采用SYSNOISE分析汽车隔声材料对车内噪音的影响

采用 分析汽车隔声材料对车内噪音的影响 首届用户大会论文集SYSNOISE 2006 LMS 采用 SYSNOISE分析汽车隔声材料对车内噪音的影响 李增刚 欧阳德 詹福良 （比利时 LMS国际公司北京代表处，北京，100101） [摘 要] 本文用声学仿真计算软件 SYSNOISE 计算了某轿车的车内噪音，对比白车身和添加不同的隔声 材料后，车内噪音的差异，从而得出隔声材料对车内噪音的影响的效果。 [关键词] 隔声材料 车内噪音 模态 模态参与因子 SYSNOISE 1 前言 随着中国汽车工业的快速发展，消费者对汽车产品的要求也会越来越高，不仅对汽车的安全性和耐久 性提出了更高的要求，对汽车的乘坐舒适性（NVH）方面的要求也会提高。过大的室内噪声对人们的生理 和心理都有严重的影响。较强噪声的持续作用，可使人听力下降，严重时导致永久性听力减退，日积月累 便产生噪声性耳聋；长期的噪声作用，对人的神经系统有显著影响，并引起病理改变；噪声使人产生紧张 感、心情烦躁、易愤怒，工作效率明显降低。 在汽车产品的开发阶段，若能考虑汽车的噪声问题，可以提高汽车的乘坐舒适性，提高产品的市 场竞争力，为企业带来良好的经济效益，对消费者而言，可以更好地享受生活的乐趣，提高生活的质量。 对于如何降低汽车噪声，可以采用计算机仿真分析和试验方法相结合的办法。对于计算机仿真分析方 法，可以进行声学模态分析、板块贡献量分析、传递路径分析、传递函数分析、灵敏性分析和添加隔声材 料（Multi-Layered Insulation Systems）分析等，其中在驾驶室内壁上添加隔声材料，在汽车设计时是必须 要考虑的问题，也是降低室内噪声很好的方法。隔声材料如图 1所示，可以在驾驶室内壁上附加一层或多 层隔声材料，隔声材料一般选用泡沫或纤维等材料，其原理是将空气的声波振动转换成隔声材料的振动， 靠隔声材料的摩擦将机械能转换成热能等其他形式的能量。 图 1 隔声材料 本文采用 LMS公司的 SYSNOISE声学分析软件对车内的噪音进行仿真计算，对比汽车白车身和添加 了汽车内饰件后，车内噪音的不同。 2 声学响应计算理论 对于有限元声学模型，声学响应的动力学方程为 [ ] [ ] [ ]( ){ } { }FipMAiK ρωωρω −=−+ 2 这里， [ 是刚度矩阵， 是阻尼矩阵，]K [ ]A [ ]M 是质量矩阵，{ }F 是激励。该方程的解为 { } [ ] [ ] [ ]( ) { }FMAiKip 12 −−+−= ωρωρω 1 采用 分析汽车隔声材料对车内噪音的影响 首届用户大会论文集SYSNOISE 2006 LMS 如果是在声学模态空间中进行声学计算，需要首先计算声学模态，声学模态为 [ ] [ ]( ){ } { }02 =− iMK φω 其中，声学模态{ }iφ 满足正交性 { } [ ]{ } ⎩⎨ ⎧ ≠ == ji ji M j T i ,0 ,1φφ ， { } [ ]{ } ⎩⎨ ⎧ ≠ == ji jiK ij T i ,0 ,2ωφφ 在模态空间中，声学响应为 { } { } [ ]{ }aap ii Φ==∑ φ 其中， [ 是模态相连构成的矩阵，{ 是由模态参与因子构成的向量，]Φ }a { }a 的计算为 { } [ ] [ ] [ ]( ) { }FMAiKia ˆˆˆˆ 12 −−+−= ωρωρω 这里， [ ] [ ] [ ][ ]ΦΦ= KK Tˆ ， [ ] [ ] [ ][ ]ΦΦ= AA Tˆ [ ] [ ] [ ][ ]ΦΦ= MM Tˆ ， [ ] [ ] [ ]FF TΦ=ˆ 3 汽车白车身的室内噪音分析 3.1 车身结构模型和驾驶室声学模型 如图 2（a）所示是某轿车的白车身模型，利用该模型提取该车身的结构模态，图 2（b）所示是某阶 结构模态。 （a）白车身模型 （b）结构模态 图 2 白车身模型和结构模态 在图 2（a）所示的结构模型的基础上，产生内部空气的实体网格，作为声学网格，如图 3(a)所示，并 提取声学模态，如图 3（b）所示的某阶声学模态。另用声学网格生成与声学模型耦合的结构网格，如图 4 （a）所示，然后将白车身的结构模态映射到耦合结构模型上，如图(b)所示是将图 2（b）的结构模态映射 到耦合结构模型上后的模态。耦合声学网格与耦合声学结构网格的主要区别在于前者是实体（Solid）网格， 而后者是壳（Shell）网格。 2 采用 分析汽车隔声材料对车内噪音的影响 首届用户大会论文集SYSNOISE 2006 LMS （a）声学网格（Solid单元） （b）某阶声学模态 图 3 耦合声学模型和声学模态 （a）耦合结构网格（Shell单元） （b）映射模态 图 4 耦合结构模型和映射模态 2.2 载荷激励 经过试验测得发动机与车身悬置处的振动载荷谱如图 5所示，本文利用该载荷谱计算发动机振动引起 的车内噪音。 图 5 发动机载荷激励谱 3.3 白车身内部噪音预测 将结构模型和声学模型进行耦合计算，在驾驶员的头部附近某点处的声压幅值和声压分贝值如图 6所 示，从中可以看出在 74Hz时，声压偏大。 3 采用 分析汽车隔声材料对车内噪音的影响 首届用户大会论文集SYSNOISE 2006 LMS (a) 声压幅值 （b）声压分贝值 图 6 白车身声压响应 由于结构振动和声学响应都是在模态空间中进行的，因此可以计算出结构和声学的模态参与因子。图 7（a）所示是各阶结构模态在 74Hz时的模态参与因子，从中可以看出，第 41阶结构模态的参与量较大， 对结构的振动也较大。图 7（b）所示是第 2阶声学模态在各计算频率点处的模态参与因子，从中可以看出 在 74Hz时模态参与因子也最大。由于第 41阶结构模态的频率为 75.3Hz，第 2阶声学模态的频率为 72.7Hz， 这两个模态比较接近，容易引起共振，因此如果能改变或增强车身的结构，使结构的振动模态偏离声学的 模态，可以降低驾驶室内的噪音。另外从图 5 可以看出，在 74Hz 附近的振动激励也较大，因此如果能通 过修改发动机与车架之间的悬置属性，降低 74Hz附近的振动激励，也可以降低 74Hz处的噪音。 （a）结构模态的参与因子 （b）声学模态的参与因子 图 7 结构和声学的模态参与因子 4 添加隔声材料后的噪音预测 隔声材料通常取带孔的泡沫或纤维材料，在驾驶室内壁上贴上一层隔声材料，利用隔声材料的吸能原 理来降低室内噪声。 本文采用四种不同的泡沫材料，分别称为 Foam_1层、Foam_2层、Screen层和 Blanket层，这些材料 的属性如表 1 所示。将这些材料分别组合成 Foam_1-Blanket、 Foam_1-Foam_2_Blanket 和 Foam_1-Foam_2-Screen-Blanket三种隔声材料，以对比不同材料和不同厚度的隔声材料对室内噪声的影响。 表 1 泡沫材料的属性参数 4 采用 分析汽车隔声材料对车内噪音的影响 首届用户大会论文集SYSNOISE 2006 LMS 参数 Foam_1 Foam_2 Screen Blanket 厚度（m） 0.05 0.04 0.03 0.01 密度（kg/m3） 31 16 125 41 流阻（kg/m3 s） 87000 65000 3200000 34000 空隙率 0.97 0.99 0.8 0.98 扭曲率 2.52 1.98 2.56 1.18 粘度特性（m） 0.00037 0.00037 0.000006 0.00006 热特性（m） 0.000119 0.000121 0.000024 0.000087 损耗系数 0.005 0.16 0.0008 0.004 杨氏模量（Pa） 143000 46800 2600000 286000 波松比 0.3 0.3 0.3 0.3 如图 8、图 9和图 10所示是分别添加了 Foam_1-Blanket隔声材料、Foam_1-Foam_2 -Blanket隔声材料 和 Foam_1-Foam_2-Screen-Blanke 隔声材料后，在驾驶员的头部附近某点处的声压幅值和声压分贝值的响 应曲线。和图 6所示的白车身声压响应曲线相比，添加隔声材料后可以明显地降低车内的噪音，原来 74Hz 处的峰值已经缩减到很小的值，因此通过添加隔声材料是降低车内噪音的一种有效的途径。另外通过图 9 和图 10的计算结果可以发现，图 10在 90Hz处出现较大的声压峰值，因此 (a) 声压幅值 （b）声压分贝值 图 8 添加隔声材料 Foam_1-Blanket后的声压响应 (a) 声压幅值 （b）声压分贝值 图 9 添加隔声材料 Foam_1-Foam_2-Blanket后的声压响应 5 采用 分析汽车隔声材料对车内噪音的影响 首届用户大会论文集SYSNOISE 2006 LMS (a) 声压幅值 （b）声压分贝值 图 10 添加隔声材料 Foam_1-Foam_2-Screen-Blanket后的声压响应 并不是添加的隔声材料越多越好。如果需要添加多层隔声材料，隔声材料的厚度之间有一个优化的值，合 理选择不同的隔声材料和隔声材料的厚度对驾驶室内的噪音也有很大的影响。 5 结论 通过对比白车身的室内噪音的计算结果和添加隔声材料后的室内噪音的计算结果，可以看出隔声材料 可以明显地降低驾驶室内的噪音，但是在选择隔声材料时，隔声材料的搭配以及隔声材料的厚度需要注意， 并不是隔声材料越多越好，隔声材料的厚度和类型可以通过优化计算获得。本文所做出的结论是通过仿真 分析得出的，其正确性还需要实验的验证。 参考文献 [1] 李增刚 SYSNOISE Rev5.6详解 北京：国防工业出版社，2005 6 1 前言 2 声学响应计算理论 3 汽车白车身的室内噪音分析 3.1 车身结构模型和驾驶室声学模型 2.2 载荷激励 3.3 白车身内部噪音预测 4 添加隔声材料后的噪音预测 5 结论 参考文献 Button1: