基于A(yíng)UTOSEA仿真軟件的汽車(chē)聲學(xué)建模

　對于很多汽車(chē)生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，一輛汽車(chē)的完整聲學(xué)建模設計依然是一個(gè)夢(mèng)想。然而，聲學(xué)仿真方法受到越來(lái)越廣泛的應用，而且正成為致力減少開(kāi)發(fā)時(shí)間的重要設計工具。

　　聲學(xué)建模常被誤解為是一個(gè)可以解決所有問(wèn)題的魔術(shù)工具。其實(shí)到目前為止，聲學(xué)和振動(dòng)建模只能夠提供重要的建議而不是確切的答案，而且還必須具備在開(kāi)發(fā)和原型階段就將其當作解決問(wèn)題的工具的觀(guān)念才行。

　　由于不太被人相信，在設計階段并沒(méi)有將車(chē)輛的所有聲學(xué)問(wèn)題考慮在內，因而導致聲學(xué)問(wèn)題就在原型或更遲的階段出現。假如實(shí)驗人員能夠得到FEM（有限元法）模型，那么聲學(xué)問(wèn)題從一開(kāi)始就可以被考慮到；同時(shí)假如設計人員能夠明白一份測量報告的真正含義，問(wèn)題也更容易被解決。因此說(shuō)，聲學(xué)建模應該是一種結合原型開(kāi)發(fā)、以問(wèn)題解決為導向的額外工具，同時(shí)相關(guān)的流程可以遵循以下原則步驟。

　　在設計階段：1.獲得簡(jiǎn)化的聲學(xué)FEM模型；2.在估算輸入力下，利用BEM或SEA方法評估噪聲水平；3.計算出設計階段是否會(huì )出現嚴重的問(wèn)題。

　　在原型階段：1.從原型獲取實(shí)驗數據和孤立噪聲問(wèn)題；2.獲得每個(gè)問(wèn)題的循環(huán)模型和檢查輸入力振幅；3.嘗試可能的解決方法和對期望結果進(jìn)行仿真；4.檢驗施加在原型上的解決方法；5.利用實(shí)驗數據完善解決方案。

　　設計方法

　　以下是從Vibro-Acoustics Science Inc. Application Note(振動(dòng)聲學(xué)方面的報刊)引用的一個(gè)案例，其描述AUTOSEA仿真軟件在車(chē)內噪聲方面的應用（見(jiàn)圖1）。

圖1 帶有子系統的車(chē)輛的AUTOSEA模型

　　就車(chē)內噪聲而言，典型的問(wèn)題有：車(chē)內噪聲水平；噪聲源和傳遞路徑；如何降低噪聲水平。為了回答以上問(wèn)題，導入車(chē)輛的FEM模型就顯得很有必要了。這是一種“概念階段”的典型粗網(wǎng)格模型，大概會(huì )生成15萬(wàn)個(gè)單元，當然單元數需要減少至大約5萬(wàn)個(gè)。簡(jiǎn)化的模型必須加以修訂，解決某些問(wèn)題，然后再檢查是否還保持原有的特性。

　　現在就可以通過(guò)一種聲振方法（基于感興趣的頻率范圍），用簡(jiǎn)化的模型評估車(chē)內多個(gè)接收位置的噪聲水平了。有兩種方法可供選擇：頻率上限至 200Hz的FEM-BEM(有限元和邊界元)方法和200Hz及以上的SEA（統計能量分析）方法。FEM-BEM方法可以被應用于結構傳播和空氣傳播路徑場(chǎng)合，但此方法在模型密度快速上升時(shí)會(huì )變得復雜和需要過(guò)多的單元，而當模型密度增加時(shí)SEA則能給出好的結果。

　　要識別振動(dòng)或噪聲源頭與傳遞路徑，相關(guān)技術(shù)必須結合FEM-BEM方法一同使用，這樣降噪技術(shù)也許能得出結果。而SEA方法則是根據能量轉移計算去識別每個(gè)源頭的貢獻量和聲波傳輸路徑的效率（見(jiàn)圖2）。

圖2 SEA的網(wǎng)絡(luò )

　　通過(guò)逐個(gè)分析，復雜的問(wèn)題可得到更有效的解決。這里我們展示AUTOSEA在考慮車(chē)頂蓬噪聲（由氣動(dòng)壓力產(chǎn)生）的特定場(chǎng)合的使用。

　　首先，我們導入FEM模型，并將材料和梁截面特性?xún)Υ嬖跀祿炖?，然后通過(guò)只創(chuàng )建NASTRAN頂蓬單元和所有的SEA子結構來(lái)簡(jiǎn)化幾何形狀復雜度（除了擋風(fēng)玻璃可見(jiàn)）。我們向SEA模型加入彎曲板來(lái)代表頂蓬。

　　1.集合頂蓬、擋風(fēng)玻璃和內部腔并觀(guān)察波段的模數數量，因為聲學(xué)腔增加得非常迅速。

　　2.描出被選擇的子系統的波數，觀(guān)察到玻璃的巧合頻率要遠遠低于頂蓬。在寬闊的頻帶范圍里，擋風(fēng)玻璃都是一個(gè)明顯的輻射體。

　　連接頂蓬和擋風(fēng)玻璃子系統，其角度接近正常，所以能量只能通過(guò)moments傳遞。連接頂蓬和內部子系統，頂蓬板的輻射效率有賴(lài)于固定邊界（如一般擋板和頂蓬內襯對輻射效率分別起到增加和減少作用）。頂蓬內襯對輻射效率的影響可通過(guò)SEA方法分析模擬或者用試驗的數據導入模型中得出。

　　用功率源連接到頂蓬子系統來(lái)代替風(fēng)（氣動(dòng)）壓力源。氣動(dòng)壓力的頻譜可由風(fēng)洞測試或者路面測試數據決定，或者作為一種默認頻譜來(lái)計算。將能量輸入到頂蓬是因為風(fēng)噪在低頻時(shí)很大，并會(huì )因為結構波數和對流波數的分歧而迅速減小。請注意：模型的其他振動(dòng)噪聲源（見(jiàn)圖3）分別是通過(guò)結構傳遞的發(fā)動(dòng)機噪聲（以車(chē)輛front rail測量的振動(dòng)表示）和通過(guò)空氣傳播的輪胎噪聲（以車(chē)底板的底部表面測量的彌漫聲壓級表示）。

圖3 振動(dòng)噪聲源

　　想通過(guò)解決上述網(wǎng)絡(luò )來(lái)獲得轎車(chē)、貨車(chē)、車(chē)底、擋風(fēng)玻璃和頂蓬等地方的可預測A計權聲壓值，那么也許就要注意到，A計權傳感器的更高測量水平是適用于500Hz以上頻率的。如果再看看輸入到車(chē)輛內部的能量（針對多振動(dòng)噪聲源問(wèn)題），會(huì )發(fā)現輪胎噪聲占據了250～1 000Hz的頻率范圍，但在更高頻段區就應該是擋風(fēng)玻璃對車(chē)內噪聲負責了。因此，我們現在不得不去了解究竟是什么因素引起擋風(fēng)玻璃發(fā)生振動(dòng)。

　第一種途徑就是通過(guò)凍結內部聲壓來(lái)進(jìn)行“源頭排位”，然后斷開(kāi)風(fēng)噪源和胎噪源并重新解決所有的問(wèn)題。結果顯示，傳入車(chē)內的擋風(fēng)玻璃的高頻輻射是由發(fā)動(dòng)機振動(dòng)引起的結構激勵導致的。

　　再把風(fēng)噪源和胎噪源重新連接上（底板質(zhì)量法的輸入是0.73m2和4.5kg），并且重新解決相關(guān)問(wèn)題以獲得2 000Hz下的能量流。正如期望那樣，擋風(fēng)玻璃和儀表板是車(chē)內噪聲的兩個(gè)主要貢獻源，但現在我們同樣獲知通過(guò)上下支柱傳輸的結構路徑的信息。