基于AUTOSEA仿真軟件的汽車聲學(xué)建模

　對于很多汽車生產(chǎn)商來說，一輛汽車的完整聲學(xué)建模設(shè)計(jì)依然是一個(gè)夢想。然而，聲學(xué)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(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)可以解決所有問題的魔術(shù)工具。其實(shí)到目前為止，聲學(xué)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(dāng)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(jì)階段并沒有將車輛的所有聲學(xué)問題考慮在內(nèi)，因而導(dǎo)致聲學(xué)問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)問題從一開始就可以被考慮到；同時(shí)假如設(shè)計(jì)人員能夠明白一份測量報(bào)告的真正含義，問題也更容易被解決。因此說，聲學(xué)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(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.獲得簡化的聲學(xué)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(jì)算出設(shè)計(jì)階段是否會出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。

　　在原型階段：1.從原型獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和孤立噪聲問題；2.獲得每個(gè)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(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(gè)單元，當(dāng)然單元數(shù)需要減少至大約5萬個(gè)。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(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合，但此方法在模型密度快速上升時(shí)會變得復(fù)雜和需要過多的單元，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(jì)算去識別每個(gè)源頭的貢獻(xiàn)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(gè)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(fēng)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(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(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)來代替風(fēng)（氣動）壓力源。氣動壓力的頻譜可由風(fēng)洞測試或者路面測試數(shù)據(jù)決定，或者作為一種默認(rèn)頻譜來計(jì)算。將能量輸入到頂蓬是因?yàn)轱L(fēng)噪在低頻時(shí)很大，并會因?yàn)榻Y(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(jī)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(fēng)玻璃和頂蓬等地方的可預(yù)測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(fēng)玻璃對車內(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。

　第一種途徑就是通過凍結(jié)內(nèi)部聲壓來進(jìn)行“源頭排位”，然后斷開風(fēng)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(fēng)玻璃的高頻輻射是由發(fā)動機(jī)振動引起的結(jié)構(gòu)激勵導(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(dá)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(jì)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(jī)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)所在，其實(shí)可以將此特點(diǎn)加到利用人工假頭或者BHM（HEAD Acoustics的雙耳測量麥克風(fēng)）做的測量中。

　　通過注意時(shí)頻表示的噪聲活動，聲學(xué)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(qiáng)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(gè)錄音的過濾版本進(jìn)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(xué)模型調(diào)查，這樣，調(diào)查的有效性就能夠更快地被驗(yàn)證，并且實(shí)驗(yàn)性的驗(yàn)證可更有把握地推進(jìn)。也許對聲學(xué)模型進(jìn)行人為修改并不總能給出想要的結(jié)果，因?yàn)榉抡婀ぞ卟⒉煌昝溃还茉鯓樱€是能獲得一些指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的建議的。正是這種對聲學(xué)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(yàn)證。

　　模態(tài)分析

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

　　整車的實(shí)驗(yàn)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(xué)模型報(bào)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(diǎn)與真實(shí)情況相近，例如：發(fā)動機(jī)或者座艙懸置，頂蓬分布力等。

　　聲學(xué)模式

　　車內(nèi)聲學(xué)模式的實(shí)驗(yàn)測定有兩個(gè)目的：一是檢查理論模式以改善聲學(xué)模型；二是阻尼測量（實(shí)驗(yàn)測定阻尼的數(shù)值歸因于聲學(xué)材料、儀表板和座椅）。這里的問題是內(nèi)腔的聲激勵，因?yàn)槭褂玫哪承┓N類的揚(yáng)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(xué)特性。駐波管開口的一端安裝在車窗（打開），另一端裝有一個(gè)揚(yáng)聲器。兩個(gè)麥克風(fēng)沿縱向安裝。通過測量兩個(gè)麥克風(fēng)間的傳遞函數(shù)可以得出從管的另一端流進(jìn)車艙的能量。

　　輸入力

　　路測同時(shí)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(jī)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(xué)模型中，可更精確地得出噪聲計(jì)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(jī)的聲輻射，一種不同的方法（依賴于發(fā)動機(jī)的FEM模型可用與否）就顯得相當(dāng)必需。大多數(shù)情況下，我們無法在設(shè)計(jì)或者原型階段知道這一點(diǎn)，所以有趣的是要通過實(shí)驗(yàn)來測定發(fā)動機(jī)的聲學(xué)模型。這個(gè)流程事實(shí)上是很自我解析的：對被測試發(fā)動機(jī)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(dāng)給出相同的分布時(shí)，通過滯后最小二乘估計(jì)得到一個(gè)相等的聲源聲學(xué)模型。

　一個(gè)發(fā)動機(jī)的聲學(xué)模型要求10～20個(gè)帶有輻射面積（加權(quán)發(fā)動機(jī)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(gè)多通道測量系統(tǒng)（具有足夠的麥克風(fēng)以獲取相位關(guān)系和一些參考麥克風(fēng)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(gè)信息只能通過路測和 “聽”會議的分析得出；再者，這個(gè)信息可以作為真實(shí)的空氣傳播輸入力插入到車輛的聲學(xué)模型中，同時(shí)車內(nèi)噪聲水平會被重新計(jì)算。

　　結(jié)束語

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

　　如果想充分利用現(xiàn)代計(jì)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(xiàng)目簡化為獨(dú)立的問題組。不要迷失于將車輛的聲學(xué)問題視作一個(gè)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(jì)階段的一開始，簡化方法就應(yīng)該被引進(jìn)到車輛的聲學(xué)研究中，而且當(dāng)原型車可用時(shí)，聲學(xué)模型必須結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。一旦實(shí)驗(yàn)識別出噪聲問題，就應(yīng)該將可能的解決方案在結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整過的聲學(xué)模型上進(jìn)行多次運(yùn)行，因?yàn)橄鄬τ谠谠蛙嚿献鞲牟Ⅱ?yàn)證，模型上的更改與驗(yàn)證更為快速和便宜。

　　在聲學(xué)觀點(diǎn)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(shí)驗(yàn)人員與建模人員間的數(shù)據(jù)交換基礎(chǔ)上的。