高巖

摘 要：世界各大汽車(chē)廠(chǎng)商以及汽車(chē)研究機(jī)構(gòu)均致力于研究如何降低車(chē)內(nèi)噪聲水平，該文基于ESI集團(tuán)的VA One綜述了汽車(chē)車(chē)內(nèi)全頻段噪聲預(yù)測(cè)分析方法，論述了車(chē)內(nèi)低頻、高頻和中頻噪聲的研究現(xiàn)狀，對(duì)汽車(chē)車(chē)內(nèi)全頻段噪聲預(yù)測(cè)分析的研究做了展望。

關(guān)鍵詞：VA One 車(chē)內(nèi)全頻段噪聲

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）03（c）-0061-02

隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品舒適性要求的不斷提高，世界各國(guó)對(duì)汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲限值要求更加嚴(yán)格，因此，世界各大汽車(chē)廠(chǎng)商以及汽車(chē)研究機(jī)構(gòu)均致力于降低車(chē)內(nèi)噪聲，以滿(mǎn)足廣大消費(fèi)者和政府法規(guī)的要求。汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲包括低頻噪聲、中頻噪聲和高頻噪聲，構(gòu)成了車(chē)內(nèi)全頻段噪聲。針對(duì)不同頻率段的噪聲特性，利用CAE技術(shù)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，如有限元分析方法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）、統(tǒng)計(jì)能量分析方法（Statistical Energy Analysis，SEA）以及混合FE-SEA分析方法（Hybrid FE-SEA Analysis）等，再結(jié)合先進(jìn)的試驗(yàn)方法，可以分別進(jìn)行有效地預(yù)測(cè)。在汽車(chē)研發(fā)初期，對(duì)車(chē)內(nèi)全頻段噪聲的預(yù)測(cè)分析，可以為新車(chē)型的正向設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供較為準(zhǔn)確的整車(chē)噪聲特性，從而避免大量的試制樣機(jī)和重復(fù)試驗(yàn)，縮短了開(kāi)發(fā)周期和降低了研發(fā)成本。法國(guó)ESI集團(tuán)于2005年推出了全頻段振動(dòng)噪聲分析軟件VA One，它把FEM、SEA以及Hybrid FE-SEA Analysis集中于統(tǒng)一的模擬環(huán)境。同時(shí)，提供了一種有限元和統(tǒng)計(jì)能量分析嚴(yán)格的耦合形式，能夠統(tǒng)一而可靠地進(jìn)行全頻譜范圍的求解[3]。

1 車(chē)內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)分析的研究現(xiàn)狀

在汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)車(chē)內(nèi)全頻段噪聲的預(yù)測(cè)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程。隨著數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種數(shù)值計(jì)算方法和商業(yè)軟件大量涌現(xiàn)，對(duì)分析車(chē)內(nèi)全頻段噪聲起到了關(guān)鍵作用。其中，在現(xiàn)有的商業(yè)軟件中，VA One可以對(duì)汽車(chē)車(chē)內(nèi)全頻段噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1.1 車(chē)內(nèi)低頻噪聲預(yù)測(cè)

汽車(chē)車(chē)內(nèi)低頻噪聲主要是由車(chē)身板件結(jié)構(gòu)的振動(dòng)引起的車(chē)內(nèi)聲壓分布的變化而產(chǎn)生的噪聲，其頻率范圍一般為20～200 Hz?，F(xiàn)階段對(duì)車(chē)內(nèi)低頻噪聲的預(yù)測(cè)主要應(yīng)用FEM來(lái)研究。FEM在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，最早由G.M.L. Gladwell和G. Zimmermann于1966年提出。A. Cragges等將FEM應(yīng)用于不規(guī)則封閉空間聲場(chǎng)和聲學(xué)模態(tài)分析，F(xiàn)EM開(kāi)始正式應(yīng)用于解決車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)與振動(dòng)的耦合問(wèn)題。隨后，國(guó)內(nèi)外一些專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了大量研究工作。

通過(guò)分析車(chē)內(nèi)低頻噪聲問(wèn)題的VA One模型，分別建立車(chē)身結(jié)構(gòu)和車(chē)內(nèi)聲腔的有限元模型，通過(guò)這兩個(gè)模型可以分析車(chē)身結(jié)構(gòu)模態(tài)，車(chē)內(nèi)聲腔的聲學(xué)模態(tài)，接下來(lái)可以通過(guò)VA One中建立二者的聲固耦合面連接，然后建立車(chē)內(nèi)低頻噪聲分析模型，分析結(jié)構(gòu)與聲腔的耦合響應(yīng)，來(lái)研究車(chē)內(nèi)某一點(diǎn)的噪聲聲壓級(jí)。還可以通過(guò)結(jié)構(gòu)模態(tài)參與因子、聲學(xué)模態(tài)參與因子、車(chē)身板件的貢獻(xiàn)量、聲學(xué)靈敏度等分析，可以有效地進(jìn)行汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)模型的改進(jìn)設(shè)計(jì)，來(lái)滿(mǎn)足車(chē)內(nèi)低頻噪聲的要求。

1.2 車(chē)內(nèi)高頻噪聲預(yù)測(cè)

汽車(chē)車(chē)內(nèi)高頻噪聲通常是頻率大于1 000 Hz的空氣聲，一般采用SEA來(lái)分析。SEA是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)的解決高頻聲振問(wèn)題的有效方法。它從統(tǒng)計(jì)的角度分析統(tǒng)計(jì)密度集模態(tài)平均的振動(dòng)能量傳遞水平，利用所研究對(duì)象各子系統(tǒng)之間具有統(tǒng)計(jì)意義的能量參量變化來(lái)研究其動(dòng)力學(xué)特性的方法。早期主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域。到了90年代，SEA的應(yīng)用開(kāi)始擴(kuò)展到汽車(chē)領(lǐng)域。

SEA可以單獨(dú)分析汽車(chē)SEA子系統(tǒng)的聲學(xué)特性。Q. Zhang等建立了車(chē)門(mén)子系統(tǒng)的SEA模型，該模型包括外殼、車(chē)門(mén)聲腔、車(chē)門(mén)內(nèi)部金屬片、空氣屏障和內(nèi)飾，在聲傳遞損失測(cè)量中考慮了漏聲問(wèn)題，并提出漏聲對(duì)車(chē)門(mén)系統(tǒng)的整體聲學(xué)性能有著重要影響。還有人對(duì)汽車(chē)擋泥板、防火墻、擋風(fēng)玻璃等子系統(tǒng)應(yīng)用SEA進(jìn)行隔聲、吸聲特性分析。SEA可以分析汽車(chē)整車(chē)系統(tǒng)的聲學(xué)特性。M.G. Foulkes等對(duì)汽車(chē)空氣傳播的道路噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè)，建立整車(chē)SEA模型，預(yù)測(cè)車(chē)內(nèi)噪聲傳遞路徑，采用插入損失測(cè)量方法對(duì)SEA預(yù)測(cè)的噪聲傳遞路徑進(jìn)行修正。同時(shí)，SEA可以用于汽車(chē)聲學(xué)包的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，利用整車(chē)SEA模型計(jì)算汽車(chē)聲學(xué)包的聲傳遞損失和吸聲系數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使聲學(xué)包的性能、重量和成本滿(mǎn)足最優(yōu)的開(kāi)發(fā)要求。

相比于FEM確定性的分析方法，SEA是從統(tǒng)計(jì)的意義出發(fā)，運(yùn)用能量的觀(guān)點(diǎn)來(lái)預(yù)測(cè)分析汽車(chē)車(chē)內(nèi)高頻噪聲問(wèn)題?，F(xiàn)在VA One軟件中的高頻分析功能集成了振動(dòng)噪聲著名軟件AutoSEA2，在VA One中，通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)的方法，建立汽車(chē)每個(gè)SEA子系統(tǒng)的參數(shù)（模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子等）和各個(gè)子系統(tǒng)間的耦合損耗因子來(lái)建立整車(chē)SEA模型，確定整車(chē)SEA模型的激勵(lì)工況，來(lái)預(yù)測(cè)分析汽車(chē)各個(gè)SEA子系統(tǒng)的聲學(xué)特性和汽車(chē)車(chē)內(nèi)高頻噪聲問(wèn)題。

1.3 車(chē)內(nèi)中頻噪聲預(yù)測(cè)

前面所述，汽車(chē)車(chē)內(nèi)低頻噪聲問(wèn)題采用FEM來(lái)研究，高頻噪聲問(wèn)題采用SEA來(lái)研究。對(duì)于汽車(chē)車(chē)內(nèi)中頻噪聲問(wèn)題，單獨(dú)使用FEM或者SEA都不能很好地解決，于是人們提出了一種將FEM與SEA相結(jié)合的新方法——Hybrid FE-SEA方法，它采用動(dòng)力平衡方程和功率平衡方程計(jì)算聲振系統(tǒng)的響應(yīng)。通常，汽車(chē)車(chē)內(nèi)中頻噪聲的頻率范圍為200～1 000 Hz。在這個(gè)頻段內(nèi)，某些子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)由結(jié)構(gòu)整體模態(tài)控制，而某些子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)則由局部模態(tài)控制，這種系統(tǒng)內(nèi)既有整體模態(tài)控制的強(qiáng)耦合子系統(tǒng)，又有由局部模態(tài)控制的弱耦合子系統(tǒng)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題就成為典型的中頻問(wèn)題。

為了分析中頻噪聲問(wèn)題，國(guó)外許多學(xué)者致力于研究Hybrid FE-SEA方法。相比于FEM和SEA方法，Hybrid FE-SEA方法的研究起步較晚，于1999年才被提出。R.S. Langley和P. Bremner對(duì)Hybrid FE-SEA建模分析技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，基于模態(tài)疊加原理，結(jié)合傳統(tǒng)的模糊結(jié)構(gòu)理論及SEA方法，提出了一種新的求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的混合方法。Hybrid FE-SEA方法可以作為SEA的補(bǔ)充，在SEA模型的基礎(chǔ)上，將對(duì)響應(yīng)影響較大的子系統(tǒng)詳細(xì)化，這樣可以有效地提高響應(yīng)的預(yù)測(cè)精度，目前，VA One是唯一能夠進(jìn)行Hybrid Model建模和分析的商業(yè)軟件。在VA One頻噪聲分析模型中，可以建立聲振系統(tǒng)的Hybrid FE-SEA模型，將FE子系統(tǒng)與SEA子系統(tǒng)耦合在一起解決中頻聲振系統(tǒng)的預(yù)測(cè)問(wèn)題。

2 結(jié)論和展望

在汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)初期，利用VA One建立汽車(chē)車(chē)內(nèi)全頻段噪聲模型，可以對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及車(chē)內(nèi)聲學(xué)包進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，并對(duì)車(chē)內(nèi)全頻段噪聲水平進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，可以大量縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)

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[2] 黎勝，趙德有.用有限元/邊界元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)聲輻射的模態(tài)分析[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2001（2）：174-179.