王順 馬心坦 賀明佳

摘要：為降低駕駛室內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)噪聲，建立某拖拉機(jī)駕駛室結(jié)構(gòu)有限元模型和耦合聲學(xué)邊界元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，并以結(jié)構(gòu)位移結(jié)果作為聲場(chǎng)分析邊界條件，基于間接邊界元法對(duì)駕駛室內(nèi)進(jìn)行聲場(chǎng)聲振耦合頻率響應(yīng)分析；應(yīng)用板件貢獻(xiàn)量法計(jì)算分析得到對(duì)駕駛員耳旁聲壓主要峰值頻率處貢獻(xiàn)顯著的板件，并進(jìn)行振動(dòng)抑制；對(duì)分析結(jié)果中貢獻(xiàn)量較大的頂棚，進(jìn)行形貌優(yōu)化處理，對(duì)右窗和右門進(jìn)行加厚處理。結(jié)果表明，車內(nèi)噪聲在頻率20～200 Hz范圍內(nèi)的聲壓級(jí)水平得到比較明顯的改善，整體噪聲水平下降3.01 dB（A），有效改善駕駛室內(nèi)聲學(xué)環(huán)境，為同類駕駛室內(nèi)低噪聲設(shè)計(jì)提供案例依據(jù)。

關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)；駕駛室；低頻噪聲；耦合聲學(xué)邊界元；諧響應(yīng)；板件貢獻(xiàn)量

中圖分類號(hào)：S219； TB533

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 05-0134-06

收稿日期：2022年10月14日? 修回日期：2022年12月21日*基金項(xiàng)目：河南省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（15A460019）

第一作者：王順，男，1994年生，河南商丘人，碩士研究生；研究方向?yàn)檐囕v振動(dòng)噪聲控制。E-mail：? 1732830279@qq，com

通訊作者：馬心坦，男，1972年生，河南遂平人，博士，副教授；研究方向?yàn)檐囕v振動(dòng)噪聲控制。E-mail：? 631170372@qq.com

Research on control of low frequency noise in tractor cab

Wang Shun， Ma Xintan， He Mingjia

（College of Vehicle and Traffic Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang， 471003， China）

Abstract：

In order to reduce the low-frequency structural noise in the cab， a finite element model and a coupled acoustic boundary element model of the cab structure of a tractor were established， and the harmonic response of the structure was analyzed. Taking the structural displacement results as the boundary conditions of sound field analysis， the coupled frequency response of sound field and sound vibration in the cab was analyzed based on the indirect boundary element method. The plate contribution method was used to calculate and analyze the plate that contributes significantly to the main peak frequency of the drivers ear sound pressure， and the vibration was suppressed. For the ceiling with a large contribution to the analysis results， the morphology was optimized， and the right window and right door were thickened. The results show that the sound pressure level of the interior noise in the frequency range of 20-200 Hz has been significantly improved， and the overall noise level has decreased by 3.01 dB （A）， which effectively improves the acoustic environment in the cab， and provides a case basis for the low-noise design in the cab of the same kind.

Keywords：

tractors; cab; low frequency noise; coupled acoustic boundary element; harmonic response; plate contribution

0 引言

隨著拖拉機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)其舒適性提出了更高的要求，車內(nèi)噪聲不僅會(huì)增加駕乘人員的疲勞程度，使工作效率下降，還會(huì)嚴(yán)重影響安全駕駛［1， 2］。結(jié)構(gòu)噪聲是車內(nèi)噪聲主要來源之一，主要是車身在發(fā)動(dòng)機(jī)、路面等激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)而輻射產(chǎn)生，這類噪聲主要是20～200 Hz低頻噪聲［3-5］。在對(duì)拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)噪聲研究中，駕駛室壁板振動(dòng)和駕駛室耳旁噪聲有直接聯(lián)系，通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)來減少駕駛室的振動(dòng)噪聲，能夠提高駕駛員的舒適性［6-8］。由于車身各板件在不同頻域內(nèi)對(duì)駕駛室內(nèi)耳旁聲壓的貢獻(xiàn)量不同，所以，采用板件貢獻(xiàn)量分析，確定對(duì)主要聲壓峰值貢獻(xiàn)大的板件，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)降低駕駛室內(nèi)耳旁噪聲具有重要意義。

針對(duì)拖拉機(jī)駕駛室，建立駕駛室結(jié)構(gòu)有限元模型和聲固耦合邊界元模型，分別進(jìn)行模態(tài)分析，了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，并以結(jié)構(gòu)位移結(jié)果作為聲場(chǎng)分析邊界條件，利用耦合聲學(xué)邊界元法對(duì)駕駛室耳旁位置聲學(xué)特性展開研究，識(shí)別出駕駛室耳旁聲壓主要峰值頻率。對(duì)駕駛室進(jìn)行板件貢獻(xiàn)量分析，確定主要貢獻(xiàn)板件，對(duì)頂棚進(jìn)行形貌優(yōu)化，添加加強(qiáng)肋，提高一階固有頻率，對(duì)右窗和右門加厚處理，提高板件剛度，有效降低駕駛室內(nèi)噪聲。

1 駕駛室模型建立與模態(tài)分析

1.1 結(jié)構(gòu)有限元模型建立及分析

以某拖拉機(jī)駕駛室為研究對(duì)象，利用Catia建立駕駛室的三維模型。考慮其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為提高建模效率和縮短有限元分析計(jì)算時(shí)間，僅考慮對(duì)聲場(chǎng)影響較大的車身結(jié)構(gòu)，忽略小圓角、凸臺(tái)等對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)性能影響很小的工藝結(jié)構(gòu)。

駕駛室結(jié)構(gòu)采用板殼shell63，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為30 mm，材料主要采用鋼和玻璃，并假設(shè)門窗與結(jié)構(gòu)剛性連接。在Hypermesh中建立結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。在Virtual.lab對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由模態(tài)分析，提取前8階模態(tài)，結(jié)果如表1所示。

車輛在受到激勵(lì)作用時(shí)，其結(jié)構(gòu)振動(dòng)是各階模態(tài)振動(dòng)的綜合反映，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響的主要是低階模態(tài)振動(dòng)。由表1可知，前幾階模態(tài)振型中，前窗、左門、右門出現(xiàn)的模態(tài)比較多，主要因?yàn)椴ＡчT窗的面積較大，剛度比較小，模態(tài)比較低，在低頻范圍內(nèi)容易受到外部激勵(lì)發(fā)生較強(qiáng)烈的振動(dòng)，會(huì)對(duì)駕駛室內(nèi)部聲學(xué)環(huán)境造成較大的影響。

1.2 聲—固耦合系統(tǒng)建模

駕駛室內(nèi)部聲腔是在駕駛室結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上建模的，邊界元在聲場(chǎng)分析時(shí)，只需要聲腔表面的二維網(wǎng)格，相比于有限元，能夠減少計(jì)算內(nèi)存，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高仿真效率［9］。考慮到座椅對(duì)駕駛室內(nèi)聲學(xué)特性影響較大，建立如圖2所示的駕駛室含座椅的邊界元模型，采用間接邊界元法進(jìn)行聲學(xué)頻率響應(yīng)分析。

為能夠準(zhǔn)確分析駕駛室板件振動(dòng)對(duì)耳旁聲壓的影響，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)與聲腔的耦合作用，計(jì)算耦合系統(tǒng)模態(tài)和駕駛員耳旁聲壓分布，結(jié)合板件貢獻(xiàn)度分析，找到對(duì)耳旁聲壓影響較大的板件。

1.3 聲—固耦合模態(tài)分析

在Virtual.lab中建立車身結(jié)構(gòu)模型和聲腔模型的耦合面，并將耦合面上的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和聲腔網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和聲腔的相互耦合，對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，提取前8階模態(tài)，結(jié)果如表2所示。

對(duì)比表1和表2可以發(fā)現(xiàn)，耦合模態(tài)頻率稍低于結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率，模態(tài)階次更加密集。從振型位置中可以看出，二者振型位置完全一致，耦合后沒有產(chǎn)生新的振動(dòng)形式，說明駕駛室內(nèi)部空氣阻尼作用較小，后期可以通過對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)改進(jìn)，降低駕駛室內(nèi)噪聲。

2 拖拉機(jī)駕駛室諧響應(yīng)分析

基于諧響應(yīng)分析，可得到駕駛室結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位移和速度等頻率響應(yīng)曲線，同時(shí)找到峰值下的頻率，與結(jié)構(gòu)固有頻率對(duì)比，避免共振。諧響應(yīng)分析不僅能判斷結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，其分析得到的位移等結(jié)果還能作為車內(nèi)聲場(chǎng)分析的邊界條件。

對(duì)駕駛室進(jìn)行諧響應(yīng)分析，找出駕駛室振動(dòng)薄弱位置，為駕駛室降噪提供依據(jù)。施加邊界條件如圖3所示，對(duì)駕駛室4個(gè)底邊節(jié)點(diǎn)施加全約束（圖3中“Δ”），在駕駛室4個(gè)懸置處加載垂直向上，幅值為10 N的簡(jiǎn)諧激勵(lì)，結(jié)合前面求得的駕駛室模型的固有模態(tài)，使用模態(tài)疊加法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析［13］。計(jì)算頻率范圍20～200 Hz，載荷步為180步。

諧響應(yīng)分析完成后，為了解車身板件的振動(dòng)情況，在駕駛室某些板件共振集中部位選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)分析位移響應(yīng)，計(jì)算得到其位移響應(yīng)曲線。節(jié)點(diǎn)位置如表3所示，位移響應(yīng)曲線如圖4所示。

由圖4可見，表3所選節(jié)點(diǎn)均在52 Hz、125 Hz、135 Hz、164 Hz、187 Hz出現(xiàn)較大峰值。而且這些頻率在駕駛室結(jié)構(gòu)固有頻率附近，在外界激勵(lì)下產(chǎn)生的振動(dòng)能量也比較大，這些頻率是駕駛室內(nèi)聲學(xué)分析關(guān)注的重點(diǎn)對(duì)象。

3 駕駛室內(nèi)部低頻噪聲響應(yīng)分析

將駕駛室諧響應(yīng)分析得到的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)結(jié)果作為聲場(chǎng)分析的邊界條件，利用間接邊界元法，并考慮聲固耦合作用，對(duì)駕駛室內(nèi)部進(jìn)行聲學(xué)響應(yīng)分析，得到駕駛員右耳處的聲壓頻率響應(yīng)曲線如圖5所示。

對(duì)駕駛室內(nèi)噪聲分析時(shí)，可以將駕駛室簡(jiǎn)化成一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)可以輸入各種形式的激勵(lì)，產(chǎn)生的聲壓代表了駕駛室系統(tǒng)與輸出之間的傳遞關(guān)系，忽略激勵(lì)形式和大小，直接反映駕駛室本身的聲學(xué)特性［14， 15］。因此，將計(jì)算得到的聲壓與文獻(xiàn)［15］采集聲壓對(duì)比如圖5所示，兩者雖然存在差異，但整體走勢(shì)基本相似，因此可以利用該有限元模型對(duì)駕駛室內(nèi)噪聲進(jìn)行控制研究。

由圖5可見，分析頻率范圍內(nèi)存在大量聲壓峰值，且駕駛室耳旁聲壓在100 Hz之后比100 Hz前明顯提高，主要是由于一階聲學(xué)固有頻率在102.59 Hz，所以，在100 Hz之后結(jié)構(gòu)和聲腔的耦合作用增強(qiáng)，使聲壓增高。其中，最大值峰值位于125 Hz處，達(dá)到91.43 dB（A），次級(jí)峰值位于187 Hz處，達(dá)到89.19 dB（A），因此，將125 Hz和187 Hz作為板件貢獻(xiàn)量分析頻率。聲腔模態(tài)頻率如表4所示。

圖6和圖7分別為125 Hz和187 Hz駕駛室的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)云圖。125 Hz振動(dòng)位移比較大的部位主要在左右門、左右窗、前窗，187 Hz振動(dòng)位移比較大的部位主要在頂棚、左右門，前窗，這些部位可能會(huì)造成駕駛室內(nèi)產(chǎn)生較大峰值聲壓，在駕駛室內(nèi)低噪聲設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮。

4 板件貢獻(xiàn)量分析計(jì)算

駕駛室內(nèi)噪聲是由車身板件振動(dòng)引起的。每塊車身板件是由許多個(gè)單元組成，當(dāng)駕駛室受到激勵(lì)作用時(shí)，會(huì)引起板件中所有的單元產(chǎn)生聲壓，疊加后能夠得到駕駛室內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)處的總聲壓。由于每塊板件的振動(dòng)情況不同，所以每塊板件對(duì)駕駛室內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)聲壓貢獻(xiàn)也不同。因此，為準(zhǔn)確確定對(duì)耳旁主要峰值聲壓影響較大的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行板件貢獻(xiàn)量分析，進(jìn)而對(duì)較大貢獻(xiàn)量的板件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠有效改善駕駛室內(nèi)聲學(xué)環(huán)境［16-18］。面板是由單元組成的，面板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)的聲學(xué)貢獻(xiàn)是面板所包含的單元對(duì)場(chǎng)點(diǎn)所輻射聲波的矢量和，如式（3）所示。

形貌優(yōu)化屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)化其中的一種方法，能夠在金屬薄板結(jié)構(gòu)中尋找加強(qiáng)肋的最優(yōu)布置方式，從而提高板件剛度，改善駕駛室內(nèi)聲學(xué)環(huán)境［19-21］。根據(jù)駕駛室板件貢獻(xiàn)量分析，確定了貢獻(xiàn)顯著的板件是頂棚、右門和右窗。頂棚為金屬薄板結(jié)構(gòu)，故可用形貌優(yōu)化，確定最優(yōu)加強(qiáng)肋分布設(shè)計(jì)。右門、右窗為玻璃結(jié)構(gòu)，分別加厚1 mm處理，提高其剛度。

5.2 優(yōu)化過程和結(jié)果

將頂棚單獨(dú)提取出來，建立其板件殼單元網(wǎng)格，作為設(shè)計(jì)區(qū)域。設(shè)計(jì)目標(biāo)為頂棚的一階模態(tài)頻率最大化，約束條件為只約束頂棚四周x、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度。加強(qiáng)肋的基本參數(shù)為：起筋的最小寬度一般為平均單元尺寸的1.5～2.5倍，而單元的平均尺寸為30 mm，所以將最小起筋寬度設(shè)置為45 mm，選用60°起筋角，起筋高度為25 mm。在Optistruct進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，迭代計(jì)算17次之后收斂，最終結(jié)果如圖10所示。根據(jù)形貌優(yōu)化結(jié)果并綜合考慮成本控制和加工工藝性原則，確定加強(qiáng)筋在頂棚的分布狀況（圖11）。

5.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后駕駛室聲學(xué)響應(yīng)

對(duì)頂棚添加加強(qiáng)肋，右門和右窗加厚1 mm處理后，通過耦合聲學(xué)邊界元法重新仿真計(jì)算，得到的聲壓響應(yīng)曲線與結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比如圖12所示?？梢婑{駛室耳旁聲學(xué)環(huán)境有了較大改善，125 Hz處峰值由91.43 dB（A）降到74.51 dB（A），187 Hz處峰值消失，總聲壓從97.03 dB（A）降到94.02 dB（A），達(dá)到了良好的降噪效果。

6 結(jié)論

1）? 對(duì)拖拉機(jī)駕駛室進(jìn)行有限元建模，分別計(jì)算結(jié)構(gòu)模態(tài)和耦合模態(tài)，利用模態(tài)疊加法對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。

2）? 以結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)結(jié)果作為邊界條件，并考慮聲固耦合作用，采用間接邊界元法對(duì)駕駛室內(nèi)進(jìn)行聲學(xué)響應(yīng)分析，得到駕駛室內(nèi)耳旁聲壓主要峰值頻率，結(jié)合板件貢獻(xiàn)量分析，找到其薄弱部分，對(duì)頂棚進(jìn)行形貌優(yōu)化，右窗和右門加厚處理，增強(qiáng)了板件剛度。通過重新仿真計(jì)算，并將結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的聲壓曲線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)125 Hz頻率處聲壓峰值下降16.92 dB（A），187 Hz頻率處聲壓峰值消失，總體聲壓下降3.01 dB（A）。說明在主要峰值聲壓頻率處對(duì)聲學(xué)貢獻(xiàn)量較大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)具有良好的降噪效果。

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