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基于stran结构声学耦合分析功能的车内乘员噪声水平分析

摘 要：基于stran 结构声学耦合分析功能，以车内乘员耳旁噪声水平为分析目标，考察某款车型发动机悬置和变速器悬置安装位置的垂直冲击输入和扭转振动输入，评估其对车内乘员耳旁噪声水平的贡献，从而为降低乘员耳旁噪声水平，提高乘员舒适性与车辆NVH品质提供优化方向。

关键字：stran，结构声学耦合分析，噪声，NVH

引 言

随着我国汽车工业的迅猛发展，汽车保有量的不断增加，人们对高品质高性能的轿车的需求越来越多。在满足高安全、低油耗、经久耐用以及低费用保养的基础上，人们对轿车的驾乘平顺性能和乘坐舒适性能的要求也越来越严格。多数的消费者在驾驶汽车时，期望得到安静与平稳，以能够充分地享用车内语音通讯和车载音像娱乐系统，因此在购买汽车时非常在意汽车的振动与噪声性能。统计分析表明，汽车的振动与噪声性能和消费者对汽车的总体印象和评价直接相关。另一方面，随着汽车技术的不断推陈出新，各级供应商和整车厂之间的日益紧密合作，不同品牌的使用性能和安全性能的差别日趋缩小，相比之下，汽车的舒适性能常常成为区分汽车品牌好坏的重要因素。为了能吸引更多的消费者选购自己品牌的汽车，汽车厂商在产品设计开发时非常重视降低产品的振动噪声水平，以提高车辆的乘坐舒适性能。

目前，汽车振动噪声控制技术常用的方法有两种，一种是基于数值计算的方法，另一种是基于试验测试的方法，二者各有优缺。基于数值计算的方法通过仿真计算来模拟振动噪声特性，便于对结构进行修改，预测和优化，节约时间和成本，但其受限于模型建立的准确水平和计算的边界条件。试验测试方法对实际产品进行振动噪声测试，结果直观，数据准确，能直接反映宜昌车辆的NVH 性能。但由于测试需要对实车进行测试，在产品的设计开发阶段，尤其是样车还没有生产出来时无法对产品的振动噪声性能进行测试，因此试验方法无法在设计阶段对车辆的振动噪声性能进行控制。实际的产品开发中，常常需要将两种方法结合起来，共同控制产品的振动噪声水平。

数值计算方法在对车辆噪声水平进行模拟计算时，根据计算频率的要求又可分为有限元法（FEA）和统计能量法（SEA）。有限元法主要是解决低频问题，低频问题的解是确定性的，而随着频率的增加，高频时，模态密度变得非常的密，解决高频问题时就需要统计能量分析。本文采用有限元法，使用stran 的结构声学耦合分析功能，对某款车低频范围（10~200Hz）内发动机与变速器悬置位置的垂直振动输入和扭转振动输入进行考察，分析其对车内乘员耳旁噪声水平的贡献，对噪声源进行识别，从而为降低噪声水平，提高乘员舒适性能提供优化方向。

1 结构声学耦合分析理论基础

1.1 多自由度动力学方程

多质量系统的动力学方程

式(1)中，[M]，[C]和[K]分别为多质量系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{F}为力向量。

1.2 声学方程

1.2.1 连续性方程

式(2)中： ux 为流体在x 方向的速度，ρ为流体的密度

1.2.2 动力方程

式(3)中： ux为流体在x 方向的速度， P 为流体的压力

1.2.3 理想气体方程

1.2.4 声学方程

由式（2）的连续性方程、式（3）的动力学方程和式（4）的理想气体方程，可以得到一维声学方程

1.3 结构声学系统耦合求解

声腔的声学有限元状态方程

声腔的结构振动状态方程

将式(7)和式(8)联立即可求得结构声学耦合问题的状态方程。这样由车身结构模型和车内空间声学模型可求得车身结构的模态频率和振动模态，车内空间声学模态频率和声学模态，基于此可即求得由结构外载荷输入引起的声腔内某点的声压响应。

2 结构声学耦合分析模型建立

2.1 结构模型的建立

stran 结构声学耦合分析模型的白车身（BIW）结构模型主要采用壳单元（CQUAR4和CTRIA3）来模拟白车身的各个钣金结构零件与玻璃，焊点连接采用CWELD 单元，螺栓连接采用CBAR 单元，粘胶连接采用体单元（CHEXA 和CPENTA）来模拟，计算模型包含主车身模型和各车门模型。其中的主车身模型如图1 所示。计算采用的各种材料力学性能参数如表1 所示。

图1 白车身结构有限元模型

2.2 声学模型建立

声学模型主要采用实体单元来对驾驶舱声腔进行模拟，stran 中实体单元可以使用四面体单元（CTETRA）和六面体单元（CHEXA），考虑求解精度与计手工银饰算量的因素，本次声腔模型采用以六面体为主的格形式，格尺寸控制在50mm，每个波长6 个单元，划分完毕的声腔模型如2 图所示，图3 为隐去部分单元的声腔模型，由图3 可以看出声腔的内部为整齐的六面体格。

图2 声学有限元模型

图3 声学模型内部结构

2.3 垂直振动输入和扭转振动输入分析工况定义

汽车发动机和变速器的振动是导致整车系统振动噪声的重要输入。本次分析分别在发动机侧悬置支架和变速器侧悬置支架施加垂直振动输入和扭转振动输入，以车内乘员耳旁噪声声压水平为输出，建立四种工况，具体如表2 所示。表3 为车内乘员左右耳空间位置坐标。

stran 响应分析求解方法有两种：直接法和模态法。直接法是对全部耦合的运动方程进行直接的数值积分来求解的，而模态法则是利用结构的模态振型来对耦合的运动方程进行缩减和解耦，然后再由单个模态响应的叠加得到问题的最终解答。二者各有优缺点，直接法的优点是求解结果准确，缺点是由于是直接对耦合的运动方程进行积分计算，求解时间将随着模型单元和节点数目的增加而增加，不太适合多自由度，大分析模型的求解，而模态法是利用结构的模态振型的叠加来求解，考虑到模态截断等问题，其计算精度虽不如直接法精确，但是由于其对运动方程进行了缩减和简化，因此在求解大的模型时，其求解时间会大大缩短。本次分析采用模态法求解，Nastran 求解序列为SOL111。为了保证求解的准确性，结构和声学模态的模态截断求解范围为0~400Hz。

3 计算结果分析评估

3.1 声学模态计算结果

采用模态法求解响应问题，stran 首先需要对结构和声学进行模态分析，计算各阶模态振型和自然频率，以各阶模态振型的叠加求解乘员耳旁噪声的响应水平，图4 为声腔模型的前四阶模态位移振型云图。

图4 声学模态振型

声学模态的模态截断范围是0~400Hz，随着频率的增加，模态密度也变得更密，表4 中都选择最新型的康隆(Cannon)JetPreg解决方案仅列出0~200Hz 的声学模态结果

3.2 乘员耳旁噪声计算结果

3.2.1 乘员耳旁高声压响应噪声源的识别

图5 为四种工况车内乘员耳旁噪声声压响应结果，图中根据响应水平高低可以清晰地分为两簇曲线，其中响应水平较高的为悬置的垂直振动输入所引起的乘员耳旁噪声声压响应，响应水平较低如何将系统理念转化成批量生产就绪的工艺呢?克劳斯玛菲用诸如FiberForm工艺等技术给出了答案的为悬置的扭转振动输入所引起的乘员耳旁噪声声压响应。由此可知，悬置处的垂直振动载荷是导致乘员耳旁噪声声压高响应的主要原因。

图5 四种工况乘员耳旁声压响应

3.2.2 发动机悬置垂直振动输入引起的乘员耳旁噪声响应

图6 为发动机悬置垂直振动输入引起的乘员耳旁声压响应曲线，对比前面的模态计算结果可以看出，响应峰值对应的区间相应地存在着声学使丈量结果不正确模型的固有模态，图中的声压响应相对较大的区间有90Hz~125Hz、140Hz~170Hz 和190Hz~200Hz，对比表4 的结果可以看到相应的频率区间范围内固有模态也比较密。这种特征在区间140Hz~170Hz 和190Hz~200Hz 比较明显。这是由于发动机悬置处的垂直振动输入激起了声学模型对应区间内的模态而导致的较高的声压响应。

图6 发动机悬置垂直振动输入引起的乘员耳旁声压响应

另外的一个能够引起乘员耳旁声压较高的原因是结构声学耦合系统对外载荷的方向的敏感度，由图可知，该系统对垂直方向振动输入响应在区间90Hz~125Hz 和190Hz~200Hz 的响应明显比140Hz~170Hz 要高，部分已经超过设计目标值。由表4 的声学模态计算结果可知，声学系统在60Hz 附近有一阶固有模态，而从响应曲线上并没有看到较高的声压响应。这一点也可从图5 中扭转振动所引起的声压响应得到印证，该结构声学耦合系统对扭转振动的所引起的高声压响应集中在95Hz~165Hz电视卡 之间。因此，系统对外载荷方向的敏感程度也是影响响应水平的重要因素之一。

车内乘员的不同位置对该振动输入的响应也有区别，由图可知后排乘员与前排乘员的声压响应峰值和范围略有不同。前排乘员高声压响应的频率区间为90成套电器Hz~125Hz，后排乘员的高声压响应的频率范围为115Hz~130Hz。同在前排的乘员的高声压响应也不同，前排驾驶员对102Hz~118Hz 之间的噪声要比前排乘员要更敏感，而前排乘员对90Hz~95Hz 之间的噪声则要更敏感。后排左侧乘员的左耳和右耳会分别在123Hz 和114Hz 听到相对“更响”的噪声。四个乘员之中也只有后排右侧的乘员的位置的噪音相对其他三个要好一些，是四个乘员中“最宁静”的位置。

3.2.3 变速器悬置垂直振动输入引起的乘员耳旁噪声响应

图7 为变速器悬置垂直振动输入引起的乘员耳旁噪声响应曲线，由图可知较高的声压响应频率区间范围集中在60Hz~70Hz、105Hz~128Hz 和136Hz~145Hz 之间。60Hz~70Hz 之间的响应曲线表明，对于变速器侧垂直振动载荷后排乘员噪声声压响应要比前排乘员要敏感。前后排乘员对105Hz~128Hz 区间内的噪声响应差别不大，总体而言此区间前排乘员所能听到的噪声要“更响”一些。后排左侧乘员对136Hz~145Hz 的噪声响应要大一些，此区间内后排右侧乘员的右耳的噪声要比左耳的噪声响应要大一些。

图7 变速器悬置垂直振动输入引起的乘员耳旁声压响应

4 结论与展望

本文对车辆的结构声学耦合系统对发动机和变速器悬置位置的垂直振动输入和扭转振动输入的响应进行了计算，获得了乘员耳旁的噪声声压响应。由此得出以下结论：

1） stran 结构声学耦合分析功能可以试验机好坏判断方式在产品的设计阶段对车辆乘员舒适性进行仿真计算，获取系统对各种振动输入的响应，从而在产品的设计阶段就可以对产品的性能进行预测，及时发现设计不足与缺陷，并针对此进行优化，节约开发周期和开发成本，提高产品的竞争力。

2） 通过仿真计算可知，发动机和变速器悬置位置的垂直振动输入的响应要比扭转振动的响应要高，因此在设计时需要优先考虑垂直振动输入，通过优化悬置结构，合适的悬置橡胶力学性能的匹配等措施来尽可能降低该种输入所引起的乘员耳旁噪声声压响应。

3） 结构声学耦合系统对不同位置的载荷、不同方向的载荷输入所引起的高的噪声声压响应频率范围和响应峰值也不相同，因此设计时需要对各种位置和各种方向的载荷输入进行校核，必要时还需要对各种载荷的耦合效应进行计算，以此来保证汽车产品有优秀的乘员舒适性能。

参考文献：

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[5] 杜功焕，朱哲民，龚秀芬. 声学基础. 南京：南京大学出版社，2001.

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