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        車輛壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)分析與降噪試驗(yàn)研究

        2013-05-24 06:23:20徐新喜劉孝輝崔向東
        振動(dòng)與沖擊 2013年24期
        關(guān)鍵詞:場(chǎng)點(diǎn)壁板聲壓

        白 松,徐新喜,劉孝輝,楊 猛,崔向東,牛 福

        車輛壁板受外界激勵(lì)作用引起結(jié)構(gòu)振動(dòng),進(jìn)而向車內(nèi)輻射噪聲,這部分結(jié)構(gòu)噪聲主要集中在300 Hz以內(nèi)的低頻段[1]。壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)分析(Panel Acoustic Contribution Analysis,PACA)能夠分析壁板振動(dòng)對(duì)噪聲的聲學(xué)貢獻(xiàn),快速定位需要采用降噪措施的壁板,為降低噪聲提供解決方案,因此在車輛降噪領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-7]。目前,壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)的研究主要集中在壁板對(duì)特征場(chǎng)點(diǎn)(通常是駕駛員耳旁)聲壓響應(yīng)譜中單個(gè)響應(yīng)峰值的貢獻(xiàn)量化方面。對(duì)于存在多個(gè)聲壓響應(yīng)峰值的特征場(chǎng)點(diǎn),壁板對(duì)不同峰值往往具有不同的貢獻(xiàn)量和貢獻(xiàn)性質(zhì),使改進(jìn)措施難以確定。同時(shí),單個(gè)場(chǎng)點(diǎn)不能完整地代表整個(gè)聲場(chǎng)的聲學(xué)特性,某一場(chǎng)點(diǎn)噪聲響應(yīng)的改善可能會(huì)導(dǎo)致其他場(chǎng)點(diǎn)噪聲響應(yīng)的惡化。韓旭和Han等[8-9]提出采用加權(quán)求和的方式計(jì)算板件對(duì)于乘員室聲場(chǎng)整體聲學(xué)特性的聲學(xué)貢獻(xiàn),并通過阻尼處理取得了顯著的降噪效果,但其計(jì)算過程中所采用加權(quán)系數(shù)是根據(jù)場(chǎng)點(diǎn)的重要性差別給定的,這有可能造成貢獻(xiàn)量計(jì)算得不準(zhǔn)確。

        本文在前人研究基礎(chǔ)上,對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn),提出一種聲場(chǎng)中存在多特征場(chǎng)點(diǎn)情況下,分析和評(píng)價(jià)壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)的方法。在N維向量空間中,將總聲壓矢量視為聲壓頻率分量一個(gè)線性組合,將壁板對(duì)聲壓分量的聲學(xué)貢獻(xiàn)量在總聲壓方向上進(jìn)行投影并求和,來表征壁板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)總聲壓的聲學(xué)貢獻(xiàn);以場(chǎng)點(diǎn)聲能量占聲場(chǎng)總聲能量的比重作為加權(quán)系數(shù),將壁板對(duì)多個(gè)場(chǎng)點(diǎn)總聲壓的聲學(xué)貢獻(xiàn)量進(jìn)行加權(quán)并求和,來表征壁板對(duì)整個(gè)聲場(chǎng)的聲學(xué)貢獻(xiàn)。以某急救車為例,為降低車廂內(nèi)部多個(gè)特征場(chǎng)點(diǎn)的低頻噪聲,采用改進(jìn)方法分析車廂壁板振動(dòng)的聲學(xué)貢獻(xiàn),識(shí)別對(duì)整個(gè)聲場(chǎng)貢獻(xiàn)較大的壁板,通過對(duì)比兩種阻尼粘貼方式的降噪效果驗(yàn)證分析結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,對(duì)實(shí)車進(jìn)行阻尼處理,降低車內(nèi)噪聲。

        1 現(xiàn)有的壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)分析方法

        場(chǎng)點(diǎn)總聲壓P(ω)可由壁板在該點(diǎn)引起的聲壓響應(yīng)Pe(ω)疊加得到:

        其中:n為壁板的數(shù)量。

        將Pe(ω)在總聲壓P(ω)矢量方向上進(jìn)行投影,可得到壁板振動(dòng)的聲學(xué)貢獻(xiàn)量pc:

        其中:P*(ω)為場(chǎng)點(diǎn)總聲壓的共軛復(fù)數(shù);Re為取復(fù)數(shù)的實(shí)部。

        由于場(chǎng)點(diǎn)聲壓響應(yīng)譜含有多個(gè)頻率成分的聲壓分量,在某些特定頻率上的聲壓響應(yīng)具有較大的峰值,因此,現(xiàn)有貢獻(xiàn)分析方法主要是針對(duì)聲壓響應(yīng)峰值進(jìn)行的,則式(2)可具體表示為:

        其中:pc,j為壁板對(duì)聲壓響應(yīng)峰值j的貢獻(xiàn)量;ωj為聲壓響應(yīng)峰值j對(duì)應(yīng)的頻率;Pe(ωj)為Pe(ω)在頻率ωj上的分量;P(ωj)為P(ω)在頻率ωj上的分量。

        由式(3)可見,Pc,j可以評(píng)價(jià)壁板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)聲壓響應(yīng)峰值的貢獻(xiàn)程度,但無法直接評(píng)價(jià)壁板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)總聲壓P(ω)的貢獻(xiàn)程度。同時(shí),聲場(chǎng)中存在多個(gè)場(chǎng)點(diǎn)時(shí),現(xiàn)有分析方法也沒有合適的參數(shù)來評(píng)價(jià)壁板對(duì)整體聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)程度。

        2 改進(jìn)的壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)分析方法

        2.1 壁板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)總聲壓的貢獻(xiàn)量

        壁板對(duì)每個(gè)聲壓頻率分量的聲學(xué)貢獻(xiàn)均不同,因此采用壁板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)總聲壓的貢獻(xiàn)量來評(píng)價(jià)壁板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)噪聲的貢獻(xiàn)程度。

        場(chǎng)點(diǎn)總聲壓矢量P(ω)由N個(gè)不同頻率的聲壓分量 P(ωi)組成,即:

        根據(jù)聲波疊加原理,頻率不同的聲波不會(huì)發(fā)生干涉,其聲能量滿足非相干疊加原理[10],則:

        其中:ωi為聲壓分量P(ωi)對(duì)應(yīng)的頻率。

        根據(jù)式(5)可知,總聲壓矢量P(ω)的模是通過聲能量的非相干疊加得到的,而非聲壓分量模的簡(jiǎn)單相加,因此不能簡(jiǎn)單的采用壁板對(duì)聲壓分量貢獻(xiàn)量的算術(shù)和來表征壁板對(duì)總聲壓的貢獻(xiàn)量。

        在N維向量空間中,將總聲壓P(ω)和聲壓分量P(ωi)均視為N維向量,向量的維數(shù)等于聲壓分量的數(shù)量,則式(4)和式(5)可表示為:

        其 中:p(ω1), p(ω2), … p(ωN)為 N 維 向 量P(ω)的分量。

        由式(6)可見,P(ω)為向量組 P(ω1),P(ω2), …, P(ωN)的一個(gè)線性組合,P(ω)與P(ωi)均線性相關(guān),向量組中任意兩個(gè)向量均正交,且滿足向量的線性運(yùn)算。向量P(ω)與任意一個(gè)組成向量P(ωi)的夾角θi可表示為

        根據(jù)式(7)求得夾角,將P(ωi)在向量P(ω)方向上進(jìn)行投影,得到分量P(ωi)對(duì)總聲壓P(ω)的貢獻(xiàn)量。以二維向量空間為例,P(ω)和P(ωi)均表示為二維向量,見式(8):

        在二維幾何向量空間中可表示為圖1所示。由圖1可見,向量P(ω1)在P(ωi)方向上的投影可用來表征聲壓分量P(ω1)對(duì)總聲壓P(ω)的貢獻(xiàn)量。

        圖1 P(ω)和P(ωi)的二維幾何向量表示Fig.1 Two - dimensional geometric vector representation of P(ω)and P(ωi)

        同理,將壁板對(duì)聲壓分量P(ωi)的貢獻(xiàn)量Pc,i向總聲壓P(ω)方向上進(jìn)行投影并求和,可得到壁板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)總聲壓的貢獻(xiàn)量

        其中:Pc,s為壁板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)s的貢獻(xiàn)量。

        2.2 壁板對(duì)聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)量

        假設(shè)選取l個(gè)特征場(chǎng)點(diǎn)來描述聲場(chǎng)的整體聲學(xué)特性,聲場(chǎng)的總聲能量為各場(chǎng)點(diǎn)聲能量的疊加,因此采用場(chǎng)點(diǎn)聲能量占聲場(chǎng)總聲能量的比重作為加權(quán)系數(shù),將壁板對(duì)多個(gè)場(chǎng)點(diǎn)總聲壓的貢獻(xiàn)量進(jìn)行加權(quán)并求和,來表征壁板對(duì)整個(gè)聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)量。

        場(chǎng)點(diǎn)s的加權(quán)系數(shù)ks表示為

        其中:Ps(ω)為場(chǎng)點(diǎn)s的總聲壓。

        則壁板對(duì)整個(gè)聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)量pc,T可表示為:

        式(11)采用的加權(quán)系數(shù)考慮了不同場(chǎng)點(diǎn)聲能量占聲場(chǎng)總能量的比重,因此與直接對(duì)Pc,s進(jìn)行求和相比,Pc,T能更加準(zhǔn)確的表征壁板對(duì)聲場(chǎng)整體聲學(xué)特性的影響,通過其量值大小和正負(fù)即可判斷壁板的聲學(xué)貢獻(xiàn)。

        3 仿真模型

        以某急救車為例,三維模型圖見圖2。車廂內(nèi)乘坐人員主要為坐姿傷員、臥姿傷員、站姿醫(yī)護(hù)人員和坐姿醫(yī)護(hù)人員,其中左、右兩側(cè)的坐姿和臥姿傷員以車廂中軸線對(duì)稱分布。這些位置是噪聲對(duì)乘員聽覺的主要影響區(qū)域,因此選取選取左側(cè)坐姿、臥姿傷員耳旁以及坐姿、站姿醫(yī)護(hù)人員耳旁4個(gè)位置作為描述車廂內(nèi)部聲場(chǎng)的特征場(chǎng)點(diǎn),分別記作場(chǎng)點(diǎn)1、2、3、4。分析工況為車輛以80 km/h的速度在柏油路面(相當(dāng)于B級(jí)路面)行駛。

        車廂的結(jié)構(gòu)有限元模型和聲學(xué)邊界元模型見圖3,車廂主要由夾層式復(fù)合鋁板鉚接而成,因此采用可定義夾層結(jié)構(gòu)的多層殼單元(shell181)來定義車廂大板。采用可定義截面形狀的三維薄壁梁?jiǎn)卧?beam188)來定義大板結(jié)構(gòu)中的骨架。車門與車身采用剛性連接,大板間的鉚接采用耦合連接處節(jié)點(diǎn)的所有自由度來模擬。內(nèi)飾、座椅以及急救設(shè)備采用質(zhì)量單元(mass21)連接到車廂。整個(gè)模型劃分為672個(gè)梁?jiǎn)卧? 260個(gè)殼單元,殼單元和梁?jiǎn)卧捎娩X合金材料,密度ρ=2 700 kg/m3,彈性模量 E=7×104MPa,泊松比 μ=0.33。車廂壁板形成封閉的聲腔模型,提取殼單元作為聲學(xué)邊界元模型的網(wǎng)格,該模型在一個(gè)波長范圍內(nèi)還有至少6個(gè)網(wǎng)格單元,滿足精度要求。

        圖2 某急救車三維模型Fig.2 Three-dimensional model of a ambulance

        圖3 車廂仿真模型Fig.3 The simulation modal of carriage

        采用實(shí)測(cè)車廂底板懸置處的振動(dòng)加速度信號(hào)作為結(jié)構(gòu)有限元模型的激勵(lì),在有限元軟件中計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)。為驗(yàn)證有限元模型的可靠性,測(cè)量車廂壁板多個(gè)不同位置的振動(dòng)加速度信號(hào),并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其中,左壁板和右壁板部分測(cè)點(diǎn)位置見圖4。圖5和圖6為圖4對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)加速度功率譜的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。對(duì)比結(jié)果表明,測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,峰值頻率一致,僅在幅值上略有區(qū)別,說明了有限元模型符合實(shí)際結(jié)構(gòu)。

        圖4 壁板振動(dòng)信號(hào)測(cè)點(diǎn)位置Fig.4 Vibration signals test seats in carriage panels

        圖5 左壁板測(cè)點(diǎn)垂向加速度功率譜Fig.5 Vibration acceleration power spectrum at left panel seat

        圖6 右壁板測(cè)點(diǎn)垂向加速度功率譜Fig.6 Vibration acceleration power spectrum at right panel seat

        4 改進(jìn)方法分析

        在LMSVirtual.lab軟件中計(jì)算聲學(xué)邊界元模型的聲學(xué)傳遞向量(Acoustic Transfer Vector,ATV),并將結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為邊界條件,采用直接邊界元法計(jì)算得到場(chǎng)點(diǎn)噪聲和壁板對(duì)聲壓頻率分量的聲學(xué)貢獻(xiàn)量。將計(jì)算結(jié)果代入到式(4)~(11),可得到壁板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)總聲壓和整體聲場(chǎng)的聲學(xué)貢獻(xiàn)量,見表1至表3,其中壁板編號(hào):1為前壁板;2為后壁板;3為頂板;4為左壁板;5為右壁板;6為底板。

        表1給出了4個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的總聲壓,表2和表3為采用改進(jìn)方法計(jì)算得到的車廂壁板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)總聲壓以及整個(gè)聲場(chǎng)的聲學(xué)貢獻(xiàn)量。由表3可以看出,壁板3、4、5對(duì)聲場(chǎng)的正貢獻(xiàn)量要明顯高于其它壁板,對(duì)應(yīng)于表2,這3塊壁板對(duì)4個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的正貢獻(xiàn)量均相對(duì)較大,因此這些壁板是聲場(chǎng)噪聲的主要貢獻(xiàn)者。壁板1和6對(duì)場(chǎng)點(diǎn)及聲場(chǎng)的正貢獻(xiàn)量均相對(duì)較小,為中性區(qū)域;壁板2具有較小的負(fù)貢獻(xiàn)量,為負(fù)貢獻(xiàn)區(qū)域。中性區(qū)域和負(fù)貢獻(xiàn)區(qū)域一般不作為以降噪為目的的結(jié)構(gòu)修改對(duì)象。相對(duì)于壁板對(duì)聲壓響應(yīng)峰值的貢獻(xiàn)量,表2和表3給出的數(shù)據(jù)能全面評(píng)價(jià)壁板對(duì)整個(gè)聲場(chǎng)的聲學(xué)貢獻(xiàn),彌補(bǔ)了現(xiàn)有分析方法的不足,使改善整個(gè)聲場(chǎng)聲學(xué)特性的減振降噪措施更加具有針對(duì)性和有效性。

        表1 場(chǎng)點(diǎn)總聲壓Tab.1 Field points total sound pressure

        為驗(yàn)證上述分析結(jié)果,采用兩種粘貼方式對(duì)仿真模型進(jìn)行阻尼處理:選擇性粘貼和全粘貼。選擇性粘貼是對(duì)聲學(xué)貢獻(xiàn)較大的頂板、左壁板與右壁板粘貼阻尼材料;全粘貼是對(duì)所有壁板均粘貼阻尼材料。表4給出了阻尼處理前后4個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)對(duì)比結(jié)果,可以看出兩種處理方式的降噪效果基本一致,最大相差0.4 dB,說明選擇性粘貼的壁板是車內(nèi)噪聲的主要影響因素,阻尼材料降低了聲場(chǎng)主要貢獻(xiàn)者的聲學(xué)貢獻(xiàn),而其它壁板對(duì)車內(nèi)噪聲影響較小,因此兩種處理方式的降噪效果基本一致。這進(jìn)而也說明了頂板、左壁板與右壁板是聲場(chǎng)噪聲的主要貢獻(xiàn)者,驗(yàn)證了所采用方法分析結(jié)果的正確性。

        表2 壁板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)總聲壓貢獻(xiàn)量Tab.2 Panels acoustic contribution to field points total sound pressure

        表3 壁板對(duì)整個(gè)聲場(chǎng)貢獻(xiàn)量Tab.3 Panels acoustic contributionto the entire acoustic field

        表4 場(chǎng)點(diǎn)總聲壓級(jí)仿真結(jié)果Tab.4 Simulation result of field points total SPL

        5 阻尼降噪

        在上述分析中,通過選取若干個(gè)特征場(chǎng)點(diǎn),通過聲壓響應(yīng)分析和改進(jìn)的壁板聲貢獻(xiàn)分析識(shí)別出聲場(chǎng)噪聲的主要貢獻(xiàn)壁板,進(jìn)而進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)改進(jìn),由此形成了一套系統(tǒng)的聲場(chǎng)降噪方法,其操作流程見圖7。

        基于上述改進(jìn)方法的分析結(jié)果,在實(shí)車上對(duì)聲學(xué)貢獻(xiàn)較大的頂板、左壁板和右壁板粘貼3 mm厚的阻尼材料。阻尼材料由合成的特種聚合物配制壓延而成,主要用于車輛側(cè)壁板、地板,起到阻尼減振作用,詳細(xì)參數(shù)見表5。粘貼阻尼材料后的壁板表面見圖7,圖中灰色區(qū)域?yàn)樽枘岵牧?。測(cè)量車輛以80 km/h的速度在柏油路面(相當(dāng)于B級(jí)路面)行駛時(shí),4個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的噪聲,表6給出了場(chǎng)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果,可以看出,基于改進(jìn)方法的壁板阻尼處理降低了整個(gè)聲場(chǎng)的噪聲,最大降幅達(dá)到3.6 dB。圖8為阻尼處理前后場(chǎng)點(diǎn)2的聲壓響應(yīng)譜,阻尼處理主要降低了壁板振動(dòng)產(chǎn)生的低頻噪聲,對(duì)中高頻噪聲影響較小。

        圖7 聲場(chǎng)降噪流程圖Fig.7 Flow chart of sound field noise reduction

        同時(shí),改進(jìn)方法使用阻尼材料的附加質(zhì)量為23.9 kg,與整體貼附阻尼材料的附加質(zhì)量38.8 kg相比,節(jié)省了14.9 kg,提高了阻尼材料的利用率,并使車輛總質(zhì)量更輕。

        表5 阻尼材料參數(shù)Tab.5 Damping material parameters

        圖8 粘貼阻尼材料后壁板表面結(jié)構(gòu)Fig.8 Panel surface structure after pasting damping material

        表6 場(chǎng)點(diǎn)總聲壓級(jí)試驗(yàn)結(jié)果T a b.6 E x p e r i m e n t r e s u l t o f f i e l d p o i n t s t o t a l S P L

        圖9 場(chǎng)點(diǎn)2的聲壓響應(yīng)譜Fig.9 Sound pressure response spectrum at field point 2

        6 結(jié)論

        (1)針對(duì)車內(nèi)聲場(chǎng)中存在多場(chǎng)點(diǎn)的情況,提出一種分析和評(píng)價(jià)壁板振動(dòng)對(duì)整個(gè)聲場(chǎng)聲學(xué)貢獻(xiàn)的方法,為改善整體聲場(chǎng)的聲學(xué)特性提供了分析手段。

        (2)采用改進(jìn)方法分析在指定工況下某型急救車車廂壁板的聲學(xué)貢獻(xiàn),并通過對(duì)比兩種阻尼粘貼方式的降噪效果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,改進(jìn)方法提出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)能夠更加全面地分析壁板振動(dòng)對(duì)整體聲場(chǎng)的聲學(xué)貢獻(xiàn),并有效識(shí)別對(duì)車內(nèi)整體聲場(chǎng)貢獻(xiàn)較大的壁板。

        (3)根據(jù)分析結(jié)果,對(duì)實(shí)車進(jìn)行阻尼處理。試驗(yàn)結(jié)果表明,基于改進(jìn)方法的壁板阻尼處理有效降低了車內(nèi)多個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的低頻噪聲,整個(gè)聲場(chǎng)的聲學(xué)特性得到了改善,與整體粘貼阻尼材料相比,減少了車廂的附加質(zhì)量,符合車輛輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。

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