传递,从而有效的降低该频段范围的车内噪声级。3.3?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 6 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;同时计算结果与路面试验测量结果也获得了很好的吻合。2006 年 4 月?噪?声?与?振?动?控?制?第 2 期图 5?钢化玻璃和夹层玻璃的声传递损失比较图 6?车内噪声级增加值(使用夹层玻璃与钢化玻璃相比)4?结语?本文

16、简要介绍了 SEA 基本理论,在此基础上应用AutoSEA2 建立了整车 SEA 分析模型,最后以某实际车型后排乘客空间噪声级降低为例介绍了SEA 在汽车高频噪声分析中的应用。?汽车高频噪声性能预报及分析能在在汽车设计中、尤其是车厢声学设计中具有重要的指导意义。在汽车车厢内声学部件开发设计初期,SEA 对降低开发成本、缩短设计周期具有显著的作用。通过对SEA 模型的计算和分析,可以方便的得到汽车高频噪声传递路径结果,不同车内声学设计方案的性能对照,以及车内声学部件性能优化等。SEA 对汽车设计中的隔声、吸声材料以及阻尼材料的选择和参数设定来说,是一个准确并且高效的工具,同时也是确定车身子系统噪

17、声性能指标的重要分析依据。本文中的实例分析表明,SEA 分析方法在汽车高频噪声分析中具有很好的适用性和准确性。参考文献:1?顾彦,何波.CAE 在汽车 NVH 中的应用 J.上海汽车,2001,S1.2?Liangyu Huang and Ramkumar Krishnan,Terence Con?nelly and James D Knittel.Development of a Luxury Ve?hicle Acoustic Package using SEA Full Vehicle ModelJ.SAE paper,2003,01:1554.3?刘涛,顾彦,丁平.板块贡献量分析在汽车

18、振动噪声设计中的应用 C.MSC/NASTRAN 2003 会议论文集,2003.4?R.H.Lyon and R.G.DeJong.Theory and applicationof statistical energy analysis.2ndEdition,Butterworth?Heinemann,Boston,1995.5?姚德源,王其政.统计能量分析原理及应用 M.北京:北京理工大学出版社,1995.6?王震坡,何洪文.统计能量方法用于汽车振动噪声的分析研究 J.汽车科技,2001,(6).7?Denis Blanchet and Andrew Cunningham.Building

19、 3DSEA Models from Templates?New Developments J.SAE paper,2003,01:1541.8?T erence Connelly and James D Knittel,Liangyu Huangand Ramkumar Krishnan.The Use of in Vehicle STLTesting to Correlate Subsystem Level SEA Models J.SAE paper,2003,01:1564.新型无骨架空间吸声体系列产品通过市级技术鉴定?由上海现代设计集团章奎生声学设计研究所和青岛福益阻燃吸声材料有限公

20、司经过三年多时间联合研究开发的新型无骨架空间吸声体系列%产品,于 2005 年 5 月 20 日通过了上海市建委主持的技术鉴定。章奎生教授从上世纪 60 年代开始就开展了各型吸声体的研究,取得了一系列成果。新型无骨架空间吸声体是为了适应当代大型建筑的需要而开发的一种具有无骨架、重量轻、吸声性能优、阻燃防火、新颖美观、防静电、可擦洗、安装方便等特点的新型空间吸声体。其主要技术性能:降噪系数 NRC&0.80;低频(125250Hz)吸声系数&0.45,中频(500 4000Hz)吸声系数&0.85;单位面积重量 G 8kg/m2;防火达 B1阻燃级或A 不燃级;在 20(60%相对湿度条件下,回潮率 0.8%。该成果已成功应用于福建体育馆,上海大学体育中心,江阴、太仓、淮北、张家港、湖州等体育馆以及乌鲁木齐体育馆等大型建筑的厅堂、体育场馆、游泳馆等建筑声学吸声处理,也可以应用于噪声控制领域的吸声降噪。鉴定会一致认为该成果属国内首创,达到国内领先水平,具有推广应用价值。中国船舶工业第九设计研究院?品玉恒报导69统计能量分析在汽车车内噪声分析中的应用