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1、基于模态声学传递向量的发动机辐射噪音分析基于模态声学传递向量的发动机辐射噪音分析 李增刚 （比利时 LMS 国际公司北京代表处，北京，100101） 摘要：本文采用 LMS 公司的 Virtual.Lab 仿真软件中的 Acoustics 模块进行 4 缸发动机辐射噪音分析，利 用模态声学传递向量（MATV）计算了发动机在多转速工况下的辐射分布，同时计算了发动机的结构模态 对辐射噪音的贡献量分析。通过声学响应分析得知，发动机的辐射声场在 350Hz 时的会出现峰值，通过模 态贡献量分析得知，第 1 阶模态对此峰值影响最大，通过传递路径分析得知第 1 和第 4 个载荷对总的声学 响应起到正的作用
2、，而第 2 个起负的作用，而第 3 个引起的声学响应与其他 3 个载荷引起的响应相比，是 很小的，可以忽略。 1 前言前言 噪音污染已经成为人类生存的三大公害之一，噪音对人们的生理和心理都会产生严重的影响。在产品 的开发设计阶段，若能考虑的噪声问题，可以提高产品的市场竞争力，为企业带来良好的经济效益，对消 费者而言，可以更好地享受生活的乐趣，提高生活的质量。 对于如何降低汽车噪声，可以采用计算机仿真分析和试验方法相结合的办法。对于计算机仿真分析方 法，可以进行声学模态分析、面板贡献量分析、传递路径分析、传递函数分析、灵敏性分析分析等，来识 别出噪音的来源，从而提出降低噪音的方法和途径。 2 模
3、态声学传递向量（模态声学传递向量（MATV）的概念）的概念 声学传递向量在结构表面和辐射声场中的某个测量点之间建立了一种对应关系。在小扰动情况下，可 以认为结构噪音辐射的声学方程是线性的，在输入（结构表面的振动）和输出（辐射声场中某点的声压） 之间建立一种线性关系。如果将结构表面离散成有限个单元和节点，这种输入和输出之间的关系，可以表 示为 ( )( )nTv= ATVp （1） 其中，是声压，p( )ATV是声学传递向量（Acoustics Transfer Vector） ，( )nv是结构表面法线方向的振动速度，是角频率。ATV 与结构的几何形状、结构表面的处理情况（如增加阻尼） 、测量
4、点的位置、辐 射声场的流体介质（声音的传播速度和流体的密度）以及计算的频率范围。 另外，结构的振动位移响应( )u，可以通过结构的模态通过线性叠加得到，可以表示为 ( )( )( )( ) ( )MRSP2211=+=nnaaauL （2） 其中， 是结构的模态， 是模态参与因子， 是频率的函数，iia 是由结构模态构成的矩阵，i( )MRSP是模态参与因子构成的向量。 ia将结构的振动位移响应( )u投影到结构表面的法线方向上，就可以得到结构表面法线方向的位移 ( )nu= ( )MRSPn （3） 从而可以得到结构表面法线方向的振动速度 ( )=nv( )nui= ( )MRSPni （4
5、） 将式（4）代入式（1）中，得到 ( ) ( )( )( )MRSPMRSPT nTMATVATV=ip （5） 其中，( )MATV=称为模态声学传递向量。 ( )ATVT ni3 发动机的结构模态和结构模态参与因子的计算发动机的结构模态和结构模态参与因子的计算 本文建立起了一个发动机有限元结构模型，如图 1 所示，并计算了前 30 阶结构模态，如图 2 所示。 图 1 发动机的有限元模型 图 2 发动机的前 30 阶模态频率 通过实验测得了发动机曲轴在多转速工况下的的激振载荷，用瀑布图表示，如图 3 所示。将该载荷作 用于发动机上计算出发动机的结构模态参与因子。 图 3 发动机曲轴上的载
6、荷 4 发动机的在多转速下的声学响应发动机的在多转速下的声学响应 下面分别计算了发动机在 RPM1011、RPM3013、RPM4010 和 RPM5030 工况下的声学相应，得到了 某点处的总声压级响应和每阶模态的贡献量，分别如图 4图 7 所示，从图中可以看出在 350Hz 出会出现 声压峰值，并且主要是由第 1 阶结构模态因起来的。 图 4 在转速为 RPM1011 下的声学响应和各阶模态引起的响应 图 5 在转速为 RPM3013 下的声学响应和各阶模态引起的响应 图 6 在转速为 RPM4010 下的声学响应和各阶模态引起的响应 图 7 在转速为 RPM5030 下的声学响应和各阶模
7、态引起的响应 5 声学传递路径分析声学传递路径分析 首先在模态空间中计算结构振动速度与输入载荷点之间的的传递函数，得到结构的模态参与因子，然 后将 ATV、结构模态和结构模态参与因子进行乘积，可以到载荷与声压之间的传递函数，然后将载荷和传 递函数相成，可以进行传递路径分析（TPA，Transfer Path Analysis） 。通过前面的声学响应计算得知，在 350Hz 时会出现声压峰值。图 8（a）（d）分别是在 RPM1011、RPM3013、RPM4010 和 RPM5030 工况 下在 350Hz 时的传递路径分析，从图中可以得知，第 1 和第 4 个载荷对总的声学响应起到正的作用，而第 2 个起负的作用，而第 3 个引起的声学响应与其他 3 个载荷引起的响应相比，是很小的，可以忽略。 （a）RPM1011（350Hz） （b）RPM 3013（350Hz） （c）RPM4010（350Hz） （d）RPM5030（350Hz） 图 8 声学传递路径分析 作者联系方式：13910983194， ,
