基于AUTOSEA仿真軟件的汽車聲學建模

基于AUTOSEA仿真軟件的汽車聲學建模

　對于很多汽車生產(chǎn)商來說，一輛汽車的完整聲學建模設(shè)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(yīng)用，而且正成為致力減少開發(fā)時間的重要設(shè)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(shù)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(shè)計階段并沒有將車輛的所有聲學問題考慮在內(nèi)，因而導(dǎo)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(shè)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(yīng)該是一種結(jié)合原型開發(fā)、以問題解決為導(dǎo)向的額外工具，同時相關(guān)的流程可以遵循以下原則步驟。

　　在設(shè)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(shè)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(jié)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(shè)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(nèi)噪聲方面的應(yīng)用（見圖1）。

圖1 帶有子系統(tǒng)的車輛的AUTOSEA模型

　　就車內(nèi)噪聲而言，典型的問題有：車內(nèi)噪聲水平；噪聲源和傳遞路徑；如何降低噪聲水平。為了回答以上問題，導(dǎo)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(nèi)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(yīng)用于結(jié)構(gòu)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(fù)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(jié)果。

　　要識別振動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(luò)

　　通過逐個分析，復(fù)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(chǎn)生）的特定場合的使用。

　　首先，我們導(dǎo)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(jié)構(gòu)來簡化幾何形狀復(fù)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(nèi)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(nèi)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(nèi)襯對輻射效率分別起到增加和減少作用）。頂蓬內(nèi)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(luò)來獲得轎車、貨車、車底、擋風玻璃和頂蓬等地方的可預(yù)測A計權(quán)聲壓值，那么也許就要注意到，A計權(quán)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(nèi)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(yīng)該是擋風玻璃對車內(nèi)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(jié)內(nèi)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(jié)果顯示，傳入車內(nèi)的擋風玻璃的高頻輻射是由發(fā)動機振動引起的結(jié)構(gòu)激勵導(dǎo)致的。

　　再把風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(nèi)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(jié)構(gòu)路徑的信息。

　　500～2 000Hz頻率范圍的胎噪傳輸能夠通過增加一塊地板墊來減小。但為表征地板墊，必須在數(shù)據(jù)庫里創(chuàng)建3-layer樣品，并且將其加到胎噪和車內(nèi)部的連接器。可通過測試和調(diào)整此組件的組成以達到最大效果（期望頻帶內(nèi)）。雙壁共振效應(yīng)可能會增加某些特定頻帶的車內(nèi)聲壓，像250Hz。對此模型，其他的設(shè)計方案也可以測試，例如：地板墊的優(yōu)化；內(nèi)部吸聲套件的優(yōu)化（同樣采用SEA方法）；更改車輛前段的結(jié)構(gòu)，旨在減小由發(fā)動機振動引起的高頻噪聲。

　　原型的逼近方法

　　一旦原型或者原型某些部分變得可用，一些前期調(diào)查就可以開展，同時在獲取典型數(shù)據(jù)和頻率分析（車內(nèi)噪聲的“聽”會議）后，標準的測量程序就可以開展，以將數(shù)據(jù)的技術(shù)理解和生理感受結(jié)合起來判斷究竟是什么回事。

　　“聽”是關(guān)鍵點所在，其實可以將此特點加到利用人工假頭或者BHM（HEAD Acoustics的雙耳測量麥克風）做的測量中。

　　通過注意時頻表示的噪聲活動，聲學工程師得以將重心集中在他注意到的一些具體的噪聲上，從而使用HEAD Acoustic的SQ-LAB加強該噪聲或者抑制其他虛假的現(xiàn)象。例如我們可針對原始錄音和同一個錄音的過濾版本進行同步傾聽比較；過濾的意思是減低聲音某一特定組成部分的幅值并感受聲音的變化。這種感覺分析對于因果建立、單一噪聲源識別和結(jié)構(gòu)&媒介的可能傳輸路徑識別作用非凡。

　　通常要對車輛加速和靜止兩種狀態(tài)做測試。第一步通常是在測試跑道發(fā)現(xiàn)問題，比如車內(nèi)最大A-level、轟鳴現(xiàn)象的關(guān)鍵區(qū)域、噪聲組成成分、轉(zhuǎn)速和車速以及聲音質(zhì)量等。路測的傾聽和分析會向接下來的“test plant”的定義提供提示，此“test plant”包括識別出的問題、優(yōu)先級和調(diào)查步驟。

　　首先必須對聲學模型調(diào)查，這樣，調(diào)查的有效性就能夠更快地被驗證，并且實驗性的驗證可更有把握地推進。也許對聲學模型進行人為修改并不總能給出想要的結(jié)果，因為仿真工具并不完美，但不管怎樣，還是能獲得一些指導(dǎo)實驗的建議的。正是這種對聲學模型和原型并行的調(diào)查（信息的雙邊交換）加速了可能的解決方案的探索及其對特定噪聲問題的驗證。

　　模態(tài)分析

　　為了概述聲學模型對實驗測試的指導(dǎo)意義，我們就一款輕卡的真實案例中執(zhí)行的一些具有代表性的任務(wù)來作個說明。

　　整車的實驗性模態(tài)分析并非易事，而且其對FEM模型的檢查效果并不明顯。問題出在懸架和結(jié)構(gòu)的激勵交替顯示出對高模式的高阻尼和對低模式的非線性。由于聲學模型報告顯示出需要調(diào)查的問題類型，所以對子結(jié)構(gòu)（車窗、頂蓬、車門等）執(zhí)行模態(tài)分析相對來說更為高效。盡量使激勵點與真實情況相近，例如：發(fā)動機或者座艙懸置，頂蓬分布力等。

　　聲學模式

　　車內(nèi)聲學模式的實驗測定有兩個目的：一是檢查理論模式以改善聲學模型；二是阻尼測量（實驗測定阻尼的數(shù)值歸因于聲學材料、儀表板和座椅）。這里的問題是內(nèi)腔的聲激勵，因為使用的某些種類的揚聲器不支持接收激振力的任何信息，例如系統(tǒng)輸入。一種可能性是使用駐波管，其通常被用作測定材料的聲學特性。駐波管開口的一端安裝在車窗（打開），另一端裝有一個揚聲器。兩個麥克風沿縱向安裝。通過測量兩個麥克風間的傳遞函數(shù)可以得出從管的另一端流進車艙的能量。

　　輸入力

　　路測同時用于噪聲和振動的測量；而噪聲測量關(guān)心的大多是車內(nèi)噪聲水平，發(fā)動機懸置的振動測量給出的則是有關(guān)結(jié)構(gòu)傳遞噪聲的輸入力的振幅和光譜。通過將測量得到的力插入到聲學模型中，可更精確地得出噪聲計算是基于輸入振動的結(jié)論。

　　至于空氣傳播的輸入力，例如：發(fā)動機的聲輻射，一種不同的方法（依賴于發(fā)動機的FEM模型可用與否）就顯得相當必需。大多數(shù)情況下，我們無法在設(shè)計或者原型階段知道這一點，所以有趣的是要通過實驗來測定發(fā)動機的聲學模型。這個流程事實上是很自我解析的：對被測試發(fā)動機周圍的假設(shè)表面的假設(shè)聲壓水平 SPL的測繪能夠定義出聲壓的分布和相位與頻率的關(guān)系。當給出相同的分布時，通過滯后最小二乘估計得到一個相等的聲源聲學模型。

　一個發(fā)動機的聲學模型要求10～20個帶有輻射面積（加權(quán)發(fā)動機幾何單元）的基本活塞。此流程很容易了解，但執(zhí)行上需要好的技巧：首先必須建立一個多通道測量系統(tǒng)（具有足夠的麥克風以獲取相位關(guān)系和一些參考麥克風位置）；其次，測量中必須將某關(guān)鍵的轉(zhuǎn)速作為靜止條件，而且這個信息只能通過路測和 “聽”會議的分析得出；再者，這個信息可以作為真實的空氣傳播輸入力插入到車輛的聲學模型中，同時車內(nèi)噪聲水平會被重新計算。

　　結(jié)束語

　　車輛的聲學研究是一個團隊的工作，而非個人的感覺和專家意見的應(yīng)用。不管在設(shè)計還是原型階段都有數(shù)種可能的方法，而且現(xiàn)實存在著很多可能的噪聲源，但不存在對每個課題都適用的單一確切程序。

　　如果想充分利用現(xiàn)代計算系統(tǒng)的優(yōu)勢，就應(yīng)該遵從一些最簡單方法，以將復(fù)雜的總項目簡化為獨立的問題組。不要迷失于將車輛的聲學問題視作一個總的問題，正如老話所說“不要只見森林不見樹木”。

　　比如說從設(shè)計階段的一開始，簡化方法就應(yīng)該被引進到車輛的聲學研究中，而且當原型車可用時，聲學模型必須結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行調(diào)整。一旦實驗識別出噪聲問題，就應(yīng)該將可能的解決方案在結(jié)合實驗數(shù)據(jù)調(diào)整過的聲學模型上進行多次運行，因為相對于在原型車上作更改并驗證，模型上的更改與驗證更為快速和便宜。

　　在聲學觀點看來，最優(yōu)的結(jié)果和車輛的合理開發(fā)正是建立在這種實驗人員與建模人員間的數(shù)據(jù)交換基礎(chǔ)上的。