車輛壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)分析與降噪試驗(yàn)研究

白 松，徐新喜，劉孝輝，楊 猛，崔向東，牛 福

車輛壁板受外界激勵作用引起結(jié)構(gòu)振動，進(jìn)而向車內(nèi)輻射噪聲，這部分結(jié)構(gòu)噪聲主要集中在300 Hz以內(nèi)的低頻段［1］。壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)分析(Panel Acoustic Contribution Analysis，PACA)能夠分析壁板振動對噪聲的聲學(xué)貢獻(xiàn)，快速定位需要采用降噪措施的壁板，為降低噪聲提供解決方案，因此在車輛降噪領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［2－7］。目前，壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)的研究主要集中在壁板對特征場點(diǎn)(通常是駕駛員耳旁)聲壓響應(yīng)譜中單個響應(yīng)峰值的貢獻(xiàn)量化方面。對于存在多個聲壓響應(yīng)峰值的特征場點(diǎn)，壁板對不同峰值往往具有不同的貢獻(xiàn)量和貢獻(xiàn)性質(zhì)，使改進(jìn)措施難以確定。同時，單個場點(diǎn)不能完整地代表整個聲場的聲學(xué)特性，某一場點(diǎn)噪聲響應(yīng)的改善可能會導(dǎo)致其他場點(diǎn)噪聲響應(yīng)的惡化。韓旭和Han等［8－9］提出采用加權(quán)求和的方式計(jì)算板件對于乘員室聲場整體聲學(xué)特性的聲學(xué)貢獻(xiàn)，并通過阻尼處理取得了顯著的降噪效果，但其計(jì)算過程中所采用加權(quán)系數(shù)是根據(jù)場點(diǎn)的重要性差別給定的，這有可能造成貢獻(xiàn)量計(jì)算得不準(zhǔn)確。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種聲場中存在多特征場點(diǎn)情況下，分析和評價壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)的方法。在N維向量空間中，將總聲壓矢量視為聲壓頻率分量一個線性組合，將壁板對聲壓分量的聲學(xué)貢獻(xiàn)量在總聲壓方向上進(jìn)行投影并求和，來表征壁板對場點(diǎn)總聲壓的聲學(xué)貢獻(xiàn);以場點(diǎn)聲能量占聲場總聲能量的比重作為加權(quán)系數(shù)，將壁板對多個場點(diǎn)總聲壓的聲學(xué)貢獻(xiàn)量進(jìn)行加權(quán)并求和，來表征壁板對整個聲場的聲學(xué)貢獻(xiàn)。以某急救車為例，為降低車廂內(nèi)部多個特征場點(diǎn)的低頻噪聲，采用改進(jìn)方法分析車廂壁板振動的聲學(xué)貢獻(xiàn)，識別對整個聲場貢獻(xiàn)較大的壁板，通過對比兩種阻尼粘貼方式的降噪效果驗(yàn)證分析結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，對實(shí)車進(jìn)行阻尼處理，降低車內(nèi)噪聲。

1 現(xiàn)有的壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)分析方法

場點(diǎn)總聲壓P(ω)可由壁板在該點(diǎn)引起的聲壓響應(yīng)Pe(ω)疊加得到:

其中:n為壁板的數(shù)量。

將Pe(ω)在總聲壓P(ω)矢量方向上進(jìn)行投影，可得到壁板振動的聲學(xué)貢獻(xiàn)量pc:

其中:P*(ω)為場點(diǎn)總聲壓的共軛復(fù)數(shù);Re為取復(fù)數(shù)的實(shí)部。

由于場點(diǎn)聲壓響應(yīng)譜含有多個頻率成分的聲壓分量，在某些特定頻率上的聲壓響應(yīng)具有較大的峰值，因此，現(xiàn)有貢獻(xiàn)分析方法主要是針對聲壓響應(yīng)峰值進(jìn)行的，則式(2)可具體表示為:

其中:pc，j為壁板對聲壓響應(yīng)峰值j的貢獻(xiàn)量;ωj為聲壓響應(yīng)峰值j對應(yīng)的頻率;Pe(ωj)為Pe(ω)在頻率ωj上的分量;P(ωj)為P(ω)在頻率ωj上的分量。

由式(3)可見，Pc，j可以評價壁板對場點(diǎn)聲壓響應(yīng)峰值的貢獻(xiàn)程度，但無法直接評價壁板對場點(diǎn)總聲壓P(ω)的貢獻(xiàn)程度。同時，聲場中存在多個場點(diǎn)時，現(xiàn)有分析方法也沒有合適的參數(shù)來評價壁板對整體聲場的貢獻(xiàn)程度。

2 改進(jìn)的壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)分析方法

2.1 壁板對場點(diǎn)總聲壓的貢獻(xiàn)量

壁板對每個聲壓頻率分量的聲學(xué)貢獻(xiàn)均不同，因此采用壁板對場點(diǎn)總聲壓的貢獻(xiàn)量來評價壁板對場點(diǎn)噪聲的貢獻(xiàn)程度。

場點(diǎn)總聲壓矢量P(ω)由N個不同頻率的聲壓分量 P(ωi)組成，即:

根據(jù)聲波疊加原理，頻率不同的聲波不會發(fā)生干涉，其聲能量滿足非相干疊加原理［10］，則:

其中:ωi為聲壓分量P(ωi)對應(yīng)的頻率。

根據(jù)式(5)可知，總聲壓矢量P(ω)的模是通過聲能量的非相干疊加得到的，而非聲壓分量模的簡單相加，因此不能簡單的采用壁板對聲壓分量貢獻(xiàn)量的算術(shù)和來表征壁板對總聲壓的貢獻(xiàn)量。

在N維向量空間中，將總聲壓P(ω)和聲壓分量P(ωi)均視為N維向量，向量的維數(shù)等于聲壓分量的數(shù)量，則式(4)和式(5)可表示為:

其 中:p(ω1)， p(ω2)， … p(ωN)為 N 維 向 量P(ω)的分量。

由式(6)可見，P(ω)為向量組 P(ω1)，P(ω2)， …， P(ωN)的一個線性組合，P(ω)與P(ωi)均線性相關(guān)，向量組中任意兩個向量均正交，且滿足向量的線性運(yùn)算。向量P(ω)與任意一個組成向量P(ωi)的夾角θi可表示為

根據(jù)式(7)求得夾角，將P(ωi)在向量P(ω)方向上進(jìn)行投影，得到分量P(ωi)對總聲壓P(ω)的貢獻(xiàn)量。以二維向量空間為例，P(ω)和P(ωi)均表示為二維向量，見式(8):

在二維幾何向量空間中可表示為圖1所示。由圖1可見，向量P(ω1)在P(ωi)方向上的投影可用來表征聲壓分量P(ω1)對總聲壓P(ω)的貢獻(xiàn)量。

圖1 P(ω)和P(ωi)的二維幾何向量表示Fig.1 Two － dimensional geometric vector representation of P(ω)and P(ωi)

同理，將壁板對聲壓分量P(ωi)的貢獻(xiàn)量Pc，i向總聲壓P(ω)方向上進(jìn)行投影并求和，可得到壁板對場點(diǎn)總聲壓的貢獻(xiàn)量

其中:Pc，s為壁板對場點(diǎn)s的貢獻(xiàn)量。

2.2 壁板對聲場的貢獻(xiàn)量

假設(shè)選取l個特征場點(diǎn)來描述聲場的整體聲學(xué)特性，聲場的總聲能量為各場點(diǎn)聲能量的疊加，因此采用場點(diǎn)聲能量占聲場總聲能量的比重作為加權(quán)系數(shù)，將壁板對多個場點(diǎn)總聲壓的貢獻(xiàn)量進(jìn)行加權(quán)并求和，來表征壁板對整個聲場的貢獻(xiàn)量。

場點(diǎn)s的加權(quán)系數(shù)ks表示為

其中:Ps(ω)為場點(diǎn)s的總聲壓。

則壁板對整個聲場的貢獻(xiàn)量pc，T可表示為:

式(11)采用的加權(quán)系數(shù)考慮了不同場點(diǎn)聲能量占聲場總能量的比重，因此與直接對Pc，s進(jìn)行求和相比，Pc，T能更加準(zhǔn)確的表征壁板對聲場整體聲學(xué)特性的影響，通過其量值大小和正負(fù)即可判斷壁板的聲學(xué)貢獻(xiàn)。

3 仿真模型

以某急救車為例，三維模型圖見圖2。車廂內(nèi)乘坐人員主要為坐姿傷員、臥姿傷員、站姿醫(yī)護(hù)人員和坐姿醫(yī)護(hù)人員，其中左、右兩側(cè)的坐姿和臥姿傷員以車廂中軸線對稱分布。這些位置是噪聲對乘員聽覺的主要影響區(qū)域，因此選取選取左側(cè)坐姿、臥姿傷員耳旁以及坐姿、站姿醫(yī)護(hù)人員耳旁4個位置作為描述車廂內(nèi)部聲場的特征場點(diǎn)，分別記作場點(diǎn)1、2、3、4。分析工況為車輛以80 km/h的速度在柏油路面(相當(dāng)于B級路面)行駛。

車廂的結(jié)構(gòu)有限元模型和聲學(xué)邊界元模型見圖3，車廂主要由夾層式復(fù)合鋁板鉚接而成，因此采用可定義夾層結(jié)構(gòu)的多層殼單元(shell181)來定義車廂大板。采用可定義截面形狀的三維薄壁梁單元(beam188)來定義大板結(jié)構(gòu)中的骨架。車門與車身采用剛性連接，大板間的鉚接采用耦合連接處節(jié)點(diǎn)的所有自由度來模擬。內(nèi)飾、座椅以及急救設(shè)備采用質(zhì)量單元(mass21)連接到車廂。整個模型劃分為672個梁單元，4 260個殼單元，殼單元和梁單元采用鋁合金材料，密度ρ=2 700 kg/m3，彈性模量 E=7×104MPa，泊松比 μ=0.33。車廂壁板形成封閉的聲腔模型，提取殼單元作為聲學(xué)邊界元模型的網(wǎng)格，該模型在一個波長范圍內(nèi)還有至少6個網(wǎng)格單元，滿足精度要求。

圖2 某急救車三維模型Fig.2 Three-dimensional model of a ambulance

圖3 車廂仿真模型Fig.3 The simulation modal of carriage

采用實(shí)測車廂底板懸置處的振動加速度信號作為結(jié)構(gòu)有限元模型的激勵，在有限元軟件中計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)。為驗(yàn)證有限元模型的可靠性，測量車廂壁板多個不同位置的振動加速度信號，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。其中，左壁板和右壁板部分測點(diǎn)位置見圖4。圖5和圖6為圖4對應(yīng)測點(diǎn)垂向振動加速度功率譜的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比圖。對比結(jié)果表明，測點(diǎn)振動響應(yīng)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，峰值頻率一致，僅在幅值上略有區(qū)別，說明了有限元模型符合實(shí)際結(jié)構(gòu)。

圖4 壁板振動信號測點(diǎn)位置Fig.4 Vibration signals test seats in carriage panels

圖5 左壁板測點(diǎn)垂向加速度功率譜Fig.5 Vibration acceleration power spectrum at left panel seat

圖6 右壁板測點(diǎn)垂向加速度功率譜Fig.6 Vibration acceleration power spectrum at right panel seat

4 改進(jìn)方法分析

在LMSVirtual.lab軟件中計(jì)算聲學(xué)邊界元模型的聲學(xué)傳遞向量(Acoustic Transfer Vector，ATV)，并將結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為邊界條件，采用直接邊界元法計(jì)算得到場點(diǎn)噪聲和壁板對聲壓頻率分量的聲學(xué)貢獻(xiàn)量。將計(jì)算結(jié)果代入到式(4)～(11)，可得到壁板對場點(diǎn)總聲壓和整體聲場的聲學(xué)貢獻(xiàn)量，見表1至表3，其中壁板編號:1為前壁板;2為后壁板;3為頂板;4為左壁板;5為右壁板;6為底板。

表1給出了4個場點(diǎn)的總聲壓，表2和表3為采用改進(jìn)方法計(jì)算得到的車廂壁板對場點(diǎn)總聲壓以及整個聲場的聲學(xué)貢獻(xiàn)量。由表3可以看出，壁板3、4、5對聲場的正貢獻(xiàn)量要明顯高于其它壁板，對應(yīng)于表2，這3塊壁板對4個場點(diǎn)的正貢獻(xiàn)量均相對較大，因此這些壁板是聲場噪聲的主要貢獻(xiàn)者。壁板1和6對場點(diǎn)及聲場的正貢獻(xiàn)量均相對較小，為中性區(qū)域;壁板2具有較小的負(fù)貢獻(xiàn)量，為負(fù)貢獻(xiàn)區(qū)域。中性區(qū)域和負(fù)貢獻(xiàn)區(qū)域一般不作為以降噪為目的的結(jié)構(gòu)修改對象。相對于壁板對聲壓響應(yīng)峰值的貢獻(xiàn)量，表2和表3給出的數(shù)據(jù)能全面評價壁板對整個聲場的聲學(xué)貢獻(xiàn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有分析方法的不足，使改善整個聲場聲學(xué)特性的減振降噪措施更加具有針對性和有效性。

表1 場點(diǎn)總聲壓Tab.1 Field points total sound pressure

為驗(yàn)證上述分析結(jié)果，采用兩種粘貼方式對仿真模型進(jìn)行阻尼處理:選擇性粘貼和全粘貼。選擇性粘貼是對聲學(xué)貢獻(xiàn)較大的頂板、左壁板與右壁板粘貼阻尼材料;全粘貼是對所有壁板均粘貼阻尼材料。表4給出了阻尼處理前后4個場點(diǎn)的A計(jì)權(quán)總聲壓級對比結(jié)果，可以看出兩種處理方式的降噪效果基本一致，最大相差0.4 dB，說明選擇性粘貼的壁板是車內(nèi)噪聲的主要影響因素，阻尼材料降低了聲場主要貢獻(xiàn)者的聲學(xué)貢獻(xiàn)，而其它壁板對車內(nèi)噪聲影響較小，因此兩種處理方式的降噪效果基本一致。這進(jìn)而也說明了頂板、左壁板與右壁板是聲場噪聲的主要貢獻(xiàn)者，驗(yàn)證了所采用方法分析結(jié)果的正確性。

表2 壁板對場點(diǎn)總聲壓貢獻(xiàn)量Tab.2 Panels acoustic contribution to field points total sound pressure

表3 壁板對整個聲場貢獻(xiàn)量Tab.3 Panels acoustic contributionto the entire acoustic field

表4 場點(diǎn)總聲壓級仿真結(jié)果Tab.4 Simulation result of field points total SPL

5 阻尼降噪

在上述分析中，通過選取若干個特征場點(diǎn)，通過聲壓響應(yīng)分析和改進(jìn)的壁板聲貢獻(xiàn)分析識別出聲場噪聲的主要貢獻(xiàn)壁板，進(jìn)而進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)改進(jìn)，由此形成了一套系統(tǒng)的聲場降噪方法，其操作流程見圖7。

基于上述改進(jìn)方法的分析結(jié)果，在實(shí)車上對聲學(xué)貢獻(xiàn)較大的頂板、左壁板和右壁板粘貼3 mm厚的阻尼材料。阻尼材料由合成的特種聚合物配制壓延而成，主要用于車輛側(cè)壁板、地板，起到阻尼減振作用，詳細(xì)參數(shù)見表5。粘貼阻尼材料后的壁板表面見圖7，圖中灰色區(qū)域?yàn)樽枘岵牧稀y量車輛以80 km/h的速度在柏油路面(相當(dāng)于B級路面)行駛時，4個場點(diǎn)的噪聲，表6給出了場點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級的試驗(yàn)對比結(jié)果，可以看出，基于改進(jìn)方法的壁板阻尼處理降低了整個聲場的噪聲，最大降幅達(dá)到3.6 dB。圖8為阻尼處理前后場點(diǎn)2的聲壓響應(yīng)譜，阻尼處理主要降低了壁板振動產(chǎn)生的低頻噪聲，對中高頻噪聲影響較小。

圖7 聲場降噪流程圖Fig.7 Flow chart of sound field noise reduction

同時，改進(jìn)方法使用阻尼材料的附加質(zhì)量為23.9 kg，與整體貼附阻尼材料的附加質(zhì)量38.8 kg相比，節(jié)省了14.9 kg，提高了阻尼材料的利用率，并使車輛總質(zhì)量更輕。

表5 阻尼材料參數(shù)Tab.5 Damping material parameters

圖8 粘貼阻尼材料后壁板表面結(jié)構(gòu)Fig.8 Panel surface structure after pasting damping material

表6 場點(diǎn)總聲壓級試驗(yàn)結(jié)果T a b.6 E x p e r i m e n t r e s u l t o f f i e l d p o i n t s t o t a l S P L

圖9 場點(diǎn)2的聲壓響應(yīng)譜Fig.9 Sound pressure response spectrum at field point 2

6 結(jié)論

(1)針對車內(nèi)聲場中存在多場點(diǎn)的情況，提出一種分析和評價壁板振動對整個聲場聲學(xué)貢獻(xiàn)的方法，為改善整體聲場的聲學(xué)特性提供了分析手段。

(2)采用改進(jìn)方法分析在指定工況下某型急救車車廂壁板的聲學(xué)貢獻(xiàn)，并通過對比兩種阻尼粘貼方式的降噪效果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，改進(jìn)方法提出的評價標(biāo)準(zhǔn)能夠更加全面地分析壁板振動對整體聲場的聲學(xué)貢獻(xiàn)，并有效識別對車內(nèi)整體聲場貢獻(xiàn)較大的壁板。

(3)根據(jù)分析結(jié)果，對實(shí)車進(jìn)行阻尼處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于改進(jìn)方法的壁板阻尼處理有效降低了車內(nèi)多個場點(diǎn)的低頻噪聲，整個聲場的聲學(xué)特性得到了改善，與整體粘貼阻尼材料相比，減少了車廂的附加質(zhì)量，符合車輛輕量化的發(fā)展趨勢。

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