基于AUTOSEA仿真軟件的汽車聲學建模

　對于很多汽車生產商來說，一輛汽車的完整聲學建模設計依然是一個夢想。然而，聲學仿真方法受到越來越廣泛的應用，而且正成為致力減少開發(fā)時間的重要設計工具。

　　聲學建模常被誤解為是一個可以解決所有問題的魔術工具。其實到目前為止，聲學和振動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發(fā)和原型階段就將其當作解決問題的工具的觀念才行。

　　由于不太被人相信，在設計階段并沒有將車輛的所有聲學問題考慮在內，因而導致聲學問題就在原型或更遲的階段出現(xiàn)。假如實驗人員能夠得到FEM（有限元法）模型，那么聲學問題從一開始就可以被考慮到；同時假如設計人員能夠明白一份測量報告的真正含義，問題也更容易被解決。因此說，聲學建模應該是一種結合原型開發(fā)、以問題解決為導向的額外工具，同時相關的流程可以遵循以下原則步驟。

　　在設計階段：1.獲得簡化的聲學FEM模型；2.在估算輸入力下，利用BEM或SEA方法評估噪聲水平；3.計算出設計階段是否會出現(xiàn)嚴重的問題。

　　在原型階段：1.從原型獲取實驗數(shù)據(jù)和孤立噪聲問題；2.獲得每個問題的循環(huán)模型和檢查輸入力振幅；3.嘗試可能的解決方法和對期望結果進行仿真；4.檢驗施加在原型上的解決方法；5.利用實驗數(shù)據(jù)完善解決方案。

　　設計方法

　　以下是從Vibro-Acoustics Science Inc. Application Note(振動聲學方面的報刊)引用的一個案例，其描述AUTOSEA仿真軟件在車內噪聲方面的應用（見圖1）。

圖1 帶有子系統(tǒng)的車輛的AUTOSEA模型

　　就車內噪聲而言，典型的問題有：車內噪聲水平；噪聲源和傳遞路徑；如何降低噪聲水平。為了回答以上問題，導入車輛的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，大概會生成15萬個單元，當然單元數(shù)需要減少至大約5萬個。簡化的模型必須加以修訂，解決某些問題，然后再檢查是否還保持原有的特性。

　　現(xiàn)在就可以通過一種聲振方法（基于感興趣的頻率范圍），用簡化的模型評估車內多個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)計能量分析）方法。FEM-BEM方法可以被應用于結構傳播和空氣傳播路徑場合，但此方法在模型密度快速上升時會變得復雜和需要過多的單元，而當模型密度增加時SEA則能給出好的結果。

　　要識別振動或噪聲源頭與傳遞路徑，相關技術必須結合FEM-BEM方法一同使用，這樣降噪技術也許能得出結果。而SEA方法則是根據(jù)能量轉移計算去識別每個源頭的貢獻量和聲波傳輸路徑的效率（見圖2）。

圖2 SEA的網(wǎng)絡

　　通過逐個分析，復雜的問題可得到更有效的解決。這里我們展示AUTOSEA在考慮車頂蓬噪聲（由氣動壓力產生）的特定場合的使用。

　　首先，我們導入FEM模型，并將材料和梁截面特性儲存在數(shù)據(jù)庫里，然后通過只創(chuàng)建NASTRAN頂蓬單元和所有的SEA子結構來簡化幾何形狀復雜度（除了擋風玻璃可見）。我們向SEA模型加入彎曲板來代表頂蓬。

　　1.集合頂蓬、擋風玻璃和內部腔并觀察波段的模數(shù)數(shù)量，因為聲學腔增加得非常迅速。

　　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遠低于頂蓬。在寬闊的頻帶范圍里，擋風玻璃都是一個明顯的輻射體。

　　連接頂蓬和擋風玻璃子系統(tǒng)，其角度接近正常，所以能量只能通過moments傳遞。連接頂蓬和內部子系統(tǒng)，頂蓬板的輻射效率有賴于固定邊界（如一般擋板和頂蓬內襯對輻射效率分別起到增加和減少作用）。頂蓬內襯對輻射效率的影響可通過SEA方法分析模擬或者用試驗的數(shù)據(jù)導入模型中得出。

　　用功率源連接到頂蓬子系統(tǒng)來代替風（氣動）壓力源。氣動壓力的頻譜可由風洞測試或者路面測試數(shù)據(jù)決定，或者作為一種默認頻譜來計算。將能量輸入到頂蓬是因為風噪在低頻時很大，并會因為結構波數(shù)和對流波數(shù)的分歧而迅速減小。請注意：模型的其他振動噪聲源（見圖3）分別是通過結構傳遞的發(fā)動機噪聲（以車輛front rail測量的振動表示）和通過空氣傳播的輪胎噪聲（以車底板的底部表面測量的彌漫聲壓級表示）。

圖3 振動噪聲源

　　想通過解決上述網(wǎng)絡來獲得轎車、貨車、車底、擋風玻璃和頂蓬等地方的可預測A計權聲壓值，那么也許就要注意到，A計權傳感器的更高測量水平是適用于500Hz以上頻率的。如果再看看輸入到車輛內部的能量（針對多振動噪聲源問題），會發(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)就應該是擋風玻璃對車內噪聲負責了。因此，我們現(xiàn)在不得不去了解究竟是什么因素引起擋風玻璃發(fā)生振動。

　第一種途徑就是通過凍結內部聲壓來進行“源頭排位”，然后斷開風噪源和胎噪源并重新解決所有的問題。結果顯示，傳入車內的擋風玻璃的高頻輻射是由發(fā)動機振動引起的結構激勵導致的。

　　再把風噪源和胎噪源重新連接上（底板質量法的輸入是0.73m2和4.5kg），并且重新解決相關問題以獲得2 000Hz下的能量流。正如期望那樣，擋風玻璃和儀表板是車內噪聲的兩個主要貢獻源，但現(xiàn)在我們同樣獲知通過上下支柱傳輸?shù)慕Y構路徑的信息。