基于聲固耦合的汽車駕駛室聲學(xué)設(shè)計(jì)

1、基于聲固耦合的汽車駕駛室聲學(xué)設(shè)計(jì) 【摘要】在充分考慮駕駛室車身結(jié)構(gòu)與車內(nèi)空氣相互作用的基礎(chǔ)上，分析了汽車駕駛室噪聲的特性和聲固耦合系統(tǒng)的理論建模，論述了駕駛室聲固耦合系統(tǒng)靈敏度的分析方法，進(jìn)而提出汽車駕駛室聲學(xué)設(shè)計(jì)的具體措施?！娟P(guān)鍵詞】駕駛室，噪聲，振動(dòng)，聲固耦合，聲學(xué)設(shè)計(jì)Design of Car Cab Acoustic Based on Sound-Structure-CouplingAbstract: The impact of the coupling for the structure of body and air of cab was considered completely

2、. The car cab noise characteristics and theory model of sound-structure coupling system were analyzed. The paper proposed analysis methods of sound-structure coupling sensitivity inside the car, and actual methods of car cab acoustic design were introduced.Key words: car cab，noise，vibration，sound-st

3、ructure coupling, acoustic design1 駕駛室內(nèi)噪聲的主要來(lái)源及其特性駕駛室聲學(xué)設(shè)計(jì)的目的就是采用隔振、減振、隔聲和吸聲等技術(shù)措施，使駕駛員的耳旁噪聲降低到允許標(biāo)準(zhǔn)以下。為此，首先要查明駕駛室內(nèi)噪聲的主要來(lái)源及其特性。汽車駕駛室的噪聲主要來(lái)源于動(dòng)力系統(tǒng)、路面激勵(lì)和駕駛室與外面空氣的摩擦引起的振動(dòng)，這些振動(dòng)經(jīng)過(guò)懸架、壁板等的放大作用，以結(jié)構(gòu)噪聲或空氣噪聲的形式進(jìn)入駕駛室空腔，形成駕駛室內(nèi)噪聲。其發(fā)生機(jī)理如下圖1所示。噪聲向駕駛室傳播的途徑主要有兩個(gè)：一是通過(guò)車身壁板及門(mén)窗上的孔、縫直接傳入車內(nèi)；二是車外噪聲波作用于車身壁板，激發(fā)壁板振動(dòng)，并向車內(nèi)輻射噪聲。因此，駕駛

4、室內(nèi)的噪聲是一種復(fù)合噪聲，主要由空氣聲、固體聲和混響聲三部分組成。一般認(rèn)為在駕駛室與機(jī)體剛性聯(lián)結(jié)的情況下，固體聲是主要的。試驗(yàn)表明，通過(guò)孔縫傳聲占駕駛室噪聲總強(qiáng)度的18%左右，由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)傳給駕駛室壁板的振動(dòng)遠(yuǎn)大于空氣聲激發(fā)的振動(dòng)。聲源振動(dòng)源孔縫傳透壁板振動(dòng)機(jī)體駕駛室內(nèi)混響駕駛室內(nèi)噪聲圖1 駕駛室內(nèi)噪聲形成機(jī)理圖傳統(tǒng)理論認(rèn)為，封閉空間內(nèi)部聲場(chǎng)只是振動(dòng)邊界激勵(lì)的結(jié)果。實(shí)際上卻不盡然，在振動(dòng)邊界激勵(lì)聲場(chǎng)內(nèi)部空氣振動(dòng)的同時(shí)，由于空氣質(zhì)量的作用，空氣的振動(dòng)又會(huì)反作用于振動(dòng)邊界。因此，內(nèi)部聲場(chǎng)事實(shí)上是振動(dòng)邊界和振動(dòng)空氣耦合作用（即聲固耦合作用）的結(jié)果。由于駕駛室內(nèi)部的噪聲主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)和路面激勵(lì)引起駕

5、駛室壁板振動(dòng)而輻射出來(lái)的固體聲，因而運(yùn)用聲固耦合方法來(lái)研究駕駛室內(nèi)部的噪聲比較適宜。1976年，J.A.Wolf 和D.J.Nefske用有限元軟件NASTRAN對(duì)2080Hz頻率范圍內(nèi)二維車輛模型的聲學(xué)結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題進(jìn)行了分析。2001年，密西根大學(xué)的M.J.Allen在其博士論文中基于標(biāo)準(zhǔn)的FEA和BEA數(shù)值模型，對(duì)聲固耦合系統(tǒng)受隨機(jī)激勵(lì)的響應(yīng)進(jìn)行了研究1。國(guó)內(nèi)許多專家、學(xué)者在借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)車內(nèi)噪聲也進(jìn)行了大量的研究工作。對(duì)于車內(nèi)噪聲而言，20200Hz是一個(gè)值得重視的特殊頻段，因?yàn)?0Hz是人耳能聽(tīng)到的最低頻率，而200Hz以下是車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的車內(nèi)噪聲相對(duì)集中的頻段，在這一頻

6、段內(nèi)車內(nèi)低頻噪聲主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)和不平路面的激勵(lì)，其幅值較高且不易利用吸聲等方法消除2。2 駕駛室聲固耦合系統(tǒng)的理論建模為了在設(shè)計(jì)階段對(duì)駕駛室的聲學(xué)性能進(jìn)行分析，必須從理論上尋求描述駕駛室聲學(xué)特性的方法。利用固體力學(xué)和聲學(xué)有限元方法，可以分別建立駕駛室壁板結(jié)構(gòu)和室內(nèi)聲場(chǎng)的有限元方程，并利用聲固耦合的模態(tài)綜合技術(shù)建立駕駛室聲固耦合系統(tǒng)的動(dòng)力方程，分別求出駕駛室壁板結(jié)構(gòu)和聲固耦合系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)，并根據(jù)室內(nèi)聲場(chǎng)耦合后的振型，確定對(duì)應(yīng)于某一模態(tài)各點(diǎn)聲壓值為零的聲場(chǎng)節(jié)面的位置。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使室內(nèi)噪聲各主要頻率的節(jié)面位置靠近耳旁，以降低耳旁噪聲。為了驗(yàn)證上述理論分析結(jié)果的正確性，王登峰等3對(duì)處于自由自由

7、軟懸掛狀態(tài)下的駕駛室進(jìn)行了聲固耦合試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，結(jié)果表明，上述分析是可行的。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與計(jì)算，可以得到駕駛室聲固耦合系統(tǒng)的固有頻率、振型和阻尼比，為求解駕駛室聲固耦合系統(tǒng)的噪聲響應(yīng)提供了阻尼數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)階段對(duì)室內(nèi)噪聲進(jìn)行分析，需要預(yù)先估計(jì)所設(shè)計(jì)駕駛室聲固耦合系統(tǒng)的阻尼。所以，可以利用通過(guò)駕駛室聲固耦合試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析已識(shí)別出來(lái)的各階固有頻率和阻尼比，并利用Caughey級(jí)數(shù)來(lái)得到對(duì)振型矩陣解耦的阻尼矩陣C，即 （1）系數(shù)可由解出。 式中M為質(zhì)量矩陣，K為剛度矩陣，r為第r階阻尼比，r為第r階固有頻率，r1，2，n。根據(jù)新設(shè)計(jì)駕駛室聲固耦合系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，利用上述阻尼矩陣模型就

8、可以得到聲固耦合系統(tǒng)的阻尼矩陣C，把新設(shè)計(jì)駕駛室聲固耦合系統(tǒng)的各階固有頻率r代入上式，就可以獲得各階阻尼比。這樣求得的阻尼，一般可以滿足工程計(jì)算的精度要求。3 汽車駕駛室聲固耦合系統(tǒng)的靈敏度分析在汽車駕駛室聲固耦合系統(tǒng)中，有很多設(shè)計(jì)參數(shù)可供調(diào)整，但每個(gè)參數(shù)的變化對(duì)聲學(xué)性能的影響是不同的。選擇對(duì)車內(nèi)聲學(xué)質(zhì)量影響最靈敏的變量作為調(diào)整的主參數(shù)，需要進(jìn)行聲固耦合系統(tǒng)的靈敏度分析。在汽車NVH（Noise Vibration Harshness）設(shè)計(jì)中，靈敏度分析是指汽車聲學(xué)質(zhì)量隨設(shè)計(jì)參數(shù)的變化梯度。靈敏度分析以優(yōu)化聲場(chǎng)為目的，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行微幅修改，尋找最佳著手點(diǎn)。靈敏度分析可以分為動(dòng)態(tài)靈敏度分析和靜態(tài)靈

9、敏度分析。結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靈敏度分析有特征（特征值、特征向量）靈敏度分析、傳遞函數(shù)靈敏度分析和動(dòng)力響應(yīng)靈敏度分析等。靈敏度的計(jì)算方法主要有直接求導(dǎo)法和伴隨結(jié)構(gòu)法。直接求導(dǎo)法比較簡(jiǎn)單，無(wú)論是一階還是高階靈敏度都可以方便地應(yīng)用，因而較為常用。在駕駛室聲固耦合系統(tǒng)的靈敏度分析中，選取駕駛室各處壁板厚度為設(shè)計(jì)變量，以駕駛室內(nèi)特定聲場(chǎng)（駕駛員和乘員的主要活動(dòng)空間）的加權(quán)聲壓作為狀態(tài)變量，選用聲學(xué)單元的體積作為加權(quán)系數(shù)，以駕駛員右耳處的聲壓級(jí)作為目標(biāo)函數(shù)。因?yàn)樗仁窃O(shè)計(jì)變量即壁板厚度的函數(shù)，同時(shí)又受到狀態(tài)變量的約束。設(shè)計(jì)變量是ANSYS中Shell單元的實(shí)常數(shù)，通過(guò)對(duì)不同實(shí)常數(shù)對(duì)應(yīng)駕駛員右耳處聲壓級(jí)的求解，就可

10、得到聲壓級(jí)對(duì)壁板厚度變化的梯度，即靈敏度。趙冠軍等4應(yīng)用ANSYS的靈敏度設(shè)計(jì)功能（Gradient Tool），以駕駛室壁板厚度為設(shè)計(jì)變量，以駕駛員右耳處聲壓級(jí)為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行了汽車駕駛室聲固耦合系統(tǒng)的靈敏度分析，得到了各個(gè)面板對(duì)駕駛員右耳處聲壓級(jí)的靈敏度，確定在118 Hz時(shí)前擋板的靈敏度最大，如果微量增加前擋板厚度，駕駛員右耳聲壓級(jí)將會(huì)顯著降低。試驗(yàn)表明，前擋板的厚度增加0.1mm，駕駛員右耳處聲壓級(jí)降低了3.26 dB。靈敏度分析避免了設(shè)計(jì)的盲目性，為進(jìn)行動(dòng)態(tài)擇優(yōu)聲學(xué)設(shè)計(jì)提供了方向性的指導(dǎo)。4 汽車駕駛室聲學(xué)設(shè)計(jì)措施4.1 隔振設(shè)計(jì)為了緩沖或隔離機(jī)體傳給駕駛室的振動(dòng)，從而消除或減弱二次

11、噪聲，隔絕固體聲的傳播，駕駛室和車輛機(jī)體連接處就需要設(shè)計(jì)隔振系統(tǒng)。目前應(yīng)用較廣泛的隔振元件是橡膠墊塊，其結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證在各個(gè)方向上都能起到隔振作用。隔振系統(tǒng)的隔振量取決于隔振系統(tǒng)的剛度和阻尼參數(shù)。若要得到預(yù)計(jì)的隔振量，需要計(jì)算隔振系統(tǒng)的剛度和阻尼參數(shù)，以確定合理的剛度和阻尼值。由于機(jī)體和駕駛室都是復(fù)雜的彈性體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行精確的計(jì)算很困難，故采用簡(jiǎn)化的近似分析方法，即將機(jī)體和駕駛室均視為絕對(duì)剛體，把整個(gè)隔振系統(tǒng)簡(jiǎn)化成單自由度的振動(dòng)力學(xué)模型，這樣就可以按常規(guī)無(wú)源隔振系統(tǒng)的振動(dòng)分析模型來(lái)計(jì)算和合理選擇隔振元件的剛度和阻尼參數(shù)。對(duì)駕駛室隔振降噪的要求而言，振動(dòng)傳遞率T的期望值可根據(jù)所要求的降噪量來(lái)推算：

12、（2）式中Lp為采取隔振措施前后聲壓級(jí)的差值（dB）。根據(jù)隔振元件的阻尼比和計(jì)算得到的振動(dòng)傳遞率T，可以確定隔振系統(tǒng)的頻率比，求得隔振系統(tǒng)的固有頻率，進(jìn)而合理選擇隔振元件。當(dāng)然，駕駛室隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不能只考慮降低噪聲的要求，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)安全要求，保證駕駛室與車輛機(jī)體的聯(lián)接具有足夠的剛性，這自然會(huì)增加隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。4.2 隔聲設(shè)計(jì)駕駛室隔聲設(shè)計(jì)的目的在于隔絕空氣聲通過(guò)壁板向室內(nèi)傳播。駕駛室的隔聲能力用下式表示： （3）式中：TL為隔聲量（dB），E0為入射到駕駛室壁板上的聲能（J/m2），E為透射到駕駛室內(nèi)的聲能（J/m2），為傳聲系數(shù)。隔聲量的大小與選用的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。駕駛室的壁板材

13、料多選用隔聲效果好的鋼板、硬質(zhì)塑料和玻璃，其結(jié)構(gòu)形式有單層和雙層兩種?？紤]到聲波頻率對(duì)隔聲性能的影響，工程上常用125、250、500、1000、2000、4000Hz六個(gè)頻率時(shí)的隔聲量的算術(shù)平均值來(lái)表示材料或結(jié)構(gòu)的隔聲性能。對(duì)單層勻質(zhì)實(shí)心構(gòu)件而言，隔聲量與單位面積的質(zhì)量M（kg/m2）有關(guān)，單位面積質(zhì)量越大，越不容易振動(dòng)，傳遞過(guò)去的聲能就越少，因而隔聲量就越大，也就是說(shuō)符合質(zhì)量定律。同時(shí)，當(dāng)單位面積的質(zhì)量一定時(shí)，入射聲波的頻率f（Hz）越高，越不容易傳透過(guò)去，即高頻聲比低頻聲容易隔絕。它們之間的定量關(guān)系可用下式描述： （4）可見(jiàn)，只要增加駕駛室壁板的厚度，單位面積質(zhì)量就可增加，隔聲量就可提高

14、。壁板厚度每增加一倍，隔聲量可提高4.5 dB。應(yīng)當(dāng)注意的是壁板的厚度的增加將使其固有頻率提高，當(dāng)接近聲波頻率時(shí)，將會(huì)引起壁板共振，從而大大降低隔聲效果。為此，需要按下式進(jìn)行壁板共振的校核： （5）式中：fc為單層構(gòu)件的共振頻率，c為空氣中的聲速（m/s），cL為材料中的聲速（m/s），為壁板構(gòu)件的厚度（m）。通常輕質(zhì)隔聲結(jié)構(gòu)的固有頻率為30300Hz，容易與車輛上高聲壓級(jí)的低頻可聽(tīng)聲發(fā)生共振。為了改善輕質(zhì)隔聲結(jié)構(gòu)的隔聲效果，可在其結(jié)構(gòu)表面涂加阻尼材料，以減弱共振。當(dāng)要求的隔聲量很大時(shí)，單層結(jié)構(gòu)是不經(jīng)濟(jì)的。此時(shí)，可采用中間有空氣層的雙層結(jié)構(gòu)。由于中間空氣層的彈性變形具有減振作用，使傳給內(nèi)層壁板

15、的振動(dòng)大為減弱，從而使總的隔聲量大大提高。雙層結(jié)構(gòu)的隔聲量可用下式計(jì)算：當(dāng)M1+M2100kg/m2時(shí)， （6）當(dāng)M1+M2100kg/m2時(shí)， （7）式中：TL為雙層結(jié)構(gòu)的隔聲量（dB），M1、M2分別為外層、內(nèi)層壁板的單位面積的質(zhì)量，TL為與空氣層厚度b相關(guān)的隔聲量增量。雙層結(jié)構(gòu)的共振校核按下式進(jìn)行： （8）為使雙層結(jié)構(gòu)的固有頻率避開(kāi)共振區(qū)，應(yīng)使其低于入射聲波頻率的。同時(shí)，為了提高隔聲效果，應(yīng)控制駕駛室上的孔、縫的總面積，并采取密封措施。4.3 吸聲設(shè)計(jì)吸聲設(shè)計(jì)的目的是消除或降低駕駛室內(nèi)多次反射形成的混響聲。為此，應(yīng)選用吸聲系數(shù)高的吸聲材料和增大吸聲結(jié)構(gòu)的表面積。吸聲結(jié)構(gòu)主要有填充材料和吸

16、聲飾面兩部分組成。填充材料為多孔性吸聲材料，如玻璃纖維、礦渣棉、泡沫塑料等。由于多孔性材料一般都是松散的，如果直接敷設(shè)在駕駛室壁面上，很容易碰壞、飛散或積灰，所以，應(yīng)用透氣的織物將吸聲材料包好放進(jìn)木制或金屬框架內(nèi)，然后在外面加一層防護(hù)板，形成吸聲結(jié)構(gòu)。為了充分發(fā)揮多孔性材料的吸聲性能，護(hù)面板板面的穿孔率應(yīng)不小于20%。多孔性吸聲材料的吸聲性能不僅與材料的厚度、容重和形狀有關(guān)，而且與材料距剛性壁的距離及入射聲波的頻率有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，多孔性吸聲材料對(duì)高頻聲的吸收要比低頻聲好。隨著材料厚度的增加，對(duì)高頻聲的吸收并不增強(qiáng)，而對(duì)低頻聲的吸收能力顯著增強(qiáng)。如果將多孔性材料與剛性壁之間保持一定距離，使其間留

17、有適當(dāng)厚度的空氣層，則其吸聲系數(shù)會(huì)有所提高。試驗(yàn)表明，當(dāng)空氣層厚度接近1/4波長(zhǎng)時(shí)，吸聲系數(shù)最大，當(dāng)空氣層厚度接近1/2波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，吸聲系數(shù)最小。為此，需要根據(jù)入射聲波的頻率構(gòu)成情況，針對(duì)其中占主要成分的聲波頻率，選取空氣層厚度。在駕駛室設(shè)計(jì)中，理論上講，所采用的吸聲材料的吸聲系數(shù)越高，設(shè)計(jì)的吸聲結(jié)構(gòu)的表面積越大，吸聲效果就越好。但實(shí)際上可用于布置吸聲材料的部位有限，僅限于頂板、四周窗下壁板及底板等處，因此，除了在這些壁板表面裝設(shè)吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)外，還可利用一些別的吸聲體，如駕駛座椅的座墊、靠背及駕駛員的身體、衣服等，必要時(shí)，可在一些機(jī)件的表面裝設(shè)吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)，使之成為吸聲體，從而提高駕駛室的吸聲效果。5 結(jié)束語(yǔ)駕駛室內(nèi)噪聲是影響汽車性能的重要指標(biāo)，直接影響汽車的舒適性，也影響其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。世界各大汽車公司都將車內(nèi)噪聲的控制作為提高汽車NVH特性的重要內(nèi)容，加以重點(diǎn)攻關(guān)和研究。優(yōu)化汽車駕駛室的聲學(xué)設(shè)計(jì)，提高汽車的聲學(xué)品質(zhì)，對(duì)整車的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)都有重要的指導(dǎo)意義，