车辆内部声场的贡献度分析

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1、? ? 年? ?月农业 机械学报第? ?卷第?期车辆内部声场的贡献度分析李世岩宫镇蔡超【摘要?首先 由线性波动方程推导 出车内声场的边界积分方程,经边界元离散得到已知声场边界 的振动速度场,求解其内部声压的线性方程组。进一步提出边界表面上的声压对声场 内某点声压的贡献度概念,为降低车内某点处的声压提供对车室壁板进行结构修改的理论依据,最后对这一理论进行了验证。叙词声场,边 界元法,数值计算,车辆交通车辆中都设有驾驶 室、车厢 之类的封闭空间,统称为车室。传统的降低车内?车室的内部,下同?噪声的方法,是以声学理论 为指导,根据经验和实验,对噪声源和声传播途径采取相应的降噪措施。因此,为达到一 个

2、 良好 的车内声学环境,往往 必须 经过多轮“设计一试制一测试一改进”的过程。近年来,随着计算机的普及和数值分析技术的迅速发展,出现了多种新的噪声预估和声学设计方法,为车室的低噪声设计打下 了 良好的基础。本文介绍的车内声场的贡献度分析方法即属其中一种。?车内声场的形 成车内声场 一般由?部分组 成,一是经 车室 的孔缝处 直接从外部传到车内的空气声?二是外界声波作用 于车室的壁板和机体的振动传播到车室的壁板,而使壁板受迫振动产 生 的 固体辐射声?三是前两部分声波在车内经多次反射而形成的混响声。对于 一个封闭的车室,由孔缝传透的空气声甚微,可以忽略。所以,可认 为其车内声场主要是由车室 壁板

3、的振动而辐射声压所引起?包括混响声?。换言之,车内的声学模型参数,可 由声学模型的边界条件声源?图?车内声场 的形成?一?,?,?,?来确定。如 图?所示,车内某点?处的声压,可看作由? 块车室壁板?相当于声源?以同一频率振动所辐射的声波而形成。其中包括?个声源的直达声和?个声源辐射的声波经多次反射到?点的混响声,即?点 处的声压是由?块壁板的边界条件?振动特性和声学特性?决定的。?车内声场的数学模型由声波理论可知,三维的线性波动方程?齐次的? ? ?方程?为李世岩江苏理工大学机械工程系讲师? ? ?镇江市江苏理工大学机械工程 系教授江苏理工大学机械工程 系讲师宫镇超蔡第?期车辆内部声场的贡献

4、度分析甲?式中,甲?为? ? ?算子?尸为声压?为波数,?一里,。为 圆频率,。为声速。对 于已知确 定区域边 界上的振动速度场,声场声辐射问题的第二类边界 条件,即求解空间声 场的? ?边值问题,选取稳态?一一护一翩式中,?为由边界性质确 定的函数,?为边 界表 面上的外 法向矢量,?为声场的边 界表面。根据? ? ?定理和边界条件对? ?式 的定解问题进行求解,经 过推导可得 到车室 内某点的声 压?的边 界积分方程如 下?限 于篇幅,推导过 程从 略?一莎、?尸,瓮一瓷? ?任?式 中,?为系数,药?,尸,分别为声 场 内和声 场 边 界表 面上 某点 的声压?复?少人?、一一数?,为?

5、 ?函数,?内部区域。冬?任?乙?一 盛?兀?久一了二万?为点?到边 界表面 上的距离?为声场的图?为 由金属 壁板组成的封 闭车室模型。对于边 界表面无声传、,?、,一,?,?,?、,?、,护?、?、?透并有小振幅的振动,其边界条件为冬?一劫、。,这里尸为空气密 一”?十、曰曰?刃卜?产 、一尸月、”?历?一一一砂一、? 度,二,为边界表 面的 法 向振动 速度分量。将 其代入式?,并 利 用边 界元离散技术,同时把积分边 界划分为? 个 边 界单元,且为常数单元,离散后方程式? ?简化为二二二? ? 尸,一艺?尸,?,?叫双,?式中,、,一汀孕? ?,?,一吓助、声,? 。?为边界单元,的

6、法向图?车室模型?口?少研止, ?振动速度?,为边界单元?的面积?,为边界单元?的外法 向矢量?,为? ? ?函数,?一斌?冗?竺?风,为点? ?任?或单元形心? ?任?到单元?上的距离。由式? ?可知,为了求解车内某点?处的声压尸,必须首先求出边 界表面 上的声压尸,。此时,?任?且?一?,?,?,?,式? ?中的尸,与尸,同属于边界表 面上某一单元 处 的声压,进一步 化简式? ?得?式 中,仁?一仁?。?火、?冬仁民“一“少一? ?,?笋?。一召,皿、又、 ?一?,?,一尸耐?,? 个边界单元上的 声压?。?试,试,?织?下,? 个 边界单元处 的法 向振 动速度。对于确定的声场,?和?

7、为复常数 矩阵,可以利用数值解析方法求解,从而在已知边界表面 上的振动速度?幅值和 相位?情况下,利用式?即可求出边 界表 面上的声压?,?幅值和相位?,?,?,?。将其代入式?即可求出车内某点?处的声压?,?幅值和相位?,故式? ?为 利用已知 边界表 面 的速度场求解其 内部 声 场的数学模型,计算框图如 图?所示。对 于不 同 的农业机械学报? ?年?一?二?,一?、?,?、?,?护?,一?,、牛 至壁极,只需 改父谷迈界早兀处的迈界余? ? ? 又丁,利用 勺式乙甲 界表面上和声场 内某点的声压。? ?同样的方法,可以求出声场边?贡献度分析一般概念上,往往认为边界上振动大的部位是 车内

8、噪声的主要声源,这里忽略了由于 边界 上各单元?相当于声源?的振动相位不同给车内声场带来的影响。有时虽进行了结构修改,却对降低车内噪声得不到满意的结果。为此,引入边界单元上的声压对车内某点声压的贡献度概念,以达到用尽量少的结构修改而获得 最佳的降 噪效果的目的。日本学者今井守之等? ? 曾做过大量的研究工作,并成功地应用在汽车的车室降噪上,本文是在此基础 上作进一步分析。由式? ?可知,已知边界表面上的声压尸,求解车内某点声压尸的关系式,可简化为如下函数关系?图?计 算声压程序框图尸,一艺?尸,?所以车内某点的声压是由于声场边 界上?个边界单元上的声压?相当于声源?叠加的结果。根据声波干涉理论

9、,这 ?个边界声源传播到车内的?点,由于各声源的相位不同,有的使?点的声压增大,有的反而使?点的声压减小。为此,把边 界单元上的声压幅值?尸,?与车内某点的声压幅值?尸、?之比,再乘以两者相位差的余弦,定义为边界单元?对车内某点声压尸的贡献度?式中,?,为单元?对车内为计算方便,式? ?尸? ?,?协廿? ? ?一,?,一?点的贡献度,?为尸,与尸的相位差。可作如下变换?,一鲁一?尸,?尸? ? ?。?,?,?尸?“?一 ?尸于?。?尸,尸厂?一?尸子?式中,?厂为尸,的共扼复数,?。为该复数的实部,夕,和夕?分别为尸和尸,的相位。见图?,贡献度?,的物理意义可以理解为?当?,?时,即。镇?或

10、?簇? ? ?,边界单元?上的声压对?,的贡献是正的,意味着单元?振动的存在使 ?尸,?增加,进行结构修改时,减小其振动即可降低尸,此时?,值越大说明对尸的贡献越大?图?中声波?当?,一。时,即?一? ?。或?一? ? ?,在尸,的最大值处刚好 ?尸,?为零,故尸,的存在并不影响尸、的幅值第?期车辆内部声场的贡献度分析大小?图?中声波?当?,?时,即? ? ? ?,说明边界单元?上的声压对尸,的贡献是负的,意 味着单元?振动的存在使 ?尸?减小?图?中声波?。该处也是进行结构修改的对象,只是对该处进行结构修改并不是要减小单元?的振动,而是尽量利用其振动来衰减尸,这与有源 降噪法的降噪原理相似。

11、?计算与分析为了验证上述理论,本文以一个模型车室进行考核。如图?所示,模型为一个由金属壁板组成的封闭空间,将模型的边界分割成? ? 个单元,且认为每个单元都为常数单元,即单元上的法向振动速度和声压都是恒定盯。根据对该模型的振动特性分析,在。? ?频域内,以? ?处的振动最大。为此,采用 图?所示的试验方案,选? ? ?为激振频率,通过? ? ?动态分析仪进行测 量分析,测 出模型边界单元上相应的法向振动加速度的幅值和相位?经换算可求出法向振动速度?,以此作为已知量,利用式? ?声压尸 ? ? ? ? ? 方方方 乎乎乎兀兀? ? ? ?图?贡献度分析?车内某点声压的声波?,?,?边界单元上声压

12、 的声波和式? ?进行编程计算?见图3),从而可求出边界单元上 和车内某点处的声压,同时测出车内相应点处的声压。计算与测量结果见 图6,可知计算值与实测值的误 差在Z dB以内,属工程上允许的误差范围。当已知一个确定的声场后,为了降低声场内某点的声压,必须首先确定出该处声压的频率分布,得到 主要峰值频率。然后确定这些峰值的形成主要来 自哪些声源的贡献。也就是说要确 定车室的哪些壁板的振动对该峰值声压的影 响最大,从而为降低噪声提供结构修改的参考。利 用前面的计算结果(边界单元上 和声场内的声压值),选取图5中的G点(相当于车内驾驶员耳旁位置)作为贡献度分析的参考点,计算频率加速度图5测试框图1

13、 2黔 渤哪田忆为8 2SHz,代入式(7 )进行贡献度计算。同时将图2的模型展开成平面图形,就得到该模型车室的贡献度模型(如图7)。具体几何结构尺寸见 图2和 图5,计算结果贡献度为一0.3 +0.3,图7中的阴影部分对G点的贡献度为正的,即该部分的壁板振动是形成G点声压的主要成分,也是进行结构修改(增加该部分的刚度,加阻尼材料等)的主要对象。0l0 020 ( )30 ( )位置L/ mm黔黔黔挥胃胃图6声压级的计算与测量结果图7贡献度模型但对于其它部分(负的贡献度),减小振动反而会提高G点的声压。另外还可根据其正的贡献度大小确定出哪些单元的影响最大。农业机械学报1 9 9 4年5结论通过

14、上述分析,可 归纳为如下几点:(1 )利用边界单元法,在已知车内声场边界速度场的情况 下,计算其内部任意点的声压是可行的。所编制的声压计算程序可在普通微机上 运行。(2 )通过贡献度分析,对于车内某些特定的点,有助于判别形成该点声压的主要噪声源,为进行结构修改提供依据。(3 )本项研究结果为实现在车室的设计开发阶段对车室的内部噪声进行预估,提供了 良好的基础。若能与相应的结构动态分析程序(如SA PS )联 用,将会发挥其更大的作用。参考文献今井守之等.BEM忆上乙骚音预测.骚音制御, 1988(5):2 22 5田中均,烟英幸.C A D内 卓 室内骚音。内遭用。自勤卓技衔, 1987(13

15、): 1532一15 37束永平,王仲章,宫镇.工程 声 学中的边界单元法.江苏工学院学报, 1989( 2): 10 8一11 4李世 岩.车内声场分析的边界元方法:学位论文 .镇江:江苏工学院,1 990 .ANALYSISOFCONTRIBUTIONDEGREEFORINTERIORSOUNDFIELDOFAVEHICLECABIJ一Shiya nGongZhe nCaiCha o(JiangsuUniv ersit夕 o fScien ceandTechnolo舒)A bstraCtT heboundary int egralequatl on ofinteriorsound f iel dofa vehiele eab hasbeenderivedbasedon al inearwave equation.T hel inearBFEequationsare establ ished by w hiehtheint e- rl or sound pressure eanbe ealeulat ed i ftheboundary veloeities areknown.And further, theeontribut