基于有限元法的车内声学传递函数分析

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1、基于有限元法的车内声学传递函数分析杨晋田冠男李明江徐有忠(奇瑞汽车有限公司乘用车研究院CAE部)摘要:本文介绍了一种应用有限元方法在LMS.VirtualLab软件平台上进行乘用车驾驶员右耳旁声压传递函数的分析方法。该分析方法是预测乘用车车内噪声水平的重要手段，同时提供了降低车内车身结构噪音的解决方向，在工程应用上具有重要的指导意义。关键词:NVH有限元方法声振耦合声学灵敏度Abstract:Applyingthetheoryoffiniteelementanalysis,thepaperfocusedonthevibrationofsteeringsystem.ACAEme

2、thodtoprevisionthesteeringsystemNVHperformancehasbeenaccessed,theevaluationwasgivenatthesametime.Asaresult,theoptimizationofthestructuredesignofthewholesystemwasdiscussedwithanexample.ThestudyhassomeimportanceinimprovingtheNVHlevelofakindofpassengercar.Keywords:NVH,FEM,SoundPressure,Acousti

3、cSensitivity1.概述汽车NVH水平是客户在选择产品时关心的重点问题，汽车的舒适性能如振动和噪声是区分汽车品牌好坏的重要因素之一。如何提高噪声振动性能是各大汽车厂商在开发车型时考虑的重要问题。汽车噪声按照频率高低，可分为低频（20-250Hz）、中频（250-500Hz）、高频（500Hz以上）。有限元方法能够描述结构系统的振动。有限元解决噪音的频率上限一般为150Hz左右，个别情况下可达250Hz。轿车乘坐室作为典型的弹性薄壁腔体结构，其内壁由立柱横梁等框架结构与地板顶棚等薄板结构组成。在动力总成及底盘部件的激励下，立柱横梁等框架结构产生的整体结构振动，车身薄板结

4、构的局部振动，以及车内空腔空气的振动相互影响产生耦合作用，产生令人讨厌的低频Booming噪音。声振耦合特性的分析在学术研究领域并不鲜见于国内外文献[1，2，3，4]，但于国内汽车整车厂家的工程应用却处于起步状态。结合理论与工程实际，将此方法以规范的流程付诸汽车开发中的工程应用，将是本文介绍的关键。车内驾驶员右耳旁声压传递函数是指单位激励力作用在车身与动力总成及底盘的连接点时，人耳处测到的噪声级。本文研究如何利用有限元方法，在LMS.VirtualLab平台上进行了结构-声学耦合分析，有效预测驾驶员耳旁声压传递函数的方法。2.结构-声学特性耦合分析理论汽车内部噪声源于汽车各个

5、零部件的振动，振动传至构成车内空腔的车身壁板，薄板结构中的机械振动和内部空腔空气的声振动互相耦合，因此要求解车内噪声，需同时求解结构动力学方程和流体动力方程及流体连续性方程。-6-2.1结构振动方程未考虑结构与流体耦合时的结构振动方程为(1)式中为结构质量矩阵；为结构阻尼矩阵；为结构刚度矩阵；为结构外激励力。考虑流体与结构耦合问题，对于结构振动特性而言，尚需考虑作用于界面上流体压力载荷向量的影响，则结构振动方程为(2)其中作为界面面积上的压力的积分为(3)式中为位移单元形函数；为界面的单位法线。用于压力空间变化的有限单元形函数方程为，则界面压力向量方程式(3)可改写为。同时令

6、，带入结构振动方程(2)式，得考虑界面压力向量的结构动态有限单元方程为(4)2.2声学流体波动方程考虑到空气边界阻尼的能量损耗时的声学波动方程为(5)式中，为空气体积；为声压增量；为声压；和都是位置和时间的函数；为声速；为空气密度；为边界表面积；为边界面上的声阻抗。声学有限元中采用空气单元形函数,则具有界面衰减的声学有限元状态方程为(6)-6-式中为空气质量矩阵，为空气单元形函数；为空气刚度矩阵，，；为空气阻尼矩阵；为耦合质量矩阵（空气-结构界面耦合），为结构单元形函数；为节点声压向量；为节点的位移向量；为空气边界法矢量。2.3结构振动-声学耦合状态方程方程(4)和(6)完整

7、的描述了结构振动-声学耦合问题，将两方程联立为完整的结构振动-声学耦合状态方程。(7)式中，。根据式(7)，除去结构、声场本身的固有参数，只要描述车身壁板振动相关的物理量位移、速度或加速度(、、)已知，便可求解考虑了结构-声场耦合关系的声压。1.驾驶员右耳旁声压传递函数分析声压传递函数分析亦称声学灵敏度分析，是指单位动态激励力作用于车身支撑点时，人耳处的噪声声压级，常用来表示。车身声压传递函数一般应小于55dB，此时若激励力为10N动态力时，人耳处的噪声声压级应小于75dB。如图1，模态法声学频率响应分