基于車身模態(tài)和板塊貢獻(xiàn)分析的阻尼優(yōu)化降噪方法研究

第一作者 張一麟 男，博士生，1987年生

通信作者 蔣偉康 男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1961年生

基于車身模態(tài)和板塊貢獻(xiàn)分析的阻尼優(yōu)化降噪方法研究

張一麟1, 廖毅2, 莫品西1, 周江奇2, 嚴(yán)莉1， 蔣偉康1

(1.上海交通大學(xué) 振動(dòng)沖擊噪聲研究所，上海200240； 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007)

摘要：車身結(jié)構(gòu)上的阻尼材料優(yōu)化布置對(duì)車內(nèi)振動(dòng)和噪聲控制有重要的意義。以某實(shí)車的白車身為研究對(duì)象，基于有限元法和邊界元法對(duì)車內(nèi)聲腔進(jìn)行聲場(chǎng)分析和車身板塊進(jìn)行聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析，找出車內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)噪聲聲壓峰值頻率及對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)量較大的板塊。進(jìn)而基于白車身模態(tài)振型分析，對(duì)車身部件上的局部約束阻尼的敷設(shè)位置進(jìn)行優(yōu)化配置。分析了阻尼優(yōu)化布置前后分別在懸置、前懸架和后懸架等不同位置處激勵(lì)下的車內(nèi)噪聲，確認(rèn)了降噪優(yōu)化方案的有效性，并在實(shí)車上進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，對(duì)車身相關(guān)板塊進(jìn)行局部阻尼處理后，降低車內(nèi)噪聲2 dB(A)，證明了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：模態(tài)振型；板塊貢獻(xiàn)度；阻尼優(yōu)化布置

收稿日期：2013-12-11修改稿收到日期：2014-03-14

中圖分類號(hào):TH122文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Damping optimization noise reduction technique based on modal and panel contribution analysis

ZHANGYi-lin1,LIAOYi2,MOPin-xi1,ZHOUJiang-qi2,YANLi1,JIANGWei-kang1(1. Institute of Vibration, Shock & Noise, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou 545007, China)

Abstract:The optimal layout of damping materials plays an important role in vibration and noise control of vehicle inside. The body in white (BIW) of a certain car was studied here. Based on the finite element method and boundary element method, the acoustic field inside the car and the panel contribution to the vehicle were analyzed. Then, the peak frequencies in the sound pressure spectrum at the field points and their corresponding panels with larger contributions to the car were found. Based on the modal analysis of the BIW, the layout of the constrained damping materials was optimized. The noise responses inside the car to the excitations at the engine mount, front suspension and rear suspension were analyzed before and after the damping optimization, and then the validity of this technique was verified. The results of the actural car tests showed that after adding the optimized damping material layout on the vehicle body, the interior noise of the vehicle reduces 2dB (A).

Key words: modal shape; panel contribution; damping optimal layout

車內(nèi)噪聲是影響舒適性的重要因素，并已經(jīng)成為汽車質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要標(biāo)準(zhǔn)。車內(nèi)噪聲的來源按其傳播途徑可以分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲兩個(gè)主要部分[1]。其中，空氣噪聲主要包括排氣管噪聲，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，輪胎噪聲，風(fēng)噪聲以及外部環(huán)境噪聲，這些噪聲通過車身直接傳播至車內(nèi)；結(jié)構(gòu)噪聲是汽車車身的薄壁板結(jié)構(gòu)在受到懸架，發(fā)動(dòng)機(jī)等激勵(lì)后，產(chǎn)生振動(dòng)并向車內(nèi)輻射的噪聲。通常認(rèn)為，在低頻段(200 Hz以下)，車內(nèi)噪聲以結(jié)構(gòu)噪聲為主。對(duì)車身板件進(jìn)行阻尼處理，是降低這一部分噪聲的重要途徑，國內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究與應(yīng)用[2]。

傳統(tǒng)的減振設(shè)計(jì)中，阻尼材料通常被完全覆蓋于結(jié)構(gòu)表面，通過對(duì)阻尼材料的種類，層數(shù)及厚度等進(jìn)行優(yōu)化，控制噪聲[3],但付出的重量和成本代價(jià)較高。為降低成本及提高阻尼材料的利用效率，實(shí)際車身結(jié)構(gòu)中，阻尼材料往往僅敷設(shè)在地板、前圍板、車頂?shù)萚4]。在車身局部位置，如何確定阻尼材料的最佳黏貼位置是優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。其中，郭中澤[5]基于阻尼材料的模態(tài)損耗因子靈敏度分析，利用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法，得到了以模態(tài)損耗因子最大為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。楊德慶[6]提出了阻尼胞單元和阻尼拓?fù)潇`敏度的概念，建立了相應(yīng)的拓?fù)鋬?yōu)化感性準(zhǔn)則。鄭玲[7]采用進(jìn)化算法，研究了基于優(yōu)化準(zhǔn)則的約束阻尼結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化方法。焦映厚[8]采用響應(yīng)面法，對(duì)約束條件下的最佳阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)的參數(shù)匹配進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

以某款微型面包車為研究對(duì)象，以降低其在0～200 Hz頻段的車內(nèi)聲壓為研究目標(biāo)，對(duì)其白車身結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部聲腔分別建立了對(duì)應(yīng)的有限元模型和邊界元模型。通過仿真計(jì)算得到車內(nèi)若干場(chǎng)點(diǎn)的聲壓頻譜，確定了聲壓峰值頻率。進(jìn)而通過聲學(xué)板塊貢獻(xiàn)量分析，得到各峰值頻率的主要貢獻(xiàn)板塊。之后基于白車身結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型，確定局部約束阻尼的黏貼位置。對(duì)黏貼阻尼后的模型分別進(jìn)行仿真計(jì)算和實(shí)車試驗(yàn)，檢驗(yàn)優(yōu)化布局后的車內(nèi)降噪效果。

1車身結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真分析

1.1白車身及車內(nèi)聲聲腔數(shù)值模型

采用Hypermesh軟件建立目標(biāo)車型白車身有限元模型(見圖1)，白車身結(jié)構(gòu)模型主要由鈑金件構(gòu)成，采用殼單元模擬，焊點(diǎn)用rbe2模擬。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，建立對(duì)應(yīng)的聲學(xué)邊界元模型，并與有限元模型相結(jié)合成聯(lián)合計(jì)算模型(見圖2)。在數(shù)值分析時(shí)，忽略車內(nèi)流場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的耦合作用。通過“數(shù)據(jù)映射”，直接將通過有限元仿真得到的模型表面振速映射到邊界元網(wǎng)格上，兩者的單元尺寸和網(wǎng)格無需完全保持一致，簡化了邊界元模型的計(jì)算。

為了模擬車輛實(shí)際行駛時(shí)的激勵(lì)情況，仿真分析中考慮了三種激勵(lì)形式：① 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置激勵(lì)；② 前懸架激勵(lì)；③ 后懸架激勵(lì)。

圖1　白車身結(jié)構(gòu)有限元模型 Fig.1 FE model of the body of the vehicle

圖2　車內(nèi)聲腔邊界元模型及聯(lián)合計(jì)算模型 Fig.2 BE model of the sound cavity inside the vehicle and the united-computational model

1.2車內(nèi)聲場(chǎng)頻率響應(yīng)分析

為了分析車內(nèi)聲腔的聲學(xué)特性，在駕駛員，副駕駛和后排乘客中心處，對(duì)應(yīng)頭部位置高度各布置一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)，計(jì)算三種激勵(lì)下這些場(chǎng)點(diǎn)的聲壓響應(yīng)。

圖3為在0～200 Hz，三種激勵(lì)條件下，三場(chǎng)點(diǎn)的聲壓頻譜曲線，步長2 Hz。從圖3可知，在相同激勵(lì)等條件下，三場(chǎng)點(diǎn)的聲壓峰值頻率基本保持一致。對(duì)應(yīng)各激勵(lì)條件，挑選出最明顯的6～7個(gè)峰值頻率，作為關(guān)注頻率(見表1)。這是車內(nèi)噪聲能量主要集中的頻率，通過控制車身結(jié)構(gòu)在這些頻率處的振動(dòng)能量，即能有效地降低車內(nèi)噪聲。

圖3　車內(nèi)各場(chǎng)點(diǎn)位置處聲壓頻響曲線線譜圖 Fig.3 Spectrum of SPL at field points inside the vehicle

表1　各場(chǎng)點(diǎn)位置處峰值頻率

2車內(nèi)聲學(xué)板塊貢獻(xiàn)量分析

車內(nèi)噪聲在0～200 Hz主要是由車身的各板件的振動(dòng)所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲，場(chǎng)點(diǎn)處聲壓可以認(rèn)為是各板件振動(dòng)引起的聲壓的疊加。為進(jìn)一步分析車身板件在各峰值頻率對(duì)場(chǎng)點(diǎn)聲壓的影響，將聲學(xué)邊界元網(wǎng)格分成12組，其對(duì)應(yīng)的車內(nèi)板件見表2，分析各組板塊的聲學(xué)貢獻(xiàn)量。

表2　聲學(xué)網(wǎng)格各分組對(duì)應(yīng)位置

使用LMS Virtual lab Acoustic軟件計(jì)算各組在表1所示各峰值頻率點(diǎn)上，三場(chǎng)點(diǎn)的聲學(xué)貢獻(xiàn)量。找到聲學(xué)貢獻(xiàn)量較大的板塊，通過在這些板塊處配置局部阻尼，抑制其振動(dòng)，即能最有效的利用阻尼材料，達(dá)到降低車內(nèi)噪聲。

以發(fā)動(dòng)機(jī)懸置激勵(lì)在60 Hz峰值頻率點(diǎn)的結(jié)果為例，其車內(nèi)聲腔各組板塊對(duì)三個(gè)場(chǎng)點(diǎn)歸一化后的聲學(xué)貢獻(xiàn)量見圖4。

圖4　三場(chǎng)點(diǎn)車內(nèi)各組部件聲學(xué)貢獻(xiàn)量分布圖 (60 Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置處激勵(lì)) Fig.4 Acoustic Contribution of each group at field points (60 Hz, exciting on the engine mount)

分別從每個(gè)位置中選取貢獻(xiàn)量最大的三個(gè)板塊，看作“主要貢獻(xiàn)板塊”。按照同樣的方法分析表1中的其余峰值頻率和另外兩種激勵(lì)條件下的結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各板塊作為“主要貢獻(xiàn)板塊”的出現(xiàn)次數(shù)，最后結(jié)果見圖5。

圖5　各組板塊作為“主要貢獻(xiàn)板塊”出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計(jì) Fig.5 Occurrence statistics of each groups as “main contribution group”

從圖5中選出各激勵(lì)條件下出現(xiàn)次數(shù)最高的前4組板塊，結(jié)果為：(發(fā)動(dòng)機(jī)懸置激勵(lì))左、右側(cè)圍，前隔板，前地板；(前懸架激勵(lì))左側(cè)圍，左、右后輪罩，車頂；(后懸架激勵(lì))左、右側(cè)圍，車頂，后地板。可以認(rèn)為，這些板塊是對(duì)車內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)聲壓貢獻(xiàn)最大的板塊，在這幾個(gè)部件上添加局部阻尼材料，可以最大效率的利用阻尼材料，達(dá)到降噪。同時(shí)記錄下這些板塊作為主要貢獻(xiàn)板塊出現(xiàn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的峰值頻率，此頻率可以被看作該板塊振動(dòng)能量集中的頻率，作為接下來模態(tài)分析的主要參考頻率(相關(guān)數(shù)據(jù)量較大，這里不予列出)。

3基于模態(tài)振型的阻尼布局分析

常用的阻尼布局分為自由阻尼和約束阻尼兩種。自由阻尼：直接將阻尼材料粘貼到結(jié)構(gòu)表面，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲振動(dòng)時(shí)，引起阻尼層的拉伸壓縮變形來消耗能量。約束阻尼：在自由阻尼材料上增加了約束層，結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)和約束層變形不一致，在阻尼層中產(chǎn)生剪切變形，進(jìn)而消耗能量。針對(duì)約束阻尼，取結(jié)構(gòu)的某一階模態(tài)，將阻尼分布與該階模態(tài)振型相匹配，在振型中剪切形變最大的位置敷設(shè)約束阻尼層，即可最大程度消耗掉該模態(tài)的振動(dòng)能量。之前的仿真分析得到了對(duì)車內(nèi)聲場(chǎng)聲學(xué)貢獻(xiàn)量最大的若干組板塊和對(duì)應(yīng)的能量集中的頻率，通過在這些板塊上添加局部阻尼材料來抑制這些部件的振動(dòng)，進(jìn)而降低其聲輻射。在無法對(duì)板塊整體進(jìn)行阻尼材料添加的情況下，通過這些板塊在其能量集中的頻率處的模態(tài)振型，找到其模態(tài)振型的節(jié)線位置。在這些位置處，振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切應(yīng)變最為顯著。在這些位置處布置約束阻尼材料，能最為有效的消耗振動(dòng)的能量，產(chǎn)生最大的振動(dòng)抑制作用。

以車頂板塊為例說明阻尼材料的布置方案，首先找出車頂部件作為“主要貢獻(xiàn)板塊”出現(xiàn)時(shí)的峰值頻率。為：70 Hz、72 Hz、102 Hz、144 Hz、174 Hz和182 Hz，查看在這些頻率處，白車身模態(tài)分析結(jié)果中對(duì)應(yīng)的車頂部件的模態(tài)振型(見圖6)。

圖6　車頂板塊在主要貢獻(xiàn)頻率處模態(tài)振型 Fig.6 Mode shape of the roof group at frequencies of main contribution

從圖6可知，在較低頻率時(shí)(70 Hz、72 Hz)，可以清楚分辨車頂部件模態(tài)振型中的節(jié)線位置。當(dāng)頻率進(jìn)一步升高，雖然仍有節(jié)線存在，但分布很密且位置隨頻率變化很大，這時(shí)如要降低其振動(dòng)水平，需整體鋪設(shè)阻尼材料，降低了阻尼材料的使用效率。同時(shí)，低階模態(tài)的模態(tài)參與因子也較高，對(duì)整體振動(dòng)能量的貢獻(xiàn)也大于高階模態(tài)。這里以前兩個(gè)峰值頻率處的模態(tài)振型為主要參考，最后車頂位置處阻尼材料鋪設(shè)位置示意見圖7中黑色部分所示。條狀局部約束阻尼的具體寬度可根據(jù)實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整，假設(shè)添加的阻尼材料總面積不大于該部件面積的1/2，寬度為120 mm。

按此法對(duì)其余部件作同樣分析，包括左右側(cè)圍，前隔板，前后地板和左右后輪罩，得到其余部件的局部阻尼材料配置結(jié)果。

圖7　車頂阻尼材料配置方案示意圖 Fig.7 Schematic configuration of damping material on the roof

4阻尼材料對(duì)車內(nèi)聲場(chǎng)的影響

4.1數(shù)值仿真驗(yàn)證

通過上述分析，找出了主要聲學(xué)貢獻(xiàn)部件，得到了該部件上的約束阻尼材料優(yōu)化布置的位置。按照上述結(jié)果，對(duì)車身結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行阻尼處理，仿真計(jì)算在局部布置阻尼材料下車內(nèi)聲場(chǎng)的響應(yīng)，同未添加阻尼材料時(shí)的結(jié)果相對(duì)比。

以在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置激勵(lì)下的結(jié)果為例，圖8為添加阻尼材料前后駕駛員與乘客位置處聲壓頻譜對(duì)比圖。從圖8可知，局部添加了阻尼材料以后，車內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)整體下降，0～200 Hz的總聲壓級(jí)下降2～3 dB。前后懸架激勵(lì)下的結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)懸置激勵(lì)下結(jié)果一致，也有2～3 dB的降噪效果。

圖8　阻尼材料對(duì)車內(nèi)聲壓影響(發(fā)動(dòng)機(jī)懸置激勵(lì)) Fig.8 Influence of damping material on SP

4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述阻尼配置方案在實(shí)車行駛過程中對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，選擇仿真時(shí)使用的某款微型面包車作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行阻尼布置。在實(shí)際布置時(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)車的前后地板表面已經(jīng)整體涂有一層瀝青基，前隔板上也覆蓋有帶阻尼效果的羊毛氈隔熱層，故僅在車頂和左、右側(cè)圍的外部上布置了約束阻尼材料(見圖9)。實(shí)驗(yàn)中所使用的阻尼材料為表面敷設(shè)有一層硬質(zhì)鋁膜的約束阻尼材料，參照國際標(biāo)準(zhǔn)“ASTM E756-05”實(shí)驗(yàn)測(cè)量其損耗因子在100 Hz和200 Hz處約為0.4。

圖9　車頂及側(cè)圍阻尼材料布置示意圖 Fig.9 Schematic layout of damping materials on the roof and side panels

為了測(cè)量車內(nèi)聲場(chǎng)，在正、副駕駛，前、后排乘客座椅上，靠近乘客頭部位置處共布置7個(gè)傳聲器(見圖10)。選擇車輛行駛在3檔勻速30 km/h時(shí)的工況作為實(shí)驗(yàn)的行駛狀態(tài)， 7個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓值作為車內(nèi)聲場(chǎng)的評(píng)價(jià)依據(jù)。

圖10　車內(nèi)傳聲器布置示意圖 Fig.10 Schematic layout of the microphones inside the vehicle

圖11　阻尼材料布置對(duì)車內(nèi)聲場(chǎng)的影響 Fig.11 Influence of damping material on SP inside the vehicle

選取駕駛員位置測(cè)點(diǎn)S1和乘客位置測(cè)點(diǎn)S4(見圖10)處為例，測(cè)試結(jié)果(見圖11)。從圖11可知，布置阻尼材料后，車內(nèi)聲場(chǎng)產(chǎn)生明顯的改善，聲壓級(jí)頻譜整體下降，并在某些峰值頻率處降低約5 dB。進(jìn)一步觀察三分之一倍頻程譜的結(jié)果(見圖12)。在0～200 Hz，駕駛員位置處測(cè)點(diǎn)在除了125 Hz和200 Hz的其他頻段內(nèi)，聲壓級(jí)均下降約2 dB，0～200 Hz的總聲壓級(jí)下降1 dB；乘客位置處測(cè)點(diǎn)在除50 Hz以外的頻段內(nèi)，聲壓級(jí)均下降1～3 dB，尤其在能量較高的125 Hz～200 Hz頻段內(nèi)降噪效果明顯，在0～200 Hz的總聲壓級(jí)下降2.2 dB。可以認(rèn)為，在車頂和側(cè)圍優(yōu)化配置了阻尼材料后，降噪效果明顯。

實(shí)車驗(yàn)證中敷設(shè)阻尼材料后的降噪效果略小于仿真分析，這是由于仿真時(shí)的基準(zhǔn)是沒有經(jīng)過任何阻尼處理的白車身，而實(shí)車在前后地板和前隔板位置處已敷設(shè)有阻尼材料。此外，實(shí)車在這些位置的阻尼材料為整體敷設(shè)，成本較高，如按照本方案，同樣改為局部敷設(shè)，也能達(dá)到一樣的阻尼效果，并且降低成本，提高阻尼材料的利用效率。

圖12　阻尼材料布置對(duì)車內(nèi)聲場(chǎng)的影響 (三分之一倍頻程) Fig.12 Influence of damping material on SP inside the vehicle (1/3 Octave results)

5結(jié)論

(1) 根據(jù)車身結(jié)構(gòu)模態(tài)振型和板塊聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析結(jié)果，在車身上對(duì)局部約束阻尼進(jìn)行優(yōu)化配置。在實(shí)車30 km/h行駛條件下，駕駛員和乘客位置處總聲壓級(jí)分別降低1.0 dB和2.2 dB，取得明顯的車內(nèi)降噪效果。

(2) 通過車身部件的結(jié)構(gòu)模態(tài)振型直接確定了阻尼材料的敷設(shè)位置，簡化了阻尼材料優(yōu)化配置的計(jì)算過程，提高了阻尼材料的利用效率，有助于工程利用。

參 考 文 獻(xiàn)

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