谢晓龙_汽车轰鸣声产生机理研究

Frequency (Hz)
图 6-1 2 号板上施加 X 方向载荷,声学灵敏度响应
图 6-2 2 号板上施加 Y 方向载荷,声学灵敏度响应
图 7-1 为在 3 号板上施加横向的强迫振动信号， 前排和后排在 106Hz （一阶横向声腔模态） 会有声压峰值，但不足以形成轰鸣声。图 7-2 为在 3 号板上施加竖向即垂直施加的强迫振动信号， 在此激励下，前排和后排在 47Hz 的声压峰值仍然出现(一阶纵向空腔模态)，106Hz 的一阶横向声腔 模态也被激起， 形成车内的声压峰值， 150Hz 为 Z 向声腔模态， 这也造成了前排和后排的声压峰值。 很显然，在 3 号板（即顶棚位置）上施加竖向的振动信号，可以同时激起一阶纵向、一阶横向和一
1
[2]
Altair 2012 Hyperworks 技术大会论文集 于上述入射的平面波， 在四分之一波长的奇数倍位置上为声压波节， 四分之一波长的偶数倍位置上， 为声压波腹。
图 1 平面波反射示意图 对于封闭在一长方体的空气所形成的声腔，如图 2 所示，其声学模态振型可以用纵向、横向、 竖向或者不同方向的组合来描述[3]，比如纵向第一阶表示声压主要沿纵向分布，沿其他方向声压没 有变化；在纵向截面内出现一个声压波节面，两端的截面为声压波腹面。声腔模态频率可由公式 1 计算：
Altair 2012 Hyperworks 技术大会论文集
汽车轰鸣声产生机理研究
谢晓龙 汪晓虎 王亮 罗淼 傅薇 泛亚汽车技术中心有限公司 上海 201021
摘要：轰鸣声普遍存在于汽车的怠速、匀速和加速过程中，会引起乘员的人耳不适感。本文基于
RADIOSS 进行了轰鸣声的机理研究，通过对激励源的激励方向、车身壁板的辐射效率、声腔模态 频率与振型的分析，发现了产生车内轰鸣声的不同机理，即低频时钢板声辐射产生轰鸣声和声腔模 态被激起而产生轰鸣声两种类型，并在试验中得到验证。最后，对汽车不同区域的钢板会引起哪些 阶次空腔模态并导致轰鸣声作了总结，这对于指导车身设计，减少开发后期样车的试验次数有重要 意义。
图 8 某 MPV 车型实测的后排噪声 通过对装饰车(trimmed body)的有限元模型进行模态计算看出，在 23-27Hz 的频段上车顶处有 多处局部模态出现，如图 9 所示。建立乘员舱流体网格模型并进行模态计算，如图 10 所示，发现 48Hz 处是车的一阶纵向声腔模态，正好与尾门的整体模态频率相一致。由前面对轰鸣声的分析可 知，这两处声压峰值产生的机理明显不同，其解决措施也不同。此款车的发动机为 4 缸汽油机，在 怠速时其转速为 720 转/分钟，2 阶点火频率为 24Hz，4 阶点火频率为 48Hz，这正好激励起顶棚薄 钢板的局部模态和背门的整体模态。为了改变激励源对车身的激励频率，将怠速转速从 720 转/分 钟调为 780 转/分钟，其 2 阶和 4 阶点火频率变为 26 和 52Hz，从图 8 的红线可以看出，49Hz 峰值 消失，很显然怠速转速的调整避免了尾门的共振，从而无法激励其一阶纵向声腔模态。但是，25Hz 的峰值移动到 27Hz，其声压大小并没有明显减小，引起的轰鸣声没有消除，这是由于在 23-27Hz 的频段上车顶处有多处局部模态，怠速转速的调整并没有使激励频率跳出车顶的共振频率范围。因
3 轰鸣声的流固耦合分析
建立轿车有限元模型进行声学流固耦合分析，分析激励位置、激励方向对车内轰鸣声的影响是 一个常规的分析方法，但整车的结构比较复杂，发动机、变速箱、悬架、进排气等激励源与车身连 接点数量众多，如果用详细的有限元模型进行轰鸣声的特性分析，非常耗时，也很难发现有价值规
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Altair 2012 Hyperworks 技术大会论文集 律。因此，本文采用简化的车身有限元模型，研究激励源、车身壁板与声腔模态的关系。 本文以某一款 MPV 车型的乘员舱尺寸为参照，用 HyperMesh 建立了简化的有限元模型，如图 3-1 所示，其纵向、横向和竖向的尺寸分别为 3.7m、1.6m 和 1.2m。与其相耦合的声腔流体网格如 图 3-2 所示。简化模型中每块板可以表示风挡玻璃、防火墙钢板、地板、顶棚钢板等。车身上不同 区域的板并非直接相连，如风挡与顶棚、防火墙与地板都是由横梁进行连接，为了在简化模型中模 拟梁的存在，用加厚的钢板连接各块板，以降低板与板的直接影响。为了研究不同方向的激励载荷 会引起哪些振型的声腔模态，我们在 1、2、3 号板上分别施加了沿纵向、横向和竖向的强迫振动信 号，通过 RADIOSS 进行流固耦合分析，计算声学灵敏度，输出计算出的 MPV 车内前、中、后三个 位置的声压值。图 4 为用 RADIOSS 计算的前 5 阶声腔模态频率及振型。
60
50
POF X
前排
dB (ref=2e-5Pa)
90 80 70
POF Y
dB (ref=2e-5Pa)
后排 40 中排 30
60 50
40 30 20 10
20
10 0
前排
后排
中排
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 20 40 60 80 100 120 Frequency (Hz) 140 160 180 200
关键词：汽车 NVH 轰鸣声 RADIOSS 声腔模态
1 概述
作为评价汽车操控性和乘坐舒适性的重要指标，振动噪声越来越受到人们的重视。当汽车在封 闭状态下，车内空气会形成许多振动模态或声腔模态，受到发动机激励或路面激励时，车身某些钣 金的振动频率与密闭空气的固有模态频率一致， 将会产生很强的耦合作用， 空气就会产生体积变化， 将会在车内产生很高的压力脉动，引起人耳不适，甚至出现头晕、恶心等症状，这样的现象称为轰 鸣(booming)
图 7-2 3 号板上施加 Z 方向载荷,声学灵敏度响应
4 轰鸣声产生机理的试验验证
上述对轰鸣声产生的原因分析只是基于简化的乘员舱模型，实际情况是否符合，需要试验来验 证。在产的某一款 MPV 车型，怠速时后排乘员抱怨有轰鸣声，测试发现声压峰值分别出现在 25Hz 和 49Hz 附近，如图 8 中绿线所示。
90
POF X
100 90 80
POF X
80
70
dB (ref=2e-5Pa)
dB (ref=2e-5Pa)
60
50
70
60
50
40
30 20 10 0 20 40 60 80 100 120 Frequency (Hz) 140
前排 后排 中排
40
30 20 10 0
前排 前排，空气声速变化
160
3
Altair 2012 Hyperworks 技术大会论文集 为了辨识 21Hz 处声压峰值是由声腔模态还是由板的声辐射引起，可以通过在有限元模型中人 为改变声音的传播速度来确定。将声速由 343m/s 提高为 600m/s，修改后的一阶纵向声腔模态频率 由 47Hz 升至为 81Hz，如图 5-2 所示，相应地 81Hz 处前排声压值达到极大。但在 21Hz 处，峰值频 率没有变化，声压值明显提高，这也证明了 21Hz 处轰鸣声是由板的声辐射引起。对简化车身的模 态结果分析可知，21Hz 时 1 号板上有局部模态，模态密度很低，但模态能量高，其辐射噪声足以 产生轰鸣声。
2 声腔模态的产生机理
汽车乘员舱的壁板是由多块薄钢板冲压焊接而成，厚度一般为 0.7-1.0mm，具有一定的弹性， 当发动机或路面的激励传递到车身壁板时，会引起薄钢板的振动，从而辐射出噪声。当辐射出的声 波入射到达蔽障时，会与其反射的声波相互叠加而形成合成声场。如图 1 所示，当入射声波到达蔽 障时恰好位于波峰位置，那么其反射声波在蔽障处与其方向相反，相位相同，在图 1 中的位置 1 处 即四分之一波长位置相位相反，相互消减后声压振幅为 0，称为声压波节；而在位置 2 处和蔽障处 相位相同，声压振幅最大，成为声压波腹 ，也就是汽车乘员舱产生轰鸣声的位置。可以看出，对
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。轰鸣声属于低频噪声，通常在 25-200Hz 范围内产生，普遍存在于汽车的怠速、匀
速和加速过程中， 发动机、 传动系、 排气系统、 不平路面激励等因素都可能成为轰鸣声产生的源头。 因此， 对轰鸣声产生的机理进行深入分析， 通过 CAE 仿真技术在开发早期预测可能会发生的轰 鸣声，并提出改进措施，如找到激励源并减小激励力，或者找到车身的响应位置并减小振动响应， 这对于减少样车的试验次数、提车汽车的声品质有重要意义。
40 中排
30
20 10
40
30 20 前排
后排
中排
10
0
20 40 60 80 100 120 Frequency (Hz) 140 160 180 200
0 20 40 60 80 100 120 Frequency (Hz) 140 160 180 200
图 7-1 3 号板上施加 Y 方向载荷,声学灵敏度响应
图 声腔网格
图 4 前 5 阶声腔模态振型 图 5-1 为在 1 号板上施加纵向的即垂直施加的强迫振动信号，计算出的车内不同位置的声学灵 敏度响应。在 47Hz 附近，前排和后排声压值达到 77dB，而中排位置仅为 60dB，这与其激励起来 的第一阶纵向声腔模态频率一致，即车厢纵向的长度恰好为此频率时 1/2 个声波的长度，前排和后 排位于声压波腹位置， 相互叠加声压增大， 产生轰鸣声， 而中排位置位于声压波节位置， 声压较低。 再看 95Hz 时车内的声压峰值，三个位置都在 70dB 左右，都会产生轰鸣声，这与车厢二阶纵向声腔 模态频率一致。在一阶声腔模态频率 47Hz 之前，出现了 21Hz 的声压峰值，前排和中排声压值为 82dB，后排为 72dB，这显然不是被 1 号板激励起的声腔模态导致的轰鸣声。
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Altair 2012 Hyperworks 技术大会论文集 阶竖向的声腔模态，也就是说，在外部载荷激励下，顶棚的共振很容易激起纵向、横向和竖向的各 阶声腔模态，从而产生车内的轰鸣声。