模態(tài)輻射效率在微車低頻轟鳴問題中的應用

向　偉，丁渭平，吳昱東，王鈴燕，蔣　宇

（西南交通大學　汽車工程研究所，成都610031）

模態(tài)輻射效率在微車低頻轟鳴問題中的應用

向偉，丁渭平，吳昱東，王鈴燕，蔣宇

（西南交通大學汽車工程研究所，成都610031）

應用有限元及邊界元方法，以四邊簡支的某型微車尾門板外板簡化模型為研究對象，討論改變薄板厚度、剛度、在低階模態(tài)“腹點”處增加質(zhì)量三種方式對于模態(tài)輻射效率（20 Hz～100 Hz）的影響規(guī)律。通過對該車車內(nèi)低頻聲學性能的分析與整改工作，驗證應用模態(tài)耦合輻射效率指導車內(nèi)低頻聲學問題整改的可行性。

聲學；微車；低頻；轟鳴聲；模態(tài)輻射效率

車內(nèi)低頻（20 Hz～100 Hz）轟鳴聲一直是微型客車聲學性能的研究重點，其主要產(chǎn)生原因是整車車身薄壁結(jié)構(gòu)受激勵后向車內(nèi)輻射出較大的聲能［1］。文獻［2］在對該類車型做了大量的分析、試驗工作后發(fā)現(xiàn)頂棚及尾門板是引起該問題的“源頭”所在。

結(jié)構(gòu)輻射效率反映的是結(jié)構(gòu)在受到激勵情況下輻射聲能的能力，其與結(jié)構(gòu)材料屬性、結(jié)構(gòu)外形等固有屬性以及激勵分布情況聯(lián)系比較緊密［3］。該參數(shù)能有效表征結(jié)構(gòu)的聲學性能，因此可作為理想的結(jié)構(gòu)聲學性能整改指標。然而在實際工作中如汽車頂棚、尾門板等大型薄壁元件往往存在約束點較多，激勵位置、分布較難獲取的情況，從而導致應用該參數(shù)預測結(jié)構(gòu)聲學性能、指導工程整改較難實現(xiàn)。

模態(tài)輻射效率反映的是結(jié)構(gòu)的固有聲輻射屬性，文獻［4］分析給出矩形薄壁元件的模態(tài)輻射效率計算公式，并解釋說明較大輻射貢獻量并非是由處于共振頻率處的模態(tài)引起。文獻［5-7］分別通過有限元等方法獲取薄板低階模態(tài)的聲輻射效率曲線，并相互驗證了計算結(jié)果的正確性。文獻［8］應用邊界元方法獲取列車車輪在50 Hz～6 000 Hz之間的模態(tài)輻射效率，并提出應用該類方法解決車輪聲輻射工程問題的可行性。文獻［9］討論當結(jié)構(gòu)阻尼較小的情況下，使用模態(tài)輻射效率代替結(jié)構(gòu)輻射效率指導工程整改的可行性。

由于汽車在行駛過程中往往受到多種激勵源的綜合作用，容易激發(fā)多模態(tài)之間的相互耦合作用。因此，使用單一階數(shù)的模態(tài)輻射效率指導工程整改便顯現(xiàn)出極大的局限性，綜合應用各階模態(tài)的耦合輻射效率表征結(jié)構(gòu)的固有聲學屬性能更好地貼合實際情況。使用聲學分析軟件獲得某型微車尾門板的模態(tài)耦合輻射效率，結(jié)合分析結(jié)果，指導該車聲學性能整改工作，并通過試驗驗證整改的有效性。

1　薄板結(jié)構(gòu)變化對模態(tài)聲輻射效率的影響分析

小阻尼結(jié)構(gòu)矩形薄板第n階模態(tài)輻射效率理論計算公式如下［9］

為了便于探明薄壁結(jié)構(gòu)的模態(tài)輻射效率，指導后期的整車Booming聲學問題整改，應用聲學分析軟件Virtural.lab建立與該車尾門板外板外形較為接近的單層弧狀簡化模型，仿真得到其在四邊簡支情況下的結(jié)構(gòu)模態(tài)信息以及模態(tài)輻射效率曲線，薄板模型如圖1所示。

圖1　尾門板外板簡化模型

該結(jié)構(gòu)在0～200 Hz之間共25階模態(tài)，限于篇幅影響，在此只羅列前10階模態(tài)信息，如表1所示。

從圖2中可以看出，薄板模型在低頻（20 Hz～100 Hz）段，奇奇階模態(tài)（第1階模態(tài)）輻射效率最大，其次是奇偶階（1.2階為第2階模態(tài)，2.1階為第3階模態(tài)）模態(tài)輻射效率，偶偶階模態(tài)（第4階模態(tài)）輻射效率最小，該項內(nèi)容與論文［2］［4］［5］中的研究結(jié)果基本一致。

使用0～200 Hz之間的結(jié)構(gòu)模態(tài)信息計算獲取低頻段（20 Hz～100 Hz）的模態(tài)耦合輻射效率（如圖3、4、5中原板所示曲線）。輻射效率峰值頻率點并不與薄板模態(tài)頻率一一對應，該結(jié)果也印證通過結(jié)構(gòu)整改使模態(tài)“移頻”的手段在聲學性能整改中的“盲目性”。

為了探明板件結(jié)構(gòu)變化對模型輻射效率的影響規(guī)律，通過改變模型厚度、改變模型剛度、低階模態(tài)“腹點”添加質(zhì)量板的辦法，分析結(jié)構(gòu)變化對模態(tài)耦合輻射效率的影響規(guī)律。

圖2　模態(tài)輻射效率

表1　 0～200 Hz模態(tài)分布情況

1.1改變模型厚度

在原模型的基礎上，分別計算了板厚為1 mm、3 mm、4 mm（原板厚為2 mm）的模態(tài)信息以及模態(tài)耦合輻射效率曲線，計算結(jié)果見表2和圖3。

從表2中可以看出，增加板的厚度能有效減少0～200 Hz之間的模態(tài)數(shù)量且能提高最低階模態(tài)頻率。

表2　不同厚度情況下的模態(tài)分布情況

圖3　 20 Hz～100 Hz不同厚度的模態(tài)耦合輻射效率

從圖3中可以看出，隨著板件厚度的增加，20 Hz～100 Hz之間的模態(tài)耦合輻射效率峰值個數(shù)逐漸減少。

1.2改變模型剛度

為了獲取整體剛度較大的薄板模型，在薄板上橫向增加了5處沖壓痕，并分別計算其結(jié)構(gòu)模態(tài)信息以及模態(tài)耦合輻射效率曲線，見表3和圖4。

表3　不同沖壓痕情況下的模態(tài)分布情況

圖4　 20 Hz～100 Hz不同沖壓痕模態(tài)耦合輻射效率

從表3中可以看出，隨沖壓痕高度的增加，0～200 Hz之間的模態(tài)數(shù)量逐步減少，最低階模態(tài)頻率逐漸提高。從圖4中可以看出，增加沖壓痕高度對整個低頻段內(nèi)的輻射效率都有很好的抑制作用。

1.3低階模態(tài)“腹點”添加質(zhì)量板

為驗證質(zhì)量板對模態(tài)輻射效率的影響，在原狀態(tài)1階模態(tài)振型腹點位置粘貼250 mm×300 mm大小、厚度為原板2.5倍的同材料板件，得到表4數(shù)據(jù)結(jié)果。

表4　不同質(zhì)量板數(shù)量情況下的模態(tài)分布情況

圖5　 20 Hz～100 Hz不同質(zhì)量板數(shù)量模態(tài)耦合輻射效率

從表4可看出，質(zhì)量板的數(shù)量對1階模態(tài)頻率大小及模態(tài)數(shù)量影響較?。粡膱D5可以看出模態(tài)輻射效率峰值數(shù)量呈現(xiàn)出隨模態(tài)數(shù)量降低而減少的趨勢。

綜上所述，板件結(jié)構(gòu)的變化對其模態(tài)耦合輻射效率有一定的影響。耦合模態(tài)輻射效率的峰值數(shù)量隨模態(tài)數(shù)量地減少而減少；改變厚度、增加剛度以及在模態(tài)腹點位置增加質(zhì)量，都可以達到使模態(tài)輻射效率移頻的效果，合理的運用三種方法能使板件輻射效率較大頻點避開敏感頻率，從而達到降低輻射效率的效果；增加板厚和增加質(zhì)量在移頻的同時，會使高頻處的峰值降低，低頻處的一些峰值升高；增加剛度能使整體低頻段內(nèi)的幅值明顯降低。因此，在汽車低頻聲學性能整改中，可以嘗試選取使用車身薄壁板件的模態(tài)輻射效率作為整改、優(yōu)化指標，并以此作為工程整改的依據(jù)。然而在實際工程運用過程中，相關(guān)部件往往受結(jié)構(gòu)性能以及美觀度等因素的影響。因此，在實際工程整改中，須權(quán)衡各方面的相互影響，找尋最優(yōu)解決方案。

2　某微車尾門板聲學性能優(yōu)化分析

2.1聲學性能測試

利用整車半消聲室轉(zhuǎn)鼓試驗臺完成某微車（配備四缸四沖程汽油機）整車聲學試驗，測試及傳感器布點情況如圖6。試驗結(jié)果表明，當汽車變速器位于3、4、5檔，加速行駛至1 200 r/min、1 500 r/min附近時，車內(nèi)第三排中間乘客位置有較大的轟鳴聲。獲得各檔位改進前測試數(shù)據(jù)。

圖6　測試照片及測點位置

2.2尾門板模態(tài)耦合輻射效率仿真優(yōu)化分析

由于受整車美觀性及整改容易度的限制，選取尾門板作為優(yōu)化對象。應用網(wǎng)格前處理軟件Hypermesh對尾門板進行了網(wǎng)格劃分，結(jié)合整車安裝實際情況，限制尾門板與頂棚、尾門板與地板連接處的六向自由度，如圖7所示。

應用常規(guī)的結(jié)構(gòu)整改方法即增加板厚、增加剛度、增加質(zhì)量塊對結(jié)構(gòu)模態(tài)輻射效率的分布有一定影響。然而，在實際操作中，為不影響尾門板整體外形及強度性能，并考慮實際方案實施難易度的情況下，放棄對尾門板進行沖壓處理。經(jīng)過分析，選取在內(nèi)外板之間加裝“支腳”以及在車尾牌照位置添加1.5 kg的附加質(zhì)量的方法，對尾門板聲學問題進行仿真改進，原始結(jié)果以及改進結(jié)果如圖8所示。

圖7　尾門板網(wǎng)格模型

圖8　尾門板模態(tài)耦合輻射效率仿真計算結(jié)果

從圖8可以看出，改進狀態(tài)的模態(tài)耦合輻射效率在重點關(guān)注的40 Hz、50 Hz頻點處都取得了較好的抑制，且整個低頻段內(nèi)的輻射效率較原始狀態(tài)都有所降低。為驗證仿真結(jié)果的有效性，依照仿真改進方案對實車進行整改，具體工作見圖9，改進前后測試對比數(shù)據(jù)見圖10。

圖9　尾門板整改方案

圖10　 3、4、5檔改進前后測試曲線對比

2.3整改驗證

從圖10可以看出，通過優(yōu)化方案的實施，車內(nèi)第三排聲壓曲線在重點關(guān)注的1 200 r/min以及1 500 r/min附近都有所降低，該結(jié)果也驗證了通過模態(tài)聲輻射效率改進車內(nèi)低頻轟鳴聲問題的有效性。同時，測試數(shù)據(jù)顯示在非行駛常用轉(zhuǎn)速1 100 r/min以下，各檔位聲壓值都有所升高，甚至出現(xiàn)新的峰值，該結(jié)果也暴露了前文所提及的增加板厚和增加質(zhì)量在移頻的同時，使低頻處的一些峰值升高的情況。因此，在使用改變質(zhì)量、增加剛度、改變板厚的方法進行聲學問題工程整改時，除對敏感頻點重點關(guān)注外，也須權(quán)衡全頻段內(nèi)的聲學性能，結(jié)合仿真與試驗防止其他對NVH性能影響較大的峰值出現(xiàn)。

3　結(jié)語

通過有限元及邊界元方法，研究平板結(jié)構(gòu)對其模態(tài)聲輻射效率的影響規(guī)律：

（1）增加沖壓痕，能有效的提高板件的剛度，對減小整個20 Hz～100 Hz頻段內(nèi)模態(tài)耦合輻射效率具有較為明顯的效果；

（2）在低階模態(tài)“腹點”處增加質(zhì)量或調(diào)整板厚的方法，能改變20 Hz～100 Hz頻段內(nèi)模態(tài)輻射效率的峰值點分布。

在整車單一板件結(jié)構(gòu)聲輻射效率貢獻量占優(yōu)的情況下，通過合理規(guī)劃模態(tài)耦合輻射效率分布，可有針對性地改善車內(nèi)某頻段內(nèi)的聲學特性，從而提升聲學舒適性。由于模態(tài)輻射效率自身的特點，能有效的擺脫激勵難以獲取的弊端，在工程應用中較易實現(xiàn)。具體可通過對板件的結(jié)構(gòu)做適當?shù)恼{(diào)整來實現(xiàn)，但仍受到實際約束條件的限制。

［1］丁渭平.車內(nèi)低頻噪聲與懸架特性參數(shù)的定量關(guān)系［J］.噪聲與振動控制，2006，26（1）：70-73.

［2］于洋.微型客車車身低頻聲振特性分析與控制［D］.長春：吉林大學，2012.

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［4］何琳，朱海潮，邱小軍，等.聲學理論與工程應用［M］.北京：科學出版社，2006，05.234-236.

［5］陸紅艷.板結(jié)構(gòu)的振動聲輻射及其隔聲性能研究［D］.武漢：武漢理工大學，2003.

［6］彭曉東，李俊寶.結(jié)構(gòu)聲輻射模態(tài)分析［J］.山西礦業(yè)學院學報，1996，14（3）：226-232.

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Application of Modal Radiation Efficiency to theAnalysis of Low-frequency Booming Noise in Mini-cars

XIANGWei，DING Wei-ping，WU Yu-dong，WANG Ling-yan，JIANGYu
（Institute ofAutomotive Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The rear door of a mini-car was simplified as a 4-edge simply supported plate，and its computation model was established by means of the finite element method and boundary element method.The influence of thickness and stiffness changing of the plate and the additional mass at the abdominal point of the low-order modals on the modal radiation efficiency（20 Hz-100 Hz）was discussed.Through the analysis and rectification for the interior low-frequency acoustic performance of the car，the feasibility of using modal coupling radiation efficiency to guide the rectification of interior lowfrequency acoustic features was verified.

acoustics；minicar；low-frequency；booming noise；modal radiation efficiency

U463；TB535；TH16

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.022

1006-1355（2015）05-0107-04

2015－02－04

向偉（1989－），男，四川綿陽人，碩士，主要研究方向：車輛聲振舒適性。

丁渭平，男，碩士生導師。

E-mail:dwpc@263.net