高巖

摘 要：世界各大汽車廠商以及汽車研究機構(gòu)均致力于研究如何降低車內(nèi)噪聲水平，該文基于ESI集團的VA One綜述了汽車車內(nèi)全頻段噪聲預(yù)測分析方法，論述了車內(nèi)低頻、高頻和中頻噪聲的研究現(xiàn)狀，對汽車車內(nèi)全頻段噪聲預(yù)測分析的研究做了展望。

關(guān)鍵詞：VA One 車內(nèi)全頻段噪聲

中圖分類號：U467.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0061-02

隨著汽車技術(shù)的不斷進步，人們對汽車產(chǎn)品舒適性要求的不斷提高，世界各國對汽車車內(nèi)噪聲限值要求更加嚴格，因此，世界各大汽車廠商以及汽車研究機構(gòu)均致力于降低車內(nèi)噪聲，以滿足廣大消費者和政府法規(guī)的要求。汽車車內(nèi)噪聲包括低頻噪聲、中頻噪聲和高頻噪聲，構(gòu)成了車內(nèi)全頻段噪聲。針對不同頻率段的噪聲特性，利用CAE技術(shù)與數(shù)值計算相結(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)合先進的試驗方法，可以分別進行有效地預(yù)測。在汽車研發(fā)初期，對車內(nèi)全頻段噪聲的預(yù)測分析，可以為新車型的正向設(shè)計開發(fā)提供較為準確的整車噪聲特性，從而避免大量的試制樣機和重復(fù)試驗，縮短了開發(fā)周期和降低了研發(fā)成本。法國ESI集團于2005年推出了全頻段振動噪聲分析軟件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，提供了一種有限元和統(tǒng)計能量分析嚴格的耦合形式，能夠統(tǒng)一而可靠地進行全頻譜范圍的求解[3]。

1 車內(nèi)噪聲預(yù)測分析的研究現(xiàn)狀

在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中，對車內(nèi)全頻段噪聲的預(yù)測是一項非常復(fù)雜的工程。隨著數(shù)值計算方法和計算機技術(shù)的不斷進步，各種數(shù)值計算方法和商業(yè)軟件大量涌現(xiàn)，對分析車內(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可以對汽車車內(nèi)全頻段噪聲進行預(yù)測分析。

1.1 車內(nèi)低頻噪聲預(yù)測

汽車車內(nèi)低頻噪聲主要是由車身板件結(jié)構(gòu)的振動引起的車內(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)階段對車內(nèi)低頻噪聲的預(yù)測主要應(yīng)用FEM來研究。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)則封閉空間聲場和聲學(xué)模態(tài)分析，F(xiàn)EM開始正式應(yīng)用于解決車內(nèi)聲場與振動的耦合問題。隨后，國內(nèi)外一些專家學(xué)者進行了大量研究工作。

通過分析車內(nèi)低頻噪聲問題的VA One模型，分別建立車身結(jié)構(gòu)和車內(nèi)聲腔的有限元模型，通過這兩個模型可以分析車身結(jié)構(gòu)模態(tài)，車內(nèi)聲腔的聲學(xué)模態(tài)，接下來可以通過VA One中建立二者的聲固耦合面連接，然后建立車內(nèi)低頻噪聲分析模型，分析結(jié)構(gòu)與聲腔的耦合響應(yīng)，來研究車內(nèi)某一點的噪聲聲壓級。還可以通過結(jié)構(gòu)模態(tài)參與因子、聲學(xué)模態(tài)參與因子、車身板件的貢獻量、聲學(xué)靈敏度等分析，可以有效地進行汽車車身結(jié)構(gòu)模型的改進設(shè)計，來滿足車內(nèi)低頻噪聲的要求。

1.2 車內(nèi)高頻噪聲預(yù)測

汽車車內(nèi)高頻噪聲通常是頻率大于1 000 Hz的空氣聲，一般采用SEA來分析。SEA是20世紀60年代初發(fā)展起來的解決高頻聲振問題的有效方法。它從統(tǒng)計的角度分析統(tǒng)計密度集模態(tài)平均的振動能量傳遞水平，利用所研究對象各子系統(tǒng)之間具有統(tǒng)計意義的能量參量變化來研究其動力學(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)用開始擴展到汽車領(lǐng)域。

SEA可以單獨分析汽車SEA子系統(tǒng)的聲學(xué)特性。Q. Zhang等建立了車門子系統(tǒng)的SEA模型，該模型包括外殼、車門聲腔、車門內(nèi)部金屬片、空氣屏障和內(nèi)飾，在聲傳遞損失測量中考慮了漏聲問題，并提出漏聲對車門系統(tǒng)的整體聲學(xué)性能有著重要影響。還有人對汽車擋泥板、防火墻、擋風(fēng)玻璃等子系統(tǒng)應(yīng)用SEA進行隔聲、吸聲特性分析。SEA可以分析汽車整車系統(tǒng)的聲學(xué)特性。M.G. Foulkes等對汽車空氣傳播的道路噪聲進行了預(yù)測，建立整車SEA模型，預(yù)測車內(nèi)噪聲傳遞路徑，采用插入損失測量方法對SEA預(yù)測的噪聲傳遞路徑進行修正。同時，SEA可以用于汽車聲學(xué)包的設(shè)計開發(fā)，利用整車SEA模型計算汽車聲學(xué)包的聲傳遞損失和吸聲系數(shù)，并對其進行優(yōu)化設(shè)計，使聲學(xué)包的性能、重量和成本滿足最優(yōu)的開發(fā)要求。

相比于FEM確定性的分析方法，SEA是從統(tǒng)計的意義出發(fā)，運用能量的觀點來預(yù)測分析汽車車內(nèi)高頻噪聲問題?，F(xiàn)在VA One軟件中的高頻分析功能集成了振動噪聲著名軟件AutoSEA2，在VA One中，通過理論計算和試驗的方法，建立汽車每個SEA子系統(tǒng)的參數(shù)（模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子等）和各個子系統(tǒng)間的耦合損耗因子來建立整車SEA模型，確定整車SEA模型的激勵工況，來預(yù)測分析汽車各個SEA子系統(tǒng)的聲學(xué)特性和汽車車內(nèi)高頻噪聲問題。

1.3 車內(nèi)中頻噪聲預(yù)測

前面所述，汽車車內(nèi)低頻噪聲問題采用FEM來研究，高頻噪聲問題采用SEA來研究。對于汽車車內(nèi)中頻噪聲問題，單獨使用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，它采用動力平衡方程和功率平衡方程計算聲振系統(tǒng)的響應(yīng)。通常，汽車車內(nèi)中頻噪聲的頻率范圍為200～1 000 Hz。在這個頻段內(nèi)，某些子系統(tǒng)的動態(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)，這類結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)問題就成為典型的中頻問題。

為了分析中頻噪聲問題，國外許多學(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Hybrid FE-SEA建模分析技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻，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)振動響應(yīng)的混合方法。Hybrid FE-SEA方法可以作為SEA的補充，在SEA模型的基礎(chǔ)上，將對響應(yīng)影響較大的子系統(tǒng)詳細化，這樣可以有效地提高響應(yīng)的預(yù)測精度，目前，VA One是唯一能夠進行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)測問題。

2 結(jié)論和展望

在汽車產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)初期，利用VA One建立汽車車內(nèi)全頻段噪聲模型，可以對汽車結(jié)構(gòu)進行設(shè)計以及車內(nèi)聲學(xué)包進行開發(fā)設(shè)計，并對車內(nèi)全頻段噪聲水平進行預(yù)測分析，可以大量縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

參考文獻

[1] 李德玉，歐禮堅，趙成璧.長T型聲共振器在船舶噪聲控制中的應(yīng)用[J].廣東造船，2012（6）：58-61.

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