劉建偉 米路
(長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司保定技術(shù)研發(fā)分公司,保定 071003)
主題詞:統(tǒng)計(jì)能量分析 中頻噪聲 激勵(lì)載荷 混合模型
車(chē)內(nèi)噪聲水平不僅是衡量乘坐舒適性的重要參考標(biāo)準(zhǔn),也逐漸成為眾多汽車(chē)企業(yè)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要方向。聲學(xué)包是控制車(chē)內(nèi)噪聲的重要途徑之一,不僅能夠改善車(chē)內(nèi)的聲學(xué)特性、降低車(chē)內(nèi)噪聲,還能夠?qū)?chē)內(nèi)聲品質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)不同的頻率分布情況,車(chē)內(nèi)噪聲可以用不同的方法來(lái)分析處理,在傳遞路徑上主要包括結(jié)構(gòu)路徑和空氣路徑,通常,在高頻段(1.0 kHz以上),噪聲通過(guò)空氣路徑傳遞,在中頻段(0.1~1.0 kHz),空氣路徑和結(jié)構(gòu)路徑均傳遞噪聲,且頻率越低,結(jié)構(gòu)路徑占比越大。
目前,絕大多數(shù)汽車(chē)企業(yè)都采用SEA法來(lái)完成聲學(xué)包的開(kāi)發(fā),SEA法可以采用性能模型來(lái)有效控制高頻空氣路徑的噪聲傳遞,但在中頻段,由于各系統(tǒng)模態(tài)密度較低,且存在通過(guò)全局模態(tài)傳遞的間接耦合損耗,這些問(wèn)題是SEA法無(wú)法考慮的,因此其無(wú)法對(duì)以結(jié)構(gòu)路徑為主要傳遞路徑的噪聲進(jìn)行有效控制。
本文從中頻噪聲的傳遞特性出發(fā),將有限元(Finite Element,F(xiàn)E)法與SEA法相結(jié)合,建立FE模型子系統(tǒng)和SEA模型子系統(tǒng)之間的能量傳遞關(guān)系,從而生成FE-SEA 混合模型。在混合模型車(chē)身關(guān)鍵連接點(diǎn)位置加載實(shí)際工況下的激勵(lì)力載荷得到結(jié)構(gòu)路徑的噪聲貢獻(xiàn)量,激勵(lì)力載荷應(yīng)包含幅值和相位,在SEA模型車(chē)身外表面加載實(shí)際工況下的激勵(lì)聲載荷得到空氣路徑的噪聲貢獻(xiàn)量,再將結(jié)構(gòu)路徑與空氣路徑的噪聲能量疊加進(jìn)行實(shí)際工況下的中頻段噪聲水平預(yù)測(cè)。
將其改寫(xiě)后可用于表征聲壓信號(hào)與系統(tǒng)能量之間的關(guān)系:
由2 個(gè)相互耦合的子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)如圖1 所示,其中,、分別為系統(tǒng)1、系統(tǒng)2內(nèi)部消耗的功率。耦合系統(tǒng)的功率流方程組為:
圖1 由2個(gè)子系統(tǒng)組成的耦合系統(tǒng)
式中,為子系統(tǒng)的固有頻率;、分別為系統(tǒng)1、系統(tǒng)2的內(nèi)部損耗因子;、分別為系統(tǒng)1對(duì)系統(tǒng)2、系統(tǒng)2對(duì)系統(tǒng)1的耦合損耗因子;、分別為系統(tǒng)1、系統(tǒng)2的能量;、分別為外界對(duì)系統(tǒng)1、系統(tǒng)2做的功。
式(2)可推廣到由個(gè)子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)。由式(2)可知,給定系統(tǒng)的輸入功率和損耗因子即可求得系統(tǒng)的能量,并得到系統(tǒng)的聲壓。
常見(jiàn)的中、高頻噪聲,從傳遞路徑上主要包括0.1~1.0 kHz的結(jié)構(gòu)聲傳播和0.1~8.0 kHz的空氣聲傳播,其中,結(jié)構(gòu)聲主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣、底盤(pán)等系統(tǒng)振動(dòng)引起的車(chē)內(nèi)噪聲,空氣聲主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲、進(jìn)排氣噪聲、輪胎輻射噪聲、風(fēng)噪等透過(guò)車(chē)身隔、吸聲材料引起的車(chē)內(nèi)噪聲。
FE-SEA混合建模方法主要解決中頻段(0.1~1.0 kHz)噪聲預(yù)測(cè)分析問(wèn)題。如圖2所示為FE-SEA混合建模流程。建立白車(chē)身FE 模型(需包含前副車(chē)架和前風(fēng)窗玻璃),將其和開(kāi)閉件FE模型導(dǎo)入VA-One軟件,建立整車(chē)SEA 模型,導(dǎo)入在半消聲室測(cè)得的車(chē)體表面聲載荷數(shù)據(jù),計(jì)算得到車(chē)內(nèi)頭部噪聲的仿真值,將其與測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比,并進(jìn)行模型調(diào)整,使得>1.0~8.0 kHz頻段1/3倍頻程中心點(diǎn)頭部噪聲仿真值與測(cè)試值誤差在±3 dB 以內(nèi)。計(jì)算白車(chē)身FE 模型的模態(tài)(0~1.5 kHz),將白車(chē)身FE 模型導(dǎo)入VA-One 軟件生成FE 子系統(tǒng),將模態(tài)結(jié)果導(dǎo)入VA-One軟件與FE子系統(tǒng)匹配,用模態(tài)來(lái)表征能量在FE 子系統(tǒng)之間的傳遞關(guān)系。將FE 子系統(tǒng)與SEA 模型中的車(chē)內(nèi)聲腔建立混合連接關(guān)系,生成FE-SEA混合模型,在混合模型中的FE 子系統(tǒng)車(chē)身關(guān)鍵連接點(diǎn)處加載測(cè)試得到的激勵(lì)力載荷的幅值和相位,計(jì)算得到中頻段0.1~1.0 kHz通過(guò)結(jié)構(gòu)路徑傳遞的車(chē)內(nèi)頭部噪聲,將中頻段結(jié)構(gòu)路徑傳遞與空氣路徑傳遞的車(chē)內(nèi)頭部噪聲能量疊加并進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換,與測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)調(diào)試FE子系統(tǒng)的阻尼使得中頻段疊加后的車(chē)內(nèi)頭部噪聲仿真值與測(cè)試值誤差在±3 dB以內(nèi),調(diào)試完成后的FE-SEA模型即可用于預(yù)測(cè)通過(guò)結(jié)構(gòu)路徑傳遞的中頻段噪聲。
圖2 FE-SEA混合建模方法
按照如下建模規(guī)范搭建某車(chē)型白車(chē)身有限元模型:
a.單元質(zhì)量:殼單元平均大小為10 mm,長(zhǎng)度范圍為5~13 mm,體單元平均大小為5 mm,長(zhǎng)度范圍為3~8 mm,單元翹曲度≤10°,雅可比≥0.7,四邊形內(nèi)角范圍為45°~135°,三角形內(nèi)角范圍為30°~120°,單元之間需縫合且無(wú)重復(fù)單元。
b.模型參數(shù)及準(zhǔn)確性:零件數(shù)量與數(shù)模對(duì)應(yīng),材料參數(shù)與實(shí)際相符。
c.模型規(guī)模:白車(chē)身帶黑漆件、防撞梁。
d.螺接要求:在其周長(zhǎng)上布置6個(gè)或更多節(jié)點(diǎn),在其周長(zhǎng)外側(cè)增加至少1 層墊圈,直徑小于5 mm 的螺栓孔可不處理。
e.焊接要求:對(duì)點(diǎn)焊的處理采用CWELD 單元模擬,焊核直徑取為6 mm。
f.涂膠要求:膠采用體單元處理,膠體單元與相連殼單元的連接關(guān)系為RBE2-體單元-RBE3。
g.模型倒角:如倒角半徑小于5 mm,則不表現(xiàn),否則至少應(yīng)建立1個(gè)單元。
獲得的白車(chē)身有限元模型如圖3所示,并計(jì)算白車(chē)身有限元模型模態(tài)(0~1.5 kHz),結(jié)果文件為op2格式。
圖3 白車(chē)身有限元模型
4.2.1 整車(chē)外殼SEA板創(chuàng)建
根據(jù)白車(chē)身有限元模型和開(kāi)閉件有限元模型生成整車(chē)外殼SEA板,如圖4所示,具體要求為:
圖4 整車(chē)外殼SEA模型
a.車(chē)身板件子系統(tǒng)類(lèi)型包括平板結(jié)構(gòu)、單曲率板結(jié)構(gòu)、雙曲率板結(jié)構(gòu),根據(jù)整車(chē)結(jié)構(gòu)合理選擇不同類(lèi)型的板件子系統(tǒng)進(jìn)行建模,其中車(chē)窗玻璃子系統(tǒng)、車(chē)門(mén)外板子系統(tǒng)、翼子板子系統(tǒng)、輪罩子系統(tǒng)和頂棚子系統(tǒng)采用單曲率結(jié)構(gòu),前圍板系統(tǒng)中輪包部分采用雙曲率結(jié)構(gòu),單曲率板與雙曲率板曲率半徑設(shè)為10 m。
b.在所關(guān)注的頻率范圍段內(nèi),子系統(tǒng)需滿足模態(tài)數(shù)量不少于5個(gè)。
c.鈑金件子系統(tǒng)之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行能量傳遞。
4.2.2 內(nèi)飾SEA模型創(chuàng)建及聲學(xué)材料定義
提取內(nèi)飾板及座椅等上表面結(jié)構(gòu),搭建FE模型,根據(jù)FE 模型劃分SEA 子系統(tǒng),內(nèi)飾板子系統(tǒng)與鈑金件子系統(tǒng)間通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接。
根據(jù)聲學(xué)包方案在SEA模型中定義聲學(xué)材料,包括吸聲材料、隔聲材料、阻隔材料等。
4.2.3 聲腔創(chuàng)建及連接關(guān)系定義
聲腔分為車(chē)內(nèi)和車(chē)外2個(gè)部分,按照整車(chē)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與車(chē)內(nèi)響應(yīng)考察部位對(duì)車(chē)體周?chē)鷧^(qū)域及車(chē)內(nèi)空腔區(qū)域劃分聲腔子系統(tǒng),如圖5、圖6所示。
圖5 車(chē)外聲腔
圖6 車(chē)內(nèi)聲腔
能量通過(guò)子系統(tǒng)之間的連接關(guān)系進(jìn)行傳遞,完成整車(chē)鈑金件子系統(tǒng)與聲腔子系統(tǒng)搭建后,采用自動(dòng)連接方式建立整車(chē)子系統(tǒng)間的連接關(guān)系,如圖7所示。
圖7 整車(chē)各子系統(tǒng)之間連接關(guān)系
在完成FE 模型和SEA 模型的創(chuàng)建以及FE 模型模態(tài)計(jì)算后,需要在FE 結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)與SEA 模型的車(chē)內(nèi)聲腔間建立連接關(guān)系,生成FE-SEA混合模型來(lái)表征中頻段結(jié)構(gòu)路徑的噪聲傳遞。FE子系統(tǒng)和SEA子系統(tǒng)通過(guò)混合連接相連,表示車(chē)身結(jié)構(gòu)通過(guò)FE 板向車(chē)內(nèi)聲腔輻射能量,并用輻射效率來(lái)描述車(chē)身板件向車(chē)內(nèi)聲腔輻射能量的能力:
式中,為結(jié)構(gòu)板件輻射到聲腔的功率;為結(jié)構(gòu)與聲腔的耦合面積;為結(jié)構(gòu)板件的振動(dòng)速度均方根值。
按照上述原理進(jìn)行FE-SEA 混合模型的建模,在VA-One軟件中導(dǎo)入白車(chē)身FE模型,生成FE子系統(tǒng),復(fù)制SEA模型中的車(chē)內(nèi)聲腔與FE子系統(tǒng)中的大板件建立混合連接,主要包括:前風(fēng)窗玻璃、前圍板、頂棚、地板等,如圖8 所示。FE 子系統(tǒng)中的梁結(jié)構(gòu)等的輻射噪聲主要集中在低頻段,對(duì)于0.1 kHz以上的噪聲貢獻(xiàn)很小,故不建立梁結(jié)構(gòu)與聲腔的連接關(guān)系。完成FE-SEA 混合模型的創(chuàng)建后,需導(dǎo)入FE模型的模態(tài)結(jié)果。
圖8 大板件與車(chē)內(nèi)聲腔之間的連接
在半消聲室內(nèi)測(cè)量整車(chē)實(shí)際工況下車(chē)身外部聲場(chǎng)的聲壓作為SEA模型的輸入聲載荷,同時(shí)測(cè)量車(chē)內(nèi)乘員區(qū)域頭部、腰部、腿部聲場(chǎng)的聲壓值作為SEA 模型車(chē)內(nèi)響應(yīng)對(duì)標(biāo)值。
車(chē)身外部所需測(cè)試的區(qū)域如圖9所示,車(chē)體外部和車(chē)內(nèi)每個(gè)子系統(tǒng)布置3個(gè)麥克風(fēng),取各麥克風(fēng)測(cè)量值的平均值作為測(cè)量結(jié)果,車(chē)體外部麥克風(fēng)與車(chē)體表面的距離約為100 mm,如圖10所示。
圖9 車(chē)體外部載荷測(cè)試區(qū)域
圖10 車(chē)體外部載荷測(cè)試方法
測(cè)量實(shí)際工況下車(chē)身關(guān)鍵連接點(diǎn)處激勵(lì)力載荷的幅值和相位。對(duì)于燃油車(chē),關(guān)鍵連接點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)左、右、后懸置,以及排氣吊鉤和前、后懸架塔;對(duì)于新能源車(chē),關(guān)鍵連接點(diǎn)為電機(jī)-減速器左、右、后懸置和前、后懸架塔。目前常用的獲取方法有直接測(cè)量法、逆矩陣法和剛度法。
本文采用LMS 測(cè)試系統(tǒng)中的逆矩陣功能模塊獲取某款燃油車(chē)的關(guān)鍵連接點(diǎn)激勵(lì)力載荷的幅值和相位。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置如圖11 所示,為得到實(shí)際工況下懸置被動(dòng)側(cè),即車(chē)身側(cè)激勵(lì)力的幅值和相位,以左懸置為例,在機(jī)艙左縱梁與左懸置被動(dòng)側(cè)連接點(diǎn)(簡(jiǎn)稱為“左源點(diǎn)”)附近布置若干個(gè)加速度傳感器,傳感器數(shù)量越多,求得的結(jié)果通常越準(zhǔn)確。
圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置示意
本文以2個(gè)傳感器P1、P2為例解釋測(cè)試原理。車(chē)輛靜止?fàn)顟B(tài)下,測(cè)左源點(diǎn)向到P1 點(diǎn)向的傳遞函數(shù)T、T、T、T、T、T、T、T、T,其中T為左源點(diǎn)向激勵(lì)到P1點(diǎn)向的傳遞函數(shù),以此類(lèi)推。同理,測(cè)左源點(diǎn)、、向到P2 點(diǎn)、、向的傳遞函數(shù)T、T、T、T、T、T、T、T、T。需要注意的是,傳遞函數(shù)需同時(shí)包含幅值和相位。P1、P2 位置保持不變,車(chē)輛實(shí)際工況下,測(cè)P1、P2 點(diǎn)、、向的加速度、、、、、,也應(yīng)包含幅值和相位。
傳遞函數(shù)和加速度的關(guān)系可以用矩陣表示:
式(4)可改寫(xiě)為:
式(5)中,傳遞函數(shù)和加速度均由測(cè)試得到,則可求得實(shí)際工況下左源點(diǎn)、、向的力F、F、F。
力的頻率范圍為0.1~1.0 kHz,頻率間隔為1 Hz,圖12所示為在半消聲室兩驅(qū)轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得的勻速100 km/h 工況下發(fā)動(dòng)機(jī)3 個(gè)懸置與車(chē)身連接點(diǎn)處激勵(lì)力載荷的幅值和相位,為方便顯示,只列出200~300 Hz頻段的數(shù)據(jù),間隔為5 Hz。
圖12 勻速100 km/h工況下3個(gè)懸置三向力幅值和相位
將在半消聲室測(cè)得的勻速100 km/h 工況聲載荷加載到SEA 模型中,如圖13 所示,為方便顯示,將車(chē)外聲腔隱藏。對(duì)模型進(jìn)行調(diào)校,使得車(chē)內(nèi)頭部響應(yīng)的仿真值在高頻段(>1.0~8.0 kHz)與試驗(yàn)值的誤差在±3 dB以內(nèi),如圖14所示。
圖13 加載聲載荷的SEA模型
由圖14 可知,在高頻段(1.0 kHz 以上)SEA 模型得到的駕駛員頭部響應(yīng)仿真值與試驗(yàn)值一致性較好,但在中頻段(0.1~1.0 kHz),由于噪聲的結(jié)構(gòu)傳遞路徑占比較大,但SEA 方法只能考慮空氣路徑,無(wú)法體現(xiàn)結(jié)構(gòu)傳聲路徑,所以仿真值明顯小于試驗(yàn)值。
圖14 SEA模型左前頭部響應(yīng)仿真值與試驗(yàn)值
為了準(zhǔn)確分析中頻段結(jié)構(gòu)傳聲路徑,需在FE-SEA混合模型車(chē)身關(guān)鍵連接點(diǎn)加載激勵(lì)力載荷的幅值和相位,如圖15所示。
圖15 加載激勵(lì)力載荷幅值和相位的混合模型
在FE-SEA 混合模型上加載100 km/h 工況激勵(lì)力載荷的幅值和相位,得到中頻段結(jié)構(gòu)路徑貢獻(xiàn)的駕駛員頭部響應(yīng)仿真結(jié)果,如圖16所示。
圖16 FE-SEA模型駕駛員頭部響應(yīng)仿真與試驗(yàn)結(jié)果
由圖16 可知,中頻段車(chē)內(nèi)噪聲主要來(lái)源于結(jié)構(gòu)傳聲路徑,且頻率越低,結(jié)構(gòu)路徑占比越大。實(shí)際上,車(chē)內(nèi)噪聲是結(jié)構(gòu)路徑與空氣路徑共同作用的結(jié)果,將2種路徑的聲壓級(jí)轉(zhuǎn)換為能量并疊加后再轉(zhuǎn)換為聲壓級(jí):
式中,為能量疊加后的聲壓級(jí);、分別為結(jié)構(gòu)路徑和空氣路徑引起的車(chē)內(nèi)噪聲聲壓級(jí)。
將中頻段結(jié)構(gòu)路徑噪聲與空氣路徑噪聲疊加后,與高頻段的空氣路徑噪聲一起組成全頻段車(chē)內(nèi)噪聲仿真值,并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖17所示。由圖17可知,應(yīng)用FE-SEA 混合模型求取結(jié)構(gòu)路徑噪聲貢獻(xiàn)后,中頻段的仿真精度大幅提高。
圖17 勻速100 km/h全頻段駕駛員頭部響應(yīng)仿真與試驗(yàn)結(jié)果
a.車(chē)內(nèi)噪聲通常情況下在高頻段(1.0 kHz 以上)空氣路徑占主要成分,在中頻段(0.1~1.0 kHz)空氣路徑和結(jié)構(gòu)路徑均占有一定的比例,且頻率越低,結(jié)構(gòu)路徑占比越大。
b.中頻噪聲預(yù)測(cè)分析必須與試驗(yàn)及SEA 模型相結(jié)合,聲載荷及激勵(lì)力載荷的獲取對(duì)中頻噪聲預(yù)測(cè)分析的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。
c.通過(guò)建立FE-SEA 混合模型,完整地考慮中頻段結(jié)構(gòu)傳聲路徑,并與SEA 方法相結(jié)合,進(jìn)行全頻段車(chē)內(nèi)噪聲仿真預(yù)測(cè),可大幅提高中頻段的仿真精度。