車內(nèi)顯著噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析

2013-06-05  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

1 前言
車用內(nèi)燃機(jī)是車內(nèi)噪聲的主要來源之一,主要通過空氣傳播與固體傳播兩種途徑傳入轎車,并經(jīng)車內(nèi)空氣載體傳入人耳。內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生噪聲的因素很多,只有了解了產(chǎn)生噪聲的振動(dòng)源及其噪聲產(chǎn)生的機(jī)理對癥下藥,特別是其傳播途徑的把握,才能有效控制車內(nèi)噪聲水平。
本文所研究車輛在兩段特定的轉(zhuǎn)速范圍產(chǎn)生了類似的轟鳴噪聲現(xiàn)象,利用LMS數(shù)據(jù)采集與分析軟件的應(yīng)用,通過試驗(yàn)以及譜分析和相干分析方法成功識(shí)別了兩段轟鳴噪聲的產(chǎn)生機(jī)理。
2 發(fā)動(dòng)機(jī)聲振特性測試與分析
2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備
鑒于試驗(yàn)主要分析對象為兩段特定轉(zhuǎn)速范圍的振動(dòng)與噪聲,需要進(jìn)行整車的聲振特性測試,試驗(yàn)地點(diǎn)為裝載有底盤測功機(jī)的車用半消聲室;試驗(yàn)工況為加減速工況;所測加速度信號(hào)包括發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)以及各車身結(jié)構(gòu)板件的振動(dòng);所測聲壓信號(hào)為駕駛員右耳位置噪聲以及后排乘員右耳位置;同時(shí)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。
試驗(yàn)采集振動(dòng)信號(hào)所用的加速度傳感器為美國PCB 公司生產(chǎn)的ICP 壓電式加速度傳感器,采集噪聲信號(hào)所用的麥克風(fēng)為德國GRAS 公司生產(chǎn)的ICP 壓電式麥克風(fēng)。試驗(yàn)所用數(shù)采設(shè)備為LMS 公司的SCADASⅢ SC316W 信號(hào)放大和智能采集系統(tǒng),測試采用LMS Test.lab 旋轉(zhuǎn)機(jī)械模塊測試,具有實(shí)時(shí)性好、測試分析方便等優(yōu)點(diǎn),數(shù)據(jù)處理分析主要采用Test.lab以及CADA-X軟件。
2.2 車內(nèi)噪聲特性初步分析
由于試驗(yàn)場所為消聲室的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)架上,所模擬的為路面狀況良好的瀝青路面,所以在車輛急加減速工況下的車內(nèi)噪聲三維譜陣圖中,與路面不平度相關(guān)的縱向能量分布不明顯,從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)與路面兩個(gè)噪聲振源的分離,明確發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)為主要噪聲源。
利用Test.lab的三維譜陣分析(Waterfall)出圖功能,如圖1所示,可以看出車內(nèi)噪聲能量主要分布在發(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)和部分高階振動(dòng)相應(yīng)的頻段和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),特別是在1000~1500rpm以及3900~4100rpm轉(zhuǎn)速范圍,發(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)位置處能量分布最大,這與試駕時(shí)聽到的共鳴聲位置一致,并且前后排位置都有類似能量分布關(guān)系。

圖1 車內(nèi)噪聲云圖

為進(jìn)一步明確加減速工況下車內(nèi)噪聲能量的階次分布,利用CADA-X的階次分析功能,得出車內(nèi)噪聲能量階次分布圖,從圖2上可看出(綠色為前排位置,黃色為后排位置),車內(nèi)噪聲能量以二階成分為主。

圖2 車內(nèi)噪聲能量階次分布圖

2.3 實(shí)車板件振動(dòng)特性分析
鑒于固體傳播方式的噪聲,最終都將通過車身板件產(chǎn)生振動(dòng)輻射噪聲,研究表明,固體振動(dòng)產(chǎn)生聲壓的大小與固體振動(dòng)的速度成正比,如下式:

p₁/p₂=v₁/v₂

式中:p——聲壓;v——振動(dòng)速度。
所以進(jìn)一步分析各車身板件振動(dòng),包括防火墻振動(dòng)、車身底板振動(dòng)、儀表盤振動(dòng)、頂棚等板件振動(dòng)與車內(nèi)噪聲的相干情況。分析結(jié)果表明,車內(nèi)噪聲與頂棚振動(dòng)加速度的二階相干值在0.8以上,即頂棚在轉(zhuǎn)速范圍為3900~4100rpm噪聲的貢獻(xiàn)程度較高。
圖3為頂棚部分位置振動(dòng)能量階次分布圖,從中可看出,各階次中二階所占能量最大,說明頂棚以發(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)為主。并從頂棚振動(dòng)自功率譜圖中可以發(fā)現(xiàn)在3900~4100rpm處的二階振動(dòng)即頻率130~140Hz處有明顯共振峰值。

圖3 2檔加速工況各階振動(dòng)能量分布圖

由此得出結(jié)論,發(fā)動(dòng)機(jī)的二階振動(dòng)所引起車身頂棚的振動(dòng)對3900~4100rpm轉(zhuǎn)速范圍的較明顯的噪聲水平貢獻(xiàn)較大;但對于1000~1500rpm轉(zhuǎn)速范圍的顯著噪聲水平,其能量也以二階為主,但板件輻射噪聲的貢獻(xiàn)不是很明顯。

2.4 排氣噪聲分析
如圖4所示為各工況下排氣近場噪聲水平圖,排氣噪聲在1250~2000rpm轉(zhuǎn)速范圍有較突出的噪聲水平,這點(diǎn)與車內(nèi)1000~1500rpm轉(zhuǎn)速范圍出現(xiàn)的顯著噪聲相對應(yīng),因此推斷排氣對該轉(zhuǎn)速范圍噪聲貢獻(xiàn)較大。

圖4 排氣近場噪聲總水平圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證
3.1 頂棚振動(dòng)影響的試驗(yàn)驗(yàn)證
鑒于頂棚振動(dòng)較大,所以對頂棚進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,達(dá)到抑制其振動(dòng)的目的。 通過對加減速工況分析,頂棚減振效果非常明顯,如圖5所示為頂棚部分位置振動(dòng)抑制效果(藍(lán)色為原信號(hào),紅線為改進(jìn)后信號(hào)),從圖中可看出,特別是在3900~4100rpm轉(zhuǎn)速范圍的二階振動(dòng)幅值抑制最為明顯,振動(dòng)將近減少了一倍?？傊?通過對頂棚結(jié)構(gòu)的改善,有效地降低了頂棚的振動(dòng)輻射,尤其是二階振動(dòng)輻射。

圖5 頂棚振動(dòng)抑制效果圖

再通過頂棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的噪聲變化分析,在加減速工況3900~4100rpm轉(zhuǎn)速范圍取得了良好的降噪效果,其中駕駛員右耳位置在2檔加速工況下降噪約為4dB,2檔減速工況下降噪聲約達(dá)7dB, 后排乘客右耳位置在2檔加速工況下降噪不明顯,但2檔減速工況下降噪也有3dB。同時(shí)3檔下的測試分析結(jié)果也有較類似的結(jié)論。
因此在抑制了頂棚振動(dòng)之后,對于3900~4100rpm轉(zhuǎn)速范圍的顯著噪聲,在整體上取得了良好的降噪的效果。由此證明了前述分析判斷的正確性,即對于3900~4100rpm轉(zhuǎn)速范圍的顯著噪聲,車身頂棚的振動(dòng)輻射貢獻(xiàn)較大。
3.2 排氣噪聲影響的試驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證排氣對車內(nèi)噪聲的影響,使用一較大的輔助消聲器將排氣進(jìn)行消聲處理,消弱其在1250~2000rpm轉(zhuǎn)速范圍的突出的噪聲水平,同時(shí)測量車內(nèi)噪聲特性的變化情況。測試結(jié)果表明,在經(jīng)上述處理后,車內(nèi)1000~1500rpm轉(zhuǎn)速范圍的噪聲水平明顯改善,圖6 為部分工況的車內(nèi)噪聲的改進(jìn)效果,在1000~1500rpm轉(zhuǎn)速范圍達(dá)到了4dB以上的降噪量,即證明了排氣噪聲對與車內(nèi)在1000~1500rpm轉(zhuǎn)速范圍的噪聲的貢獻(xiàn)較大。

圖6 排氣處理效果圖

4 結(jié)論
對于屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械信號(hào)范疇的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲,通過信號(hào)的三維譜陣分析能較清晰地辨識(shí)出信號(hào)的能量階次分布,本文所研究車輛的車內(nèi)噪聲能量以發(fā)動(dòng)機(jī)二階為主要成份。
轎車頂棚作為車身組成中較大面積的板件容易對車內(nèi)產(chǎn)生較大的噪聲貢獻(xiàn),在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,要重點(diǎn)考慮抑制其振動(dòng)輻射。
雖然在兩段轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),車內(nèi)噪聲水平有類似的表象,即噪聲水平都較高,主觀上也產(chǎn)生相同的轟鳴的感覺,但產(chǎn)生的機(jī)理有所不同。對于1000~1500rpm轉(zhuǎn)速范圍的顯著噪聲排氣系統(tǒng)的貢獻(xiàn)較大,而對于3900~4100rpm轉(zhuǎn)速范圍的顯著噪聲車頂棚的振動(dòng)輻射貢獻(xiàn)較大,由此也決定了必須要采取不同的改進(jìn)措施,才能有效改善車內(nèi)噪聲狀況。

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