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        基于統(tǒng)計能量分析方法的工程車輛駕駛室聲學(xué)包優(yōu)化

        2020-03-13 23:10:30劉春蕾耿彥波王洪強張戰(zhàn)文
        建筑機械 2020年1期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化模型

        劉春蕾,耿彥波,王洪強,2,張戰(zhàn)文

        (1 徐工集團 江蘇徐工工程機械研究院有限公司,江蘇 徐州 221004;2. 徐工集團 高端工程機械智能制造國家重點實驗室,江蘇 徐州 221004)

        隨著技術(shù)的進步與發(fā)展,車輛駕駛室內(nèi)聲舒適性越來越受到客戶的重視。駕駛室內(nèi)噪聲水平已經(jīng)成為車輛重要性能指標之一。為改善駕駛室內(nèi)舒適性,需要對駕駛室聲學(xué)包進行優(yōu)化改進,降低室內(nèi)噪聲[1]。

        傳統(tǒng)的聲學(xué)分析通常依賴于有限元FEM(Finite Element Method)及邊界元BEA(Boundary Module Analysis),但其僅適用于解決中低頻噪聲問題。隨著頻率增加,波長變短,系統(tǒng)的動態(tài)特性變得更為復(fù)雜,單位帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)量急劇增加,模型計算量巨大,模型無法準確計算。介于上面的缺點,人們開始使用統(tǒng)計的方法處理復(fù)雜的動態(tài)響應(yīng)特性。統(tǒng)計能量分析方法SEA(Statistical Energy Analysis),已被成功應(yīng)用于車輛的聲學(xué)、振動傳遞路徑分析,并可以準確地進行各種結(jié)構(gòu)于車輛的振動、聲學(xué)預(yù)測[2]。

        本文針對某型工程車輛,應(yīng)用統(tǒng)計能量分析方法分析預(yù)測駕駛室司機耳旁噪聲,并對比試驗結(jié)果校核模型。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)進行噪聲源分析,確定聲學(xué)包優(yōu)化方案,通過仿真與試驗方法確定優(yōu)化效果。

        1 工程車輛駕駛室SEA模型的建立

        1.1 統(tǒng)計能量分析基本原理

        統(tǒng)計能量分析(SEA)是一種把研究對象劃分成子系統(tǒng)后,用功率流描述子系統(tǒng)間復(fù)雜作用關(guān)系的模型化分析方法。統(tǒng)計能量分析模型有6個基本假設(shè):(1)模型的子系統(tǒng)間是線性守恒的耦合,不存在非保守性質(zhì)的耦合特征;(2)能量是在具有共振頻率的子系統(tǒng)之間流動;(3)子系統(tǒng)受到的激勵為互不相關(guān)的寬帶隨機激勵,統(tǒng)計上獨立,具有模態(tài)非相干性;(4)在一個子系統(tǒng)中,固定頻帶內(nèi)所有共振的模態(tài)能量均分;(5)互易性原理適應(yīng)于不同子系統(tǒng)間;(6)任兩個子系統(tǒng)間的能量流與振動時耦合的子系統(tǒng)間的能量成正比。

        根據(jù)能量守恒原理,外界對子系統(tǒng)輸入的能量應(yīng)等于該子系統(tǒng)阻尼消耗的能量與輸出到相鄰子系統(tǒng)的能量之和。功率流平衡關(guān)系式如下[2,3]:

        式中 Pi,in為外界對子系統(tǒng)i的輸入功率;Pid為子系統(tǒng)i的平均損耗功率;Pij為從子系統(tǒng)i流向子系統(tǒng)j的功率(i,j=1,2,…,N),即功率流。

        1.2 SEA模型建立及加載

        在仿真軟件中建立駕駛室的SEA模型,是功率流平衡方程在具體結(jié)構(gòu)上的形象化。對某工程車輛駕駛室的三維模型進行簡化,忽略后視鏡、孔洞、凸塊等細小特征[4,5]。將駕駛室車身鈑金件、前后擋風(fēng)玻璃、地板等部件建立為面板子系統(tǒng)。最終的駕駛室SEA模型如圖1所示,包含742個板結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)。

        圖1 駕駛室SEA模型板結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)

        駕駛室聲學(xué)包是通過計算駕駛員頭部所在聲腔的平均聲壓來衡量其聲學(xué)性能的。由于關(guān)注的是駕駛員處的噪聲,因此首先劃分出駕駛員處的頭部聲腔;其次為探尋噪聲的能量傳遞路徑,對駕駛員及乘員分別劃分出腰部、腿部空間。其中座椅有單獨的空間,儀表板也分成上下兩部分,擋風(fēng)玻璃下方也單獨劃出聲腔子系統(tǒng)。另外,為了便于加載外部聲載荷需要搭建外部聲腔,外部聲腔根據(jù)車身外表面的節(jié)點進行建立,需要分別建立前擋風(fēng)玻璃、車門、車窗、車頂、后圍、地板等外聲腔。最終如圖2所示,駕駛室SEA模型共劃分168個聲腔子系統(tǒng)。

        圖2 駕駛室SEA模型聲腔子系統(tǒng)

        本文探討的是工程車輛在60km/h高速行駛工況的車內(nèi)噪聲,主要激勵源為發(fā)動機噪聲及風(fēng)噪。激勵的輸入值來源于實際工況的測試值。車輛在良好水平路面上以規(guī)定工況行駛,采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在駕駛室外表面分別共計40個測點布置表面麥克風(fēng)傳感器,記錄駕駛室外表面聲壓信號。發(fā)動機噪聲激勵測量,采取車輛在底盤測功機上模擬60km/h行駛的方法,在發(fā)動機上、下、左、右、前共5個表面,每個表面布置3個傳聲器,記錄平均聲壓級作為該表面的近場聲壓級。每個發(fā)動機近場聲壓及駕駛室表面聲壓測量見圖3,測量值見圖4。

        圖3 駕駛室表面聲壓及發(fā)動機近場聲壓測量

        圖4 發(fā)動機及駕駛室表面某點噪聲聲壓級

        1.3 聲學(xué)包模型仿真與試驗對比

        在駕駛室外部的噪聲測點對應(yīng)腔體上,將試驗得到的發(fā)動機噪聲及風(fēng)噪激勵加載到模型中,并根據(jù)駕駛室聲學(xué)包的布置方案對模型進行吸隔聲處理。原聲學(xué)包的材料數(shù)據(jù)(見表1)代入SEA模型,并計算可以得到司機耳旁所在的頭部腔體的平均聲壓級[6]。

        表1 聲學(xué)包主要材料性能參數(shù)

        圖5 60km/h工況司機耳旁聲壓級仿真與試驗對比

        圖5所示為60km/h行駛工況的司機耳旁聲壓級仿真值與試驗值對比圖。從圖中可以看出,試驗和仿真結(jié)果在400Hz~5000Hz頻域上的趨勢基本一致。噪聲能量主要集中在400Hz~1600Hz頻率范圍內(nèi);仿真結(jié)果在2000Hz~5000Hz高頻區(qū)域較試驗結(jié)果高2dB~3dB。駕駛室SEA模型的仿真與試驗結(jié)果匹配較好,模型可信度較高。

        2 駕駛室聲學(xué)包性能優(yōu)化及驗證

        2.1 司機耳旁噪聲貢獻量分析及聲學(xué)包優(yōu)化

        針對司機耳旁噪聲能量集中的400Hz~2000Hz頻率范圍內(nèi)的降噪工作,需要對車內(nèi)噪聲的傳遞路徑進行分析,尋找薄弱環(huán)節(jié),改進聲學(xué)包設(shè)計以降低司機耳旁噪聲[7]。

        為了準確找到傳遞路徑,首先就要查找司機頭部聲腔能量的輸入來源。根據(jù)SEA分析結(jié)果,可以計算司機頭部周圍腔體的輸入功率,進行頭部聲腔的輸入功率貢獻量分析,見圖6。

        圖6 60km/h勻速行駛工況頭部聲腔的輸入功率貢獻量分析

        從司機頭部聲腔的輸入功率貢獻量分析結(jié)果,可以看出:1)400Hz~630Hz頻域,中部地板的貢獻量最大,兩側(cè)地板的貢獻量有限;2)630Hz~1600Hz頻域,側(cè)窗玻璃和側(cè)窗玻璃泄露的影響最大。聲學(xué)包優(yōu)化方向:提升中部地板的隔聲性能;優(yōu)化側(cè)窗玻璃或提高車門密封性能。最終形成的聲學(xué)包優(yōu)化方案見表2。

        表2 聲學(xué)包優(yōu)化方案

        2.2 聲學(xué)包優(yōu)化方案仿真及驗證

        在駕駛室SEA模型中對側(cè)窗玻璃泄露位置的面連接(Area Junction)的傳遞損失作放大處理,模擬泄露位置的封閉處理措施。對中部地板和兩側(cè)地板上的面板子系統(tǒng)上的NCT(Noise Control Treatment聲學(xué)處理措施)進行修改,增加1.5mm后的橡膠隔音墊。模型上的聲載荷保持不變,計算司機頭部聲腔的平均聲壓級,對比聲學(xué)包優(yōu)化前后的噪聲值大小,對比結(jié)果見圖7。

        圖7 聲學(xué)包改進前后的司機耳旁聲壓級仿真值

        從司機耳旁聲壓級改進前后仿真值對比圖中可以看出,聲學(xué)包優(yōu)化方案實施后,司機耳旁聲壓級有明顯降低。400Hz~1600Hz范圍內(nèi),司機耳旁聲壓級降低了3dB~5dB;2000Hz~5000Hz范圍內(nèi),司機耳旁聲壓級降低了5dB~10dB。

        表3 聲學(xué)包優(yōu)化前后噪聲值(400Hz~5000Hz)

        對工程車輛按照優(yōu)化方案進行實車改進,并進行60km/h勻速行駛工況噪聲測試。測試結(jié)果(見表3)表明,聲學(xué)包優(yōu)化方案實車實施后,司機耳旁噪聲在400Hz~5000Hz范圍內(nèi)降低了3.1dB。

        3 結(jié)束語

        (1)本文基于統(tǒng)計能量分析方法建立了包含駕駛室車身面板結(jié)構(gòu)和內(nèi)外聲腔子系統(tǒng)的聲學(xué)仿真模型,采用試驗方法獲取聲激勵數(shù)據(jù),輸入聲學(xué)包材料特性參數(shù),以60km/h勻速行駛工況作為計算工況,分析預(yù)測了400Hz~5000Hz頻率范圍內(nèi)的工程車輛駕駛室司機耳旁噪聲。對比試驗結(jié)果,頻譜趨勢基本一致,驗證了統(tǒng)計能量分析方法預(yù)測噪聲的有效性。

        (2)根據(jù)SEA模型計算結(jié)果,進行了司機頭部聲腔的輸入功率貢獻量分析,確定主要噪聲輸入路徑為中部地板、側(cè)窗玻璃泄露位置及兩側(cè)地板,進一步得到聲學(xué)包的優(yōu)化方案。仿真結(jié)果表明,聲學(xué)包改進前后,司機耳旁聲壓級在400Hz~5000Hz頻率范圍內(nèi)有明顯降低。聲學(xué)包方案實施后,聲學(xué)包優(yōu)化方案司機耳旁聲壓級降低了3.1dB。統(tǒng)計能量分析方法為聲學(xué)包優(yōu)化提供了一種可行的方法。

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