基于AUTOSEA仿真軟件的汽車(chē)聲學(xué)建模

　對(duì)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(shè)計(jì)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(yīng)用，而且正成為致力減少開(kāi)發(fā)時(shí)間的重要設(shè)計(jì)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(dāng)作解決問(wèn)題的工具的觀念才行。

　　由于不太被人相信，在設(shè)計(jì)階段并沒(méi)有將車(chē)輛的所有聲學(xué)問(wèn)題考慮在內(nèi)，因而導(dǎo)致聲學(xué)問(wèn)題就在原型或更遲的階段出現(xiàn)。假如實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)人員能夠明白一份測(cè)量報(bào)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(yīng)該是一種結(jié)合原型開(kāi)發(fā)、以問(wèn)題解決為導(dǎo)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(shè)計(jì)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(píng)估噪聲水平；3.計(jì)算出設(shè)計(jì)階段是否會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的問(wèn)題。

　　在原型階段：1.從原型獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(duì)期望結(jié)果進(jìn)行仿真；4.檢驗(yàn)施加在原型上的解決方法；5.利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完善解決方案。

　　設(shè)計(jì)方法

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

圖1 帶有子系統(tǒng)的車(chē)輛的AUTOSEA模型

　　就車(chē)內(nèi)噪聲而言，典型的問(wèn)題有：車(chē)內(nèi)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(dǎo)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(dāng)然單元數(shù)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(xiàn)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(píng)估車(chē)內(nèi)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(tǒng)計(jì)能量分析）方法。FEM-BEM方法可以被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)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(fù)雜和需要過(guò)多的單元，而當(dāng)模型密度增加時(shí)SEA則能給出好的結(jié)果。

　　要識(shí)別振動(dòng)或噪聲源頭與傳遞路徑，相關(guān)技術(shù)必須結(jié)合FEM-BEM方法一同使用，這樣降噪技術(shù)也許能得出結(jié)果。而SEA方法則是根據(jù)能量轉(zhuǎn)移計(jì)算去識(shí)別每個(gè)源頭的貢獻(xiàn)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(fù)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(dǎo)入FEM模型，并將材料和梁截面特性?xún)?chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)里，然后通過(guò)只創(chuàng)建NASTRAN頂蓬單元和所有的SEA子結(jié)構(gòu)來(lái)簡(jiǎn)化幾何形狀復(fù)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(nèi)部腔并觀察波段的模數(shù)數(shù)量，因?yàn)槁晫W(xué)腔增加得非常迅速。

　　2.描出被選擇的子系統(tǒng)的波數(shù)，觀察到玻璃的巧合頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(tǒng)，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(nèi)部子系統(tǒng)，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(nèi)襯對(duì)輻射效率分別起到增加和減少作用）。頂蓬內(nèi)襯對(duì)輻射效率的影響可通過(guò)SEA方法分析模擬或者用試驗(yàn)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中得出。

　　用功率源連接到頂蓬子系統(tǒng)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(cè)試或者路面測(cè)試數(shù)據(jù)決定，或者作為一種默認(rèn)頻譜來(lái)計(jì)算。將能量輸入到頂蓬是因?yàn)轱L(fēng)噪在低頻時(shí)很大，并會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)波數(shù)和對(duì)流波數(shù)的分歧而迅速減小。請(qǐng)注意：模型的其他振動(dòng)噪聲源（見(jiàn)圖3）分別是通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲（以車(chē)輛front rail測(cè)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(cè)量的彌漫聲壓級(jí)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(yù)測(cè)A計(jì)權(quán)聲壓值，那么也許就要注意到，A計(jì)權(quán)傳感器的更高測(cè)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(nèi)部的能量（針對(duì)多振動(dòng)噪聲源問(wèn)題），會(huì)發(fā)現(xiàn)輪胎噪聲占據(jù)了250～1 000Hz的頻率范圍，但在更高頻段區(qū)就應(yīng)該是擋風(fēng)玻璃對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲負(fù)責(zé)了。因此，我們現(xiàn)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(jié)內(nèi)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(jié)果顯示，傳入車(chē)內(nèi)的擋風(fēng)玻璃的高頻輻射是由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)激勵(lì)導(dǎo)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(nèi)噪聲的兩個(gè)主要貢獻(xiàn)源，但現(xiàn)在我們同樣獲知通過(guò)上下支柱傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)路徑的信息。