基于VAOne的汽車車內全頻段噪聲問題的研究綜述

高巖

摘 要：世界各大汽車廠商以及汽車研究機構均致力于研究如何降低車內噪聲水平，該文基于ESI集團的VA One綜述了汽車車內全頻段噪聲預測分析方法，論述了車內低頻、高頻和中頻噪聲的研究現狀，對汽車車內全頻段噪聲預測分析的研究做了展望。

關鍵詞：VA One 車內全頻段噪聲

中圖分類號：U467.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0061-02

隨著汽車技術的不斷進步，人們對汽車產品舒適性要求的不斷提高，世界各國對汽車車內噪聲限值要求更加嚴格，因此，世界各大汽車廠商以及汽車研究機構均致力于降低車內噪聲，以滿足廣大消費者和政府法規的要求。汽車車內噪聲包括低頻噪聲、中頻噪聲和高頻噪聲，構成了車內全頻段噪聲。針對不同頻率段的噪聲特性，利用CAE技術與數值計算相結合的方法，如有限元分析方法（Finite Element Method，FEM）、統計能量分析方法（Statistical Energy Analysis，SEA）以及混合FE-SEA分析方法（Hybrid FE-SEA Analysis）等，再結合先進的試驗方法，可以分別進行有效地預測。在汽車研發初期，對車內全頻段噪聲的預測分析，可以為新車型的正向設計開發提供較為準確的整車噪聲特性，從而避免大量的試制樣機和重復試驗，縮短了開發周期和降低了研發成本。法國ESI集團于2005年推出了全頻段振動噪聲分析軟件VA One，它把FEM、SEA以及Hybrid FE-SEA Analysis集中于統一的模擬環境。同時，提供了一種有限元和統計能量分析嚴格的耦合形式，能夠統一而可靠地進行全頻譜范圍的求解[3]。

1 車內噪聲預測分析的研究現狀

在汽車產品開發過程中，對車內全頻段噪聲的預測是一項非常復雜的工程。隨著數值計算方法和計算機技術的不斷進步，各種數值計算方法和商業軟件大量涌現，對分析車內全頻段噪聲起到了關鍵作用。其中，在現有的商業軟件中，VA One可以對汽車車內全頻段噪聲進行預測分析。

1.1 車內低頻噪聲預測

汽車車內低頻噪聲主要是由車身板件結構的振動引起的車內聲壓分布的變化而產生的噪聲，其頻率范圍一般為20～200 Hz。現階段對車內低頻噪聲的預測主要應用FEM來研究。FEM在聲學領域的應用，最早由G.M.L. Gladwell和G. Zimmermann于1966年提出。A. Cragges等將FEM應用于不規則封閉空間聲場和聲學模態分析，FEM開始正式應用于解決車內聲場與振動的耦合問題。隨后，國內外一些專家學者進行了大量研究工作。

通過分析車內低頻噪聲問題的VA One模型，分別建立車身結構和車內聲腔的有限元模型，通過這兩個模型可以分析車身結構模態，車內聲腔的聲學模態，接下來可以通過VA One中建立二者的聲固耦合面連接，然后建立車內低頻噪聲分析模型，分析結構與聲腔的耦合響應，來研究車內某一點的噪聲聲壓級。還可以通過結構模態參與因子、聲學模態參與因子、車身板件的貢獻量、聲學靈敏度等分析，可以有效地進行汽車車身結構模型的改進設計，來滿足車內低頻噪聲的要求。

1.2 車內高頻噪聲預測

汽車車內高頻噪聲通常是頻率大于1 000 Hz的空氣聲，一般采用SEA來分析。SEA是20世紀60年代初發展起來的解決高頻聲振問題的有效方法。它從統計的角度分析統計密度集模態平均的振動能量傳遞水平，利用所研究對象各子系統之間具有統計意義的能量參量變化來研究其動力學特性的方法。早期主要應用于航空領域。到了90年代，SEA的應用開始擴展到汽車領域。

SEA可以單獨分析汽車SEA子系統的聲學特性。Q. Zhang等建立了車門子系統的SEA模型，該模型包括外殼、車門聲腔、車門內部金屬片、空氣屏障和內飾，在聲傳遞損失測量中考慮了漏聲問題，并提出漏聲對車門系統的整體聲學性能有著重要影響。還有人對汽車擋泥板、防火墻、擋風玻璃等子系統應用SEA進行隔聲、吸聲特性分析。SEA可以分析汽車整車系統的聲學特性。M.G. Foulkes等對汽車空氣傳播的道路噪聲進行了預測，建立整車SEA模型，預測車內噪聲傳遞路徑，采用插入損失測量方法對SEA預測的噪聲傳遞路徑進行修正。同時，SEA可以用于汽車聲學包的設計開發，利用整車SEA模型計算汽車聲學包的聲傳遞損失和吸聲系數，并對其進行優化設計，使聲學包的性能、重量和成本滿足最優的開發要求。

相比于FEM確定性的分析方法，SEA是從統計的意義出發，運用能量的觀點來預測分析汽車車內高頻噪聲問題。現在VA One軟件中的高頻分析功能集成了振動噪聲著名軟件AutoSEA2，在VA One中，通過理論計算和試驗的方法，建立汽車每個SEA子系統的參數（模態密度、內損耗因子等）和各個子系統間的耦合損耗因子來建立整車SEA模型，確定整車SEA模型的激勵工況，來預測分析汽車各個SEA子系統的聲學特性和汽車車內高頻噪聲問題。

1.3 車內中頻噪聲預測

前面所述，汽車車內低頻噪聲問題采用FEM來研究，高頻噪聲問題采用SEA來研究。對于汽車車內中頻噪聲問題，單獨使用FEM或者SEA都不能很好地解決，于是人們提出了一種將FEM與SEA相結合的新方法——Hybrid FE-SEA方法，它采用動力平衡方程和功率平衡方程計算聲振系統的響應。通常，汽車車內中頻噪聲的頻率范圍為200～1 000 Hz。在這個頻段內，某些子系統的動態響應由結構整體模態控制，而某些子系統的動態響應則由局部模態控制，這種系統內既有整體模態控制的強耦合子系統，又有由局部模態控制的弱耦合子系統，這類結構的動態響應問題就成為典型的中頻問題。

為了分析中頻噪聲問題，國外許多學者致力于研究Hybrid FE-SEA方法。相比于FEM和SEA方法，Hybrid FE-SEA方法的研究起步較晚，于1999年才被提出。R.S. Langley和P. Bremner對Hybrid FE-SEA建模分析技術的發展做出了重要貢獻，基于模態疊加原理，結合傳統的模糊結構理論及SEA方法，提出了一種新的求解復雜結構振動響應的混合方法。Hybrid FE-SEA方法可以作為SEA的補充，在SEA模型的基礎上，將對響應影響較大的子系統詳細化，這樣可以有效地提高響應的預測精度，目前，VA One是唯一能夠進行Hybrid Model建模和分析的商業軟件。在VA One頻噪聲分析模型中，可以建立聲振系統的Hybrid FE-SEA模型，將FE子系統與SEA子系統耦合在一起解決中頻聲振系統的預測問題。

2 結論和展望

在汽車產品設計開發初期，利用VA One建立汽車車內全頻段噪聲模型，可以對汽車結構進行設計以及車內聲學包進行開發設計，并對車內全頻段噪聲水平進行預測分析，可以大量縮短開發周期，節約開發成本。

參考文獻

[1] 李德玉，歐禮堅，趙成璧.長T型聲共振器在船舶噪聲控制中的應用[J].廣東造船，2012（6）：58-61.

[2] 黎勝，趙德有.用有限元/邊界元方法進行結構聲輻射的模態分析[J].聲學學報，2001（2）：174-179.