汽车车身设计第五章.ppt

普通高等教育“十一五”国家级规划教材汽车车身设计,第五章 车身NVH特性研究,提纲,第一节 汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性第二节 NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法第六节 车内的降噪措施一、隔声与吸声二、车内噪声的主动控制第七节 NVH特性研究的试验方法一、NVH特性的评价方法二、消声室内的噪声试验三、道路噪声试验,NVHNNoise（噪声）VVibration（振动）HHarshness（声振粗糙感）三者常同时出现且密不可分汽车NVH特性指在车室振动、噪声的作用下，乘员舒适性主观感受的变化特性是人体触觉、听觉以及视觉等方面感受的综合体现，也可以用振动、噪声等性能的客观物理量加以衡量,第一节 汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性,汽车上的振动路面不平度引起的车身垂直方向振动发动机不平衡往复惯性力产生的车身振动转向轮的摆振传动系的扭转振动等特点很多振动都是随机振动，通常用振动量的均方根值来衡量，并且按照频率加权计算对人体舒适性影响较大的振动主要表现为界面点对人体输入的低频振动，频率范围180Hz左右界面点：转向盘、仪表板、地板、座椅、耳旁,第一节 汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性,噪声是NVH问题中很重要的部分车内噪声车身壁板振动产生的噪声空气冲击摩擦车身形成的噪声外界噪声源（如发动机、轮胎、制动器等）传入的噪声车外噪声城市环境主要的噪声源，必须严格控制标准车外噪声：GB1495-2002：汽车加速车外噪声小于88dB，M1类汽车应小于77 dB车内噪声：美国在1985年就规定公共汽车的车内噪声不得超过80dB我国尚无强制性法规,第一节 汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性,噪声的计算早期，以试验方法为主利用诊断技术识别出噪声源，然后通过改进声源结构减小其产生的噪声，或切断噪声的传播途径来控制车内噪声仿真计算借助噪声分析软件，建立声学模型预测车内噪声，分析其产生机理和传播途径，在产品设计阶段对噪声进行有效控制,第一节 汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性,声振粗糙感指的是振动和噪声的品质不是一个与振动、噪声相并列的物理概念描述的是人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客观测量方法来度量汽车的乘坐舒适性最终要表现为人体的感觉，所以声振粗糙感在NVH特性研究中占有十分重要的地位汽车公司采用专家实际乘坐汽车的方式来最终评价汽车NVH特性,第一节 汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性,1.噪声的客观量度声压p是指媒质受到声扰动后压强的改变量。设静态大气压强为p0，空气受到声扰动后的压强为p，则声强I在单位时间内流过垂直于声传播方向上的单位面积的平均声能通量声压级声强级,第一节 汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性,2、噪声的主观量度与计权声级人耳对噪声的主观感受不但与声音的强弱有关，还与频率有关，在人耳敏感频段的声音听起来会更响一些以1000Hz纯音为标准定义其声压级为响度级，单位为phon。其它频率声音的响度级通过与1000Hz的纯音相比较确定将不同频率下同样响度级的各点连接起来，得到等响曲线,第一节 汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性,2、噪声的主观量度与计权声级为了使声音的量度与人耳听觉感受一致，在声级计等测量仪器上都设置了频率计权网络（即滤波器），对所测量的噪声信号按频带进行衰减根据频率响应特性不同，计权网络可分为多种A级计权网络按照40phon等响曲线修正的，代表着人耳对低声压噪声响亮程度的感觉与噪声对人体的危害程度有良好的相关性，最能反映人耳与噪声频率响应特性之间的关系应用最为广泛,第一节 汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性,汽车激励源：发动机、传动系统、车轮和轮胎、不平路面和风等传递器：悬架系统、悬置系统、车身结构系统响应器：车身和车室空腔,第一节 汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性,汽车激励源：发动机、传动系统、车轮和轮胎、不平路面和风等传递器：悬架系统、悬置系统、车身结构系统响应器：车身和车室空腔汽车上的NVH现象描述乘员的主观感受分为振动、噪声等多种感觉将乘员的主观感受与客观的描述联系起来，用于对汽车NVH特性的评价与诊断,第一节 汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性,车身系统是整车NVH系统的响应器，其振动响应特性直接影响着整车的NVH特性车身作为振动、噪声传递途径中的重要环节，其声学传递特性也对车内的噪声水平有重要的影响车内噪声结构噪声：外界激励引起车身壁板振动产生的噪声空气噪声：车室外通过车身孔隙进入车内的噪声,第一节 汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性,汽车NVH特性设计方法建立在CAE基础之上以改善汽车NVH特性为目标声学设计方法：以降低车内总体噪声水平为目的汽车NVH特性设计方法贯穿于新车型的研发过程，也在现有车型的改进设计中起到重要作用,第二节 NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍,整车研发过程中，NVH特性研究分为以下四个阶段：,第二节 NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍,调研，对标，确定整车NVH特性目标,整车仿真分析分级匹配各系统、子系统的NVH目标,部件结构设计，实现子系统和整车的性能目标,样车的试验与调整,整车水平的NVH目标在项目的早期制订主要步骤：根据目标人群特点和顾客的驾驶评估确定与汽车NVH特性相关的重要项目，如：车内噪声、地板振动、转向盘抖动等制订主观NVH目标对标、顾客和专家的驾驶评价对将要开发汽车性能的未来规划车内的噪声水平、振动感受等对标车试验，据此建立整车NVH目标确定其客观性能将主观NVH目标转化为客观的整车NVH目标驾驶员耳旁声压级敏感点加速度响应车身振动模态频率等研究并规划在这个市场定位水平上的未来NVH特性的改进趋势,第二节 NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍,整车水平的NVH目标包括：与不平路面有关的前座椅振动、转向盘抖动与风噪声有关的高速时的前座椅处的噪声水平与动力总成有关的起动时的抖动怠速期间驾驶员的右耳噪声和踏板振动水平等汽车各系统模态频率的分配,第二节 NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍,不同系统和子系统的模态频率对于确定汽车整体NVH特性起着关键作用例：为防止共振，系统模态频率之间应该分离，并与激励频率分开某汽车装备V6发动机，其稳态怠速转速650r/min；发动机首阶激励（第3阶）在32.5Hz，对转向柱的抖动特性影响很大根据转向柱支承系统实际情况，将其垂直方向模态频率设置为29Hz，横向模态设置为36Hz，降低了转向柱管的抖动，改善了整车的NVH特性,第二节 NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍,分级结合试验和CAE方法，指将整车NVH目标转化为车身结构、动力总成悬置等系统和部件目标水平的过程例：一阶模态频率、车身接头刚度、车身在悬架上的安装部位刚度等为设计人员提供相关部件设计的详细准则,第二节 NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍,车身系统的NVH特性目标包括弯曲和扭转刚度模态特性声学振动灵敏度噪声的衰减特性动力总成的振动及其辐射的噪声底盘悬架系统的动态特性等,第二节 NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍,新开发汽车的分级参考BIC汽车的基本数据实现BIC的系统和部件NVH特性水平作为初始设计目标再根据经验，结合实际情况进行修改，作为早期系统和部件的NVH目标结构设计师按照部件的目标要求进行结构设计,第二节 NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍,NVH设计过程中，为进行NVH目标的分级、评价，改善汽车的NVH特性，应建立用于整车NVH特性研究的CAE模型不同子系统、不同NVH问题，采用的CAE方法不同悬架、转向系等系统研究其低频范围的动力学特性时主要采用多刚体系统动力学方法对40Hz以下NVH特性的模拟非常准确刚度较小的系统（如车身系统）采用有限元方法建立弹性体（或柔体）模型，再与多刚体系统模型相结合，建立整车的刚弹耦合模型模拟适用的频率范围也提高到200Hz以上,第二节 NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍,车内低频噪声的计算一般是利用有限元方法实现将车内空腔划分网格，建立有限元模型车内空腔与车身结构模型耦合，建立声固耦合模型计算车室空腔的声学特性，车内噪声响应中高频（300Hz以上）NVH特性的仿真应采用建立在空间声学和统计力学基础上的统计能量分析（SEA）方法,第二节 NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍,有限元方法+多刚体系统动力学方法，建立整车的刚弹耦合模型，预测车身的振动和车室内的声压,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,1用模态方法描述弹性体模态综合法动力缩减-部件模态综合法CMS将有限元模型与多刚体模型相连接时，由于有限元模型的自由度数目巨大，因此必须将给定的动力学数学模型缩减为一个具有较少自由度的模型模态综合法则是在有限元法基础上发展起来的一种对复杂结构进行振动分析的有效方法,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,1用模态方法描述弹性体模态综合法动力缩减-部件模态综合法CMS模态综合法基本思想把复杂结构分为若干部件(子结构)每个部件可用计算或试验的方法求得模态参数根据边界条件，将各子结构的模态特性叠加起来，再通过平衡方程和约束方程将物理坐标约简，得到用广义坐标(模态坐标)表示的运动方程，由此可计算组合系统的动态响应,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,1用模态方法描述弹性体模态综合法动力缩减-部件模态综合法CMS,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,1用模态方法描述弹性体模态综合法通过超单元实现动力缩减，并将超单元模型转换为弹性体元件连接到多体系统动力学模型中,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,1用模态方法描述弹性体模态综合法弹性体有限元模型自由度边界自由度uB。边界自由度不进行模态转换，当高阶模态被截断时，这些自由度不会丢失任何信息内部自由度uI弹性体模态约束模态分别使每一个边界自由度产生单位位移时，固定其它所有边界自由度得到的静态振型约束模态坐标qC与相应的边界自由度数量相等，且一一对应由边界自由度变形uB引起的整个弹性体的变形都可由约束模态的线性叠加得到固定边界的标准模态将弹性体的边界自由度uB固定并计算它的特征值问题而得到的标准模态它们定义了内部自由度uI的模态变形，其品质与保留的模态数量有关,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,1用模态方法描述弹性体模态综合法物理自由度u与CMS法的模态以及模态坐标q之间的关系,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,1用模态方法描述弹性体模态综合法弹性体与刚体是非自由联接，需引用约束模态集，建立超单元的物理坐标u与模态坐标q的联系。称第一次坐标变换，得到模态坐标上的解耦运动方程,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,2多体系统中弹性体的动力学方程当弹性体连接到多体模型中时，它所有的模态信息都传入多体系统中模态坐标模态转换矩阵模态质量矩阵模态刚度矩阵模态频率等在多体系统中，首先要确定弹性体上各点的运动学关系式以及弹性体所受的作用力，根据这些条件利用拉格朗日方程推导弹性体的动力学方程,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,2多体系统中弹性体的动力学方程,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,1建立整车刚弹耦合模型,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,建立车身有限元模型,建立底盘的多体模型并与弹性体车身相连接,进行超单元分析,将车身超单元转换成为多体系统中的弹性体文件,整车的刚弹耦合系统模型,1建立整车刚弹耦合模型,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,前悬架ADAMS 模型,转向系模型,减振器模型,1建立整车刚弹耦合模型,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,悬架弹簧特性曲线,车身骨架模型共有24469 个节点，29100 个单元，单元尺寸为50mm，板厚1mm。利用它建立超单元并生成柔体车身,1建立整车刚弹耦合模型,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,1建立整车刚弹耦合模型整车模型的建立将上述各种子系统在ADAMS/Car 标准模块下进行装配连接，就可以得到整车的仿真模型,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,2、整车刚弹耦合模型的仿真分析模型的标定和校验整车虚拟样车模型建立之后，采用与实车实验数据对照的方法对模型进行标定和校验,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,加速度传感器、数据采集系统、电荷放大器、电脑等,测量副车架左后悬置与车身连接处振动加速度信号，采样频率为4kHz，采样时间10 秒,车速80 km/h 在B 级沥青路面上行驶匀速直线行驶,2、整车刚弹耦合模型的仿真分析模型的标定和校验,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,实验结果,柔体模型仿真,副车架左后悬置处的垂向振动加速度最大值的测量结果比柔体模型仿真结果略大；柔体模型的主频及对应的峰值能够与试验值较好的吻合仿真结果与试验相比虽有一定误差，但仍在合理范围内。验证了模型的合理性产生误差的主要原因：与实车相比模型存在较大的简化由于条件限制，模型的参数还不够准确路面模型与真实的路面存在一定差距等,2、整车刚弹耦合模型的仿真分析在多体系统动力学软件中设置不同路面和行驶工况可以对整车刚弹耦合模型进行仿真分析例,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,2、整车刚弹耦合模型的仿真分析例在汽车30km/h直线行驶工况，仿真分析得到的车身质心处加速度时间历程信号以及经过付立叶变换后的频域信号,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,仿真开始阶段（约0.32秒之前）只有前轮处于不平路面，相应的时间历程曲线振幅比较小；随着后轮驶上路面，振动幅度变大在频谱图中2Hz附近的尖峰对应着车身垂直方向振动的刚体模态由于悬架系统的高频滤波作用，50Hz以上的振幅非常小,2、整车刚弹耦合模型的仿真分析例计算得到的左侧车身连接点垂直方向的作用力,第三节 刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析,前后悬架滑柱上支点（曲线1和4）承受着大部分的簧载质量，而横向推力杆垂直方向的传递力（曲线6）几乎可以忽略由于后车轮在前一段时间没有驶上不平路面，因此相应的连接点传递力（曲线4、5、6）几乎没有波动，曲线平直，传递力基本等于静载荷,在车型的开发过程中，车身的CAE模型被逐渐细化设计后期，汽车内部噪声预测是通过对车身结构和封闭空腔之间声固耦合作用的模拟仿真得到的,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,1声波方程及其边界条件声振动作为一个宏观的物理现象，必然满足三个基本的物理定律牛顿第二定律质量守恒定律描述压强、温度与体积等状态参数关系的物态方程,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,1声波方程及其边界条件小振幅声波的三维波动方程在小振幅情况下，经过对三维运动方程、连续性方程及物态方程的线性化近似，得到均匀的理想流体媒质里声波声压的三维波动方程,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,2车室声固耦合系统的有限元方程式,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,2车室声固耦合系统的有限元方程式,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,3声学与结构力学的类比结构位移类比于流体压力结构材料密度类比于流体体积模量的倒数结构的弹性模量（E、G）类比于流体密度的倒数,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,1建立声固耦合模型建立车室声固耦合模型时，车身结构模型和车室空腔声学模型用有限元前处理程序提供的壳单元和三维实体单元分别建立,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,左图是某轿车的车身结构有限元模型。右图是根据结构模型建立的车室空腔模型在MSC.Nastran软件的模型数据文件中用材料卡MAT10定义流体的体积模量和密度，并将节点和单元卡标识为流体，根据声学与结构力学的类比关系，就得到车室空腔声学系统的模型,1建立声固耦合模型耦合空腔表面的节点必须与车身结构节点全部重合在模型数据文件中定义两个模型中相重合的节点连接（耦合）在一起，保证它们在分析时一起运动,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,2车室声学系统模态分析车室空腔的声学特征表现为与固有频率和振型（声压分布）相联系的声学振动模态强迫振动下车室内部各点的总压力响应取决于各个声学模态被激励的方式，车室空腔的共振会明显增大噪声响应,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,2车室声学系统模态分析车内空腔的声学模态分析意义在设计过程中避免车身结构振动导致的车内共鸣噪声合理布置和优化车内声学特性，尽量使人耳处于最重要声学模态的节线位置，从而获得较好的舒适性声固耦合系统模态分析可识别出系统的模态频率和振型，为预测、分析声学响应准备必要的条件车室空腔声学系统模态分析可得到它的模态频率和模态振型（声压的分布情况），据此迅速查出耦合系统模型中以声压变化为主要模式的耦合模态,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,2车室声学系统模态分析例：利用MSC.Nastran软件对车室空腔声学模型进行模态分析，计算出的模态频率,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,第一阶模态的频率为0，相应的振型中车室内各点声压变化的幅值相同，相当于结构模态中的刚体模态,2车室声学系统模态分析例：,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,图a，第一阶纵向声学模态的节线处于车室中间位置，向两端声压逐渐增大。室内声压分布是对称的图b，声压是横向分布的，节线处于车室的纵向对称面上图c，声学模态表现为声压在横、纵两个方向上分布的综合模式，它的节线近似为首阶横、纵向模态节线相叠加的结果图d，在垂直方向上车室形状很不规则，导致垂向模态的声压分布也不规则，且节线变得不清晰,3车室声固耦合系统模态分析规律空腔声学模态是通过边界条件与车身结构的振动相耦合的，空腔声学特性和车身结构动力学特性共同决定了车室内部的声压例：试验表明，车身壁板的振动会改动声学模态的频率，移动节线的位置，使车室内的噪声响应发生重大变化耦合系统的振动微分方程式中的质量矩阵和刚度矩阵都不对称，特征值为复数，应采用复模态分析方法耦合系统的模态振型由两部分组成：结构的变形和空腔中声压的分布模态可能是由于结构的振动引起声压分布的变化（即结构变形占主要地位），也可能是声压变化引起结构的振动而产生的（即声压变化为主），它们分别对应着结构和空腔两个系统各自的模态,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,3车室声固耦合系统模态分析例：以车身结构变形为主的模态车身结构的振动（图a）使空腔流体的声压发生变化，产生图b中的振动模式与车身结构系统相应的模态对比，耦合系统的模态频率稍有变化，但变化量很小，而车身结构的变形部位基本没有变化,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,3车室声固耦合系统模态分析例：以流体声压变化为主的耦合系统模态结构由于流体振动（图a）产生变形，如图b所示。它对应着空腔系统的第一阶纵向声学模态由于结构壁板的振动，耦合系统中空腔流体振动模态（声压分布）出现了变化。与空腔系统声学模态（图a）相比较，模态频率变化较小，而模态振型变得更加不规则，节线略微前移，前部声压的相对变化更大了,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,4声固耦合系统的响应分析车室内部噪声的预测是汽车NVH特性研究的重要内容与耦合系统的模态分析相比，计算车身壁板振动引起的车室噪声可以获得更直接更实际的NVH特性，更有利于将NVH目标与系统特性相联系，以便进行NVH目标的分级与评价,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,4声固耦合系统的响应分析方法：将整车刚弹耦合模型分析得到的车身连接点处的力作用在声固耦合模型中相应的结构节点处，可进行响应分析例：某轻型客车的简化声固耦合模型、车室声学模态频率、声固耦合系统的模态振型,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,4声固耦合系统的响应分析设车身结构由前后悬架四点支承（图中的1、2点及其对称点），计算驾驶员右耳处（图中的3点）的声学瞬态响应，得到声压时间历程曲线如图图中瞬态声压幅值比较大，主要是由于车身结构过于简化，没有考虑车身骨架对壁板的加强作用以及车身内饰的减振吸声作用，导致响应被放大,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,4声固耦合系统的响应分析频率响应分析（激励频率为20500Hz），得到驾驶员耳旁噪声的频域响应由图可见前三个主要尖峰频率分别是38Hz、114 Hz和120 Hz，与表中列出的三阶耦合模态频率基本一致。尖峰是耦合模态共振形成的，这是驾驶员耳旁噪声增大的主要原因耦合模态对声学响应的贡献是不一样的，产生峰值的几个模态都是以空腔声压分布为主的耦合模态，说明在耦合系统的声学响应中空腔流体依然起到主要作用，结构变形模式对声学响应的直接作用较小,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,4声固耦合系统的响应分析即使是以声压分布为主的耦合模态，根据声学响应点所处的声压分布区域不同，各模态对响应点声压的贡献也是不同的第20、29、31阶耦合模态，响应点所处区域的声压较大（图a），该点声压响应在这些模态频率处出现尖峰第25、28、30阶模态，由于响应点处于声学节线附近（图b），导致声压响应较小，并没有出现共振尖峰,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,4声固耦合系统的响应分析在频率响应分析中，在模态频率附近声压在车室内的分布与其模态振型基本相同,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,图示为前述轿车在152Hz附近的车内声压响应分布情况，它对应着耦合系统的第一阶垂直方向的声压分布模式,应用整车模型和模拟激励可计算驾驶员界面点的响应，通过分析可以发现不符合设计目标的NVH响应。采用合理的NVH诊断方法可加快判定不良设计原因的判定NVH诊断技术强迫响应动画在某一峰值频率处的强迫响应动画能够直观地识别出该频率下活跃的部件需对不同频率下的动画进行全面研究能量分布图动能分布图能够识别出含动能较高的部件，显示振动能量和声能量在部件、车室中的分布，分析出临界频率下载荷传递的途径，确定存在问题的机构以便改进设计应变能分布图结构（声学）模态贡献图能够识别出不同车身结构模态对响应的贡献情况,第四节 声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术,统计能量分析方法概念：是利用研究对象各子系统之间具有统计意义的能量参量变化来研究其动力学特性的方法特点用“能量”作为独立变量解决结构、声场间的耦合动力学问题用能量描述动力学子系统的状态用功率的流动平衡方程描述耦合子系统之间的相互作用适用于解决高频区（单位带宽内的振型数N5）的复杂动力学问题，而模态法和有限元法则适用于解决低频问题（N2）精度影响因素系统模态密度的大小直接影响到它的准确程度估计精度一般随系统模型的细化而提高优缺点统计能量分析给出的是空间和频域的平均量，得不到系统内特殊位置和频率处响应的详细信息能较精确地从统计意义上预示整个子系统的响应级,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,1二子系统统计能量分析模型,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,1二子系统统计能量分析模型,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,2统计能量分析中的主要参数及分析的一般步骤分析系统的结构，划分子系统并建立SEA模型确定各子系统以及其之间的统计能量分析参数，计算各子系统的振动能量估算各子系统的动力响应,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,2统计能量分析中的主要参数及分析的一般步骤子系统必须是有一些相似共振模态组成的子系统模态密度是描述振动系统贮存能量能力大小的一个物理量式中的f是频率（Hz），N（f）是模态数的频率函数建立SEA模型子系统的一条重要原则是子系统的模态密度必须足够的高,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,2统计能量分析中的主要参数及分析的一般步骤系统能量损耗=子系统内损耗+子系统间耦合损耗内部损耗由系统阻尼特性所决定内损耗因子（阻尼损耗因子）：子系统在单位频率内单位时间损耗能量与平均模态能量之比耦合损耗：子系统之间能量传输时的损耗耦合损耗因子：两个耦合子系统i和j在连接处振动能量的传输损耗,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,2统计能量分析中的主要参数及分析的一般步骤连接方式决定了子系统之间的耦合作用在统计能量分析中，子系统之间是弱耦合连接的，即耦合损耗因子明显小于子系统的内损耗因子输入功率是来自外界的激励，通常在规定的频率带宽上进行试验测量或分析计算得到确定了系统模型和参数以及系统激励之后，就可以利用各子系统之间的功率流动平衡方程来求解各子系统的能量响应位移、速度、加速度、压力、应力、应变等物理量功率谱密度或响应级,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,建立车身振动噪声系统的统计能量分析模型三维空腔：驾驶室和行李箱板：顶板、挡风玻璃、驾驶室隔板和地板等板件梁：而中柱等件用具有弯曲和扭转特性的表示系统模型的激励主要来自路面和发动机计算各种工况下发动机支承点和悬架支座处的振动响应，测量发动机舱内的声压，得到系统的输入功率子系统的模态密度理论计算：模型中比较规则的平板、玻璃板等试验：形状复杂的挡泥板、悬架钟形座、车门等阻尼损耗因子通过测试车内声音衰减60dB的时间来计算,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,找出能量从激励源传入车室的主要途径，对于采取减振降噪措施具有直接的指导意义通过对各个子系统能量的对比，得到功率流动的主要途径包括以下四条：后桥路面输入：后悬架钟型座左右后轮挡泥板衣帽架和后座隔板车室声场前桥路面输入：前悬架钟型座左右前轮挡泥板隔热墙和地板车室声场发动机振动：左右两块前挡泥板隔热墙车室声场发动机辐射噪声：挡泥板和隔热墙车内声场,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,通过对该车身系统SEA模型的灵敏度分析，选择以下便于实现的降噪措施在衣帽架子系统上增加一层阻尼层，使各个频带的结构损耗因子增加5倍将隔热墙板厚加倍以增大其面密度，从而降低输入功率并降低隔热墙子系统的自身能量,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,阻尼层的增加对较低频率范围的影响很小，但是对高频范围起了较大的作用,这一措施对3000 Hz以下的噪声控制是很有效的，各频带的声压级基本下降23 dB,有限元方法和统计能量分析方法在解决振动噪声问题时都存在一些局限性。为此，一些学者尝试综合利用这两种方法进行NVH预测强耦合系统基于有限元分析的能量流动方法。利用有限元方法的模态分析结果，提取出EFM的相关参数，从而使能量流动方法推广到任意复杂的结构,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,假设两个耦合的线性系统i和j分别受到不相关的稳态随机激励的作用，则两个子系统的能量E以及输入两个子系统中的功率P可以写成式中，cij为能量影响系数（EIC），dij为功率影响系数（PIC），Si为激励函数的自谱EIC 和PIC可以通过有限元分析得到的模态频率、模态质量矩阵和模态阻尼矩阵计算得到。这样，就可以根据激励谱计算系统的能量响应能量流动方法在MSC.Nastran中是利用超单元分析技术实现的，计算时需要定义用于EFM计算的频带范围、阻尼损失因子、频率阻尼等参数,第五节 统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法,噪声机理激励源传递途径声学响应要控制噪声，应从减小声源、隔断噪声的传递途径和声场内消声等方面入手减小声源：对于发声的部件采用消声器，对于振动的部件采用减振器，结构设计时要使固有频率相互错开并避开激励频率抑制风噪声：消除泄漏气流的间隙，改进密封元件，增加密封压力等，将缝隙堵塞避免空腔共鸣：修改车室形状和尺寸的方法，改变空腔的共振频率，以避开常见激励的频率直接从声源上治理噪声往往受到限制，还需要采取防振、隔振、吸声、阻尼等办法,第六节 车内的降噪措施一、隔声与吸声二、车内噪声的主动控制,1.隔声对于发动机的噪声和车外噪声，可采用各种结构措施并选择合理的隔声材料来隔离隔声效果用透射损失TL评价（单位dB）式中，Wi为射到隔声壁的声能量；Wt为透过隔声壁的声能量垂直入射声波的单层隔壁透射损失式中，m为隔壁单位面积的质量，单位为 kg/m2；f为声频率，单位为 Hz隔壁面密度愈大，声频率愈高，则隔声效果愈好,第六节 车内的降噪措施一、隔声与吸声二、车内噪声的主动控制,1.隔声例：前置发动机的工作噪声，通过前围挡板传入车内。单位面积质量或频率大1倍，隔声量仅增加 6dB，用单层隔壁的隔声效果不好。结构工艺允许时，用双层隔壁会显著提高隔声效果汽车的前围板、地板，其上有许多穿线孔、安装孔等，能引起风啸声又会大大降低透射损失，应给予密封,第六节 车内的降噪措施一、隔声与吸声二、车内噪声的主动控制,几种穿线胶套的隔声效果比较实例,隔声大多数隔声结构对高频噪声的隔声效果较好，而对低频噪声较差,第六节 车内的降噪措施一、隔声与吸声二、车内噪声的主动控制,某货车的发动机噪声与由其引起的驾驶室内噪声的比较，可见要进一步降低车内噪声，应研究提高隔壁在250Hz 以下的透射损失,2.吸声利用吸声材料作内饰，吸收入射到其上的声能，减弱反射声能，从而降低车内噪声吸声效果可用吸声系数表示,第六节 车内的降噪措施一、隔声与吸声二、车内噪声的主动控制,2.吸声在汽车上使用的吸声材料有如下几类1)多孔性吸声材料 其机理是当声波进入材料表面的空隙，引起空隙中空气和材料微小纤维的振动，由于内摩擦和粘滞阻力，使相当一部分声能转化为热能汽车上常用的这类吸声材料有玻璃棉、毛毯、聚胺酯泡沫塑料等。常用于中、高频吸声2）开孔壁吸声材料 为了提高中低频噪声的吸声系数，往往在材料上开很多小孔，小孔背后保存有一定的空气层，使其能产生共振而消耗能量它往往与多孔性吸声材料混合使用，例如车身顶篷内饰面是开孔的背后贴有一层薄泡沫塑料的人造革。其吸声性能与孔径和穿孔率有关,第六节 车内的降噪措施一、隔声与吸声二、车内噪声的主动控制,2.吸声吸声处理主要用于吸收反射声，对直达声无明显效果，故在车身上有利于抑制车内共鸣噪声吸声处理往往与隔声、防振（阻尼）处理等措施一起采用,第六节 车内的降噪措施一、隔声与吸声二、车内噪声的主动控制,3.衰减处理在一些容易引起振动的钣金件上，如地板、顶盖、前围挡板等，涂以防振阻尼材料来减少噪声辐射，即衰减处理阻尼材料：是一种内损耗大的材料，如沥青基物质和其它高分子涂料（橡胶、树脂等）衰减处理后，板和阻尼材料的综合损耗系数12为阻尼材料的损耗系数；E1为板的杨氏弹性模量；E2为阻尼材料的杨氏弹性模量；t1为板厚；t2为阻尼材料厚度,第六节 车内的降噪措施一、隔声与吸声二、车内噪声的主动控制,3.衰减处理防振、隔声、吸声和阻尼材料综合应用的实例在设计车身内饰时，既要考虑艺术造型及安全性对室内软化的要求，又要满足控制振动和噪声的要求,第六节 车内的降噪措施一、隔声与吸声二、车内噪声的主动控制,通过在管道上游采用前置麦克风拾取噪声信号，经电信号处理后，馈送给管道下游的次级声