試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的某結(jié)構(gòu)噪聲優(yōu)化分析

孫俊剛

摘要：針對(duì)某車(chē)型投產(chǎn)試制階段被抱怨的轟鳴聲結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化與仿真優(yōu)化。試驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)噪聲來(lái)源于頂棚的局部振動(dòng)，通過(guò)加裝質(zhì)量阻尼器可以消除該轟鳴聲。但是考慮到成本，需要尋找替代方案。通過(guò)仿真，將前橫梁加厚到2mm可以滿足該結(jié)構(gòu)噪聲的優(yōu)化需求。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)噪聲；試驗(yàn)；仿真；優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）12-0268-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Optimized Analysis of A Certain Structure Noise Combined with Test and Simulation

SUN Jun-gang

（Aviation Engineering Institute， Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China）

Abstract： Experiment optimization and simulation optimization for the booming structure noise that was complained during the trial production phase of a certain car. It was verified through test that the structural noise coming from the local vibration of the roof panel， and the booming noise could be eliminated by adding a mass damper. But considering the cost， an alternative solution was needed. With the help of simulation， adding the thickness of front beam to 2mm meet the optimization requirements of the structural noise.

Key words： Structural noise； Test； Simulation； Optimization.

1 引言

近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高和汽車(chē)工業(yè)水平的日益進(jìn)步，人們對(duì)汽車(chē)的要求不再僅僅局限于安全、省油、操控等等，而是越來(lái)越注重開(kāi)車(chē)的品質(zhì)，對(duì)汽車(chē)的NVH性能更加重視。各大汽車(chē)廠商也在逐漸加大對(duì)NVH研發(fā)的投入。

在NVH領(lǐng)域，噪聲分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲，其主要區(qū)別在于傳播路徑不同。空氣噪聲是指聲源發(fā)出的聲音直接向外輻射，在空氣中進(jìn)行傳播，最后到達(dá)接受者的位置。結(jié)構(gòu)噪聲是指振源激勵(lì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，通過(guò)結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起接受者附近的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，振動(dòng)的結(jié)構(gòu)再向外輻射噪聲到達(dá)接受者的位置。例如敲擊杯子發(fā)出的聲音屬于空氣聲，電視中人通過(guò)耳朵貼靠墻壁聽(tīng)聲音屬于結(jié)構(gòu)聲。結(jié)構(gòu)噪聲一般為低頻噪聲，空氣噪聲一般為中高頻噪聲。

某一轎車(chē)車(chē)型在投產(chǎn)試制階段，經(jīng)過(guò)駕評(píng)，被抱怨當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1200rpm附近時(shí)駕駛員位置感受到較為明顯的轟鳴聲（booming）結(jié)構(gòu)噪聲。為了探究這一結(jié)構(gòu)噪聲的來(lái)源并消除該噪聲，需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行復(fù)現(xiàn)并采集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文將從試驗(yàn)和仿真兩個(gè)方面來(lái)對(duì)該轟鳴聲進(jìn)行優(yōu)化分析。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與問(wèn)題再現(xiàn)

首先，為了對(duì)該轟鳴聲結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行分析，需要對(duì)該結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行復(fù)現(xiàn)和噪聲信號(hào)采集。因此，選取被抱怨的車(chē)型進(jìn)行試驗(yàn)，該車(chē)型為一手動(dòng)擋轎車(chē)車(chē)型，無(wú)天窗，車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)良好。為了采集該結(jié)構(gòu)噪聲，選用朗德科技的Head Acoustic DATaRec 4 DIC24數(shù)據(jù)采集前端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將麥克風(fēng)布置在駕駛員的左耳附近（FLOE，F(xiàn)ront left outer ear）進(jìn)行噪聲信號(hào)采集。試驗(yàn)的工況為2擋和3擋的全油門(mén)加速工況，即WOT（Wide open throttle）。

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在1100-1300rpm范圍內(nèi)大約40Hz左右，存在著較明顯的噪聲峰值，如圖1和圖2所示。從圖中可以看出，在1200rpm附近40Hz位置有明顯的噪聲峰值，為60dBA左右，該噪聲即為被抱怨的轟鳴聲結(jié)構(gòu)噪聲。

2.2 試驗(yàn)優(yōu)化

結(jié)合該車(chē)型設(shè)計(jì)階段的模態(tài)圖，發(fā)現(xiàn)40Hz恰為頂棚的局部模態(tài)，且根據(jù)以往類(lèi)似車(chē)型的工程經(jīng)驗(yàn)，合理推斷極有可能是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)起頂棚的局部振動(dòng)，從而導(dǎo)致了駕駛員位置的轟鳴聲。為了驗(yàn)證該推測(cè)，決定在前擋風(fēng)玻璃與頂棚相接處的頂棚前橫梁上安裝質(zhì)量阻尼器，共選取了三種頻率的質(zhì)量阻尼器，其對(duì)應(yīng)的主要吸振頻率范圍分別為40Hz、43.6Hz和47Hz。質(zhì)量阻尼器的安裝位置如圖3所示。

安裝質(zhì)量阻尼器后，分別進(jìn)行2擋全油門(mén)加速和3擋全油門(mén)加速試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析。經(jīng)過(guò)駕駛員的反饋，在加裝了質(zhì)量阻尼器后，轟鳴聲有減弱甚至消失的跡象。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖4-圖7所示。其中圖4和圖6分別為2擋和3擋全油門(mén)加速下的噪聲頻譜彩圖，從左至右分別為原車(chē)、安裝40Hz質(zhì)量阻尼器、安裝43.6Hz質(zhì)量阻尼器和安裝47Hz質(zhì)量阻尼器的噪聲頻譜彩圖。圖5和圖7為2擋和3擋全油門(mén)工況下提取的2階噪聲頻譜曲線圖，紅色、藍(lán)色、紫色和綠色線分別表示原車(chē)、安裝40Hz質(zhì)量阻尼器、安裝43.6Hz質(zhì)量阻尼器和安裝47Hz質(zhì)量阻尼器的噪聲階次曲線圖。

從噪聲頻譜彩圖和曲線圖可以看出，無(wú)論是2擋還是3擋全油門(mén)加速工況，在加裝了質(zhì)量阻尼器后，1200rpm附近40Hz左右的噪聲峰值被明顯削弱，其中40Hz和43.6Hz的質(zhì)量阻尼器使該轟鳴聲峰值降低了3dBA左右，47Hz的質(zhì)量阻尼器使該轟鳴聲峰值有7dBA的改善?？梢?jiàn)，頂棚的局部振動(dòng)正是該轟鳴聲的來(lái)源，而加裝質(zhì)量阻尼器就能消除該轟鳴聲。

3 仿真分析

由于單個(gè)質(zhì)量阻尼器的成本有幾十元，雖然其能解決頂棚局部振動(dòng)產(chǎn)生的轟鳴結(jié)構(gòu)噪聲，但是對(duì)于企業(yè)來(lái)講成本過(guò)于高昂。在已經(jīng)確定噪聲來(lái)源的情況下，應(yīng)尋求其他成本較低的方案來(lái)優(yōu)化該結(jié)構(gòu)噪聲。因此，需要借助于有限元仿真來(lái)尋求其他可代替方案。

圖8所示為該車(chē)型有限元模型在40Hz的模態(tài)振型圖。從圖中可以看出，在頂棚與前擋風(fēng)玻璃相接處為頂棚的局部模態(tài)?？紤]到該位置有一根橫向布置的厚度為0.7mm的前橫梁，為了消除該局部模態(tài)，應(yīng)該加強(qiáng)前橫梁的局部剛度。在考慮成本的基礎(chǔ)上，以增加厚度的方式來(lái)增加剛度。共提出四種方案，四種方案對(duì)轟鳴聲的優(yōu)化情況如表1所示，其中方案4是為了與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)。圖9為前梁的結(jié)構(gòu)圖，圖10為駕駛員右耳處在2擋全油門(mén)加速工況下的仿真結(jié)果頻譜曲線。

綜合考慮優(yōu)化效果和成本，方案3是最有效的。在僅增加厚度的情況下達(dá)到了較好的轟鳴聲優(yōu)化，相對(duì)方案4成本也較低。因此將方案3作為該轟鳴聲的解決措施。

4 結(jié)論

本文針對(duì)在駕評(píng)過(guò)程中出現(xiàn)的轟鳴聲結(jié)構(gòu)噪聲，通過(guò)試驗(yàn)和仿真的辦法分別進(jìn)行了優(yōu)化。試驗(yàn)選取了三種頻率的質(zhì)量阻尼器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)安裝了質(zhì)量阻尼器后轟鳴聲有明顯改善，基本可以斷定為頂棚的局部振動(dòng)導(dǎo)致轟鳴聲的產(chǎn)生?？紤]到質(zhì)量阻尼器成本較高，因此用仿真的方法尋找成本低廉的替代方案。最終發(fā)現(xiàn)，將前橫梁厚度增加到2mm可以基本滿足轟鳴聲優(yōu)化需求。本優(yōu)化結(jié)合了試驗(yàn)與仿真，仿真為試驗(yàn)提供思路，試驗(yàn)為仿真提供佐證，再由仿真進(jìn)行多種方案的綜合優(yōu)化。

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