模態輻射效率在微車低頻轟鳴問題中的應用

向　偉，丁渭平，吳昱東，王鈴燕，蔣　宇

（西南交通大學　汽車工程研究所，成都610031）

模態輻射效率在微車低頻轟鳴問題中的應用

向偉，丁渭平，吳昱東，王鈴燕，蔣宇

（西南交通大學汽車工程研究所，成都610031）

應用有限元及邊界元方法，以四邊簡支的某型微車尾門板外板簡化模型為研究對象，討論改變薄板厚度、剛度、在低階模態“腹點”處增加質量三種方式對于模態輻射效率（20 Hz～100 Hz）的影響規律。通過對該車車內低頻聲學性能的分析與整改工作，驗證應用模態耦合輻射效率指導車內低頻聲學問題整改的可行性。

聲學；微車；低頻；轟鳴聲；模態輻射效率

車內低頻（20 Hz～100 Hz）轟鳴聲一直是微型客車聲學性能的研究重點，其主要產生原因是整車車身薄壁結構受激勵后向車內輻射出較大的聲能［1］。文獻［2］在對該類車型做了大量的分析、試驗工作后發現頂棚及尾門板是引起該問題的“源頭”所在。

結構輻射效率反映的是結構在受到激勵情況下輻射聲能的能力，其與結構材料屬性、結構外形等固有屬性以及激勵分布情況聯系比較緊密［3］。該參數能有效表征結構的聲學性能，因此可作為理想的結構聲學性能整改指標。然而在實際工作中如汽車頂棚、尾門板等大型薄壁元件往往存在約束點較多，激勵位置、分布較難獲取的情況，從而導致應用該參數預測結構聲學性能、指導工程整改較難實現。

模態輻射效率反映的是結構的固有聲輻射屬性，文獻［4］分析給出矩形薄壁元件的模態輻射效率計算公式，并解釋說明較大輻射貢獻量并非是由處于共振頻率處的模態引起。文獻［5-7］分別通過有限元等方法獲取薄板低階模態的聲輻射效率曲線，并相互驗證了計算結果的正確性。文獻［8］應用邊界元方法獲取列車車輪在50 Hz～6 000 Hz之間的模態輻射效率，并提出應用該類方法解決車輪聲輻射工程問題的可行性。文獻［9］討論當結構阻尼較小的情況下，使用模態輻射效率代替結構輻射效率指導工程整改的可行性。

由于汽車在行駛過程中往往受到多種激勵源的綜合作用，容易激發多模態之間的相互耦合作用。因此，使用單一階數的模態輻射效率指導工程整改便顯現出極大的局限性，綜合應用各階模態的耦合輻射效率表征結構的固有聲學屬性能更好地貼合實際情況。使用聲學分析軟件獲得某型微車尾門板的模態耦合輻射效率，結合分析結果，指導該車聲學性能整改工作，并通過試驗驗證整改的有效性。

1　薄板結構變化對模態聲輻射效率的影響分析

小阻尼結構矩形薄板第n階模態輻射效率理論計算公式如下［9］

為了便于探明薄壁結構的模態輻射效率，指導后期的整車Booming聲學問題整改，應用聲學分析軟件Virtural.lab建立與該車尾門板外板外形較為接近的單層弧狀簡化模型，仿真得到其在四邊簡支情況下的結構模態信息以及模態輻射效率曲線，薄板模型如圖1所示。

圖1　尾門板外板簡化模型

該結構在0～200 Hz之間共25階模態，限于篇幅影響，在此只羅列前10階模態信息，如表1所示。

從圖2中可以看出，薄板模型在低頻（20 Hz～100 Hz）段，奇奇階模態（第1階模態）輻射效率最大，其次是奇偶階（1.2階為第2階模態，2.1階為第3階模態）模態輻射效率，偶偶階模態（第4階模態）輻射效率最小，該項內容與論文［2］［4］［5］中的研究結果基本一致。

使用0～200 Hz之間的結構模態信息計算獲取低頻段（20 Hz～100 Hz）的模態耦合輻射效率（如圖3、4、5中原板所示曲線）。輻射效率峰值頻率點并不與薄板模態頻率一一對應，該結果也印證通過結構整改使模態“移頻”的手段在聲學性能整改中的“盲目性”。

為了探明板件結構變化對模型輻射效率的影響規律，通過改變模型厚度、改變模型剛度、低階模態“腹點”添加質量板的辦法，分析結構變化對模態耦合輻射效率的影響規律。

圖2　模態輻射效率

表1　 0～200 Hz模態分布情況

1.1改變模型厚度

在原模型的基礎上，分別計算了板厚為1 mm、3 mm、4 mm（原板厚為2 mm）的模態信息以及模態耦合輻射效率曲線，計算結果見表2和圖3。

從表2中可以看出，增加板的厚度能有效減少0～200 Hz之間的模態數量且能提高最低階模態頻率。

表2　不同厚度情況下的模態分布情況

圖3　 20 Hz～100 Hz不同厚度的模態耦合輻射效率

從圖3中可以看出，隨著板件厚度的增加，20 Hz～100 Hz之間的模態耦合輻射效率峰值個數逐漸減少。

1.2改變模型剛度

為了獲取整體剛度較大的薄板模型，在薄板上橫向增加了5處沖壓痕，并分別計算其結構模態信息以及模態耦合輻射效率曲線，見表3和圖4。

表3　不同沖壓痕情況下的模態分布情況

圖4　 20 Hz～100 Hz不同沖壓痕模態耦合輻射效率

從表3中可以看出，隨沖壓痕高度的增加，0～200 Hz之間的模態數量逐步減少，最低階模態頻率逐漸提高。從圖4中可以看出，增加沖壓痕高度對整個低頻段內的輻射效率都有很好的抑制作用。

1.3低階模態“腹點”添加質量板

為驗證質量板對模態輻射效率的影響，在原狀態1階模態振型腹點位置粘貼250 mm×300 mm大小、厚度為原板2.5倍的同材料板件，得到表4數據結果。

表4　不同質量板數量情況下的模態分布情況

圖5　 20 Hz～100 Hz不同質量板數量模態耦合輻射效率

從表4可看出，質量板的數量對1階模態頻率大小及模態數量影響較小；從圖5可以看出模態輻射效率峰值數量呈現出隨模態數量降低而減少的趨勢。

綜上所述，板件結構的變化對其模態耦合輻射效率有一定的影響。耦合模態輻射效率的峰值數量隨模態數量地減少而減少；改變厚度、增加剛度以及在模態腹點位置增加質量，都可以達到使模態輻射效率移頻的效果，合理的運用三種方法能使板件輻射效率較大頻點避開敏感頻率，從而達到降低輻射效率的效果；增加板厚和增加質量在移頻的同時，會使高頻處的峰值降低，低頻處的一些峰值升高；增加剛度能使整體低頻段內的幅值明顯降低。因此，在汽車低頻聲學性能整改中，可以嘗試選取使用車身薄壁板件的模態輻射效率作為整改、優化指標，并以此作為工程整改的依據。然而在實際工程運用過程中，相關部件往往受結構性能以及美觀度等因素的影響。因此，在實際工程整改中，須權衡各方面的相互影響，找尋最優解決方案。

2　某微車尾門板聲學性能優化分析

2.1聲學性能測試

利用整車半消聲室轉鼓試驗臺完成某微車（配備四缸四沖程汽油機）整車聲學試驗，測試及傳感器布點情況如圖6。試驗結果表明，當汽車變速器位于3、4、5檔，加速行駛至1 200 r/min、1 500 r/min附近時，車內第三排中間乘客位置有較大的轟鳴聲。獲得各檔位改進前測試數據。

圖6　測試照片及測點位置

2.2尾門板模態耦合輻射效率仿真優化分析

由于受整車美觀性及整改容易度的限制，選取尾門板作為優化對象。應用網格前處理軟件Hypermesh對尾門板進行了網格劃分，結合整車安裝實際情況，限制尾門板與頂棚、尾門板與地板連接處的六向自由度，如圖7所示。

應用常規的結構整改方法即增加板厚、增加剛度、增加質量塊對結構模態輻射效率的分布有一定影響。然而，在實際操作中，為不影響尾門板整體外形及強度性能，并考慮實際方案實施難易度的情況下，放棄對尾門板進行沖壓處理。經過分析，選取在內外板之間加裝“支腳”以及在車尾牌照位置添加1.5 kg的附加質量的方法，對尾門板聲學問題進行仿真改進，原始結果以及改進結果如圖8所示。

圖7　尾門板網格模型

圖8　尾門板模態耦合輻射效率仿真計算結果

從圖8可以看出，改進狀態的模態耦合輻射效率在重點關注的40 Hz、50 Hz頻點處都取得了較好的抑制，且整個低頻段內的輻射效率較原始狀態都有所降低。為驗證仿真結果的有效性，依照仿真改進方案對實車進行整改，具體工作見圖9，改進前后測試對比數據見圖10。

圖9　尾門板整改方案

圖10　 3、4、5檔改進前后測試曲線對比

2.3整改驗證

從圖10可以看出，通過優化方案的實施，車內第三排聲壓曲線在重點關注的1 200 r/min以及1 500 r/min附近都有所降低，該結果也驗證了通過模態聲輻射效率改進車內低頻轟鳴聲問題的有效性。同時，測試數據顯示在非行駛常用轉速1 100 r/min以下，各檔位聲壓值都有所升高，甚至出現新的峰值，該結果也暴露了前文所提及的增加板厚和增加質量在移頻的同時，使低頻處的一些峰值升高的情況。因此，在使用改變質量、增加剛度、改變板厚的方法進行聲學問題工程整改時，除對敏感頻點重點關注外，也須權衡全頻段內的聲學性能，結合仿真與試驗防止其他對NVH性能影響較大的峰值出現。

3　結語

通過有限元及邊界元方法，研究平板結構對其模態聲輻射效率的影響規律：

（1）增加沖壓痕，能有效的提高板件的剛度，對減小整個20 Hz～100 Hz頻段內模態耦合輻射效率具有較為明顯的效果；

（2）在低階模態“腹點”處增加質量或調整板厚的方法，能改變20 Hz～100 Hz頻段內模態輻射效率的峰值點分布。

在整車單一板件結構聲輻射效率貢獻量占優的情況下，通過合理規劃模態耦合輻射效率分布，可有針對性地改善車內某頻段內的聲學特性，從而提升聲學舒適性。由于模態輻射效率自身的特點，能有效的擺脫激勵難以獲取的弊端，在工程應用中較易實現。具體可通過對板件的結構做適當的調整來實現，但仍受到實際約束條件的限制。

［1］丁渭平.車內低頻噪聲與懸架特性參數的定量關系［J］.噪聲與振動控制，2006，26（1）：70-73.

［2］于洋.微型客車車身低頻聲振特性分析與控制［D］.長春：吉林大學，2012.

［3］尹崗，陳花玲，陳天寧.薄板低頻聲輻射效率的研究［J］.西安交通大學學報，1999，33（3）：108.

［4］何琳，朱海潮，邱小軍，等.聲學理論與工程應用［M］.北京：科學出版社，2006，05.234-236.

［5］陸紅艷.板結構的振動聲輻射及其隔聲性能研究［D］.武漢：武漢理工大學，2003.

［6］彭曉東，李俊寶.結構聲輻射模態分析［J］.山西礦業學院學報，1996，14（3）：226-232.

［7］任惠娟.矩形薄板的模態聲輻射效率［J］.機械科學與技術，2010，29（10）：1396-1340.

［8］黃青青，吳天行.列車車輪振動模態聲輻射效率研究［J］.噪聲與振動控制，2009，29（4）：70-74.

［9］姜哲.由試驗模態分析確定振動物體的輻射效率［J］.振動與沖擊，1992，44：45-49.

Application of Modal Radiation Efficiency to theAnalysis of Low-frequency Booming Noise in Mini-cars

XIANGWei，DING Wei-ping，WU Yu-dong，WANG Ling-yan，JIANGYu
（Institute ofAutomotive Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The rear door of a mini-car was simplified as a 4-edge simply supported plate，and its computation model was established by means of the finite element method and boundary element method.The influence of thickness and stiffness changing of the plate and the additional mass at the abdominal point of the low-order modals on the modal radiation efficiency（20 Hz-100 Hz）was discussed.Through the analysis and rectification for the interior low-frequency acoustic performance of the car，the feasibility of using modal coupling radiation efficiency to guide the rectification of interior lowfrequency acoustic features was verified.

acoustics；minicar；low-frequency；booming noise；modal radiation efficiency

U463；TB535；TH16

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.022

1006-1355（2015）05-0107-04

2015－02－04

向偉（1989－），男，四川綿陽人，碩士，主要研究方向：車輛聲振舒適性。

丁渭平，男，碩士生導師。

E-mail:dwpc@263.net