工程車輛駕駛室噪聲特性分析及優(yōu)化

吳業(yè)強(qiáng)，何 鋒，占 剛，毛衛(wèi)秀

(1.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 凱里 556000；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

工程車輛因其特殊的工作要求，在工作過(guò)程中產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲，其產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重影響了工程機(jī)械駕駛員的心理和生理健康[1-3]。隨著噪聲法規(guī)不斷完善及用戶使用要求的提升，工程車輛NVH性能也受到了更多的關(guān)注，其中工程車輛駕駛室的噪聲特性分析和優(yōu)化也成為整車NVH開(kāi)發(fā)流程的重要環(huán)節(jié)，工程車輛駕駛室的聲振性能已經(jīng)成為評(píng)價(jià)整車性能的一個(gè)重要指標(biāo)[4-6]。工程車輛的NVH研究在我國(guó)起步較晚，相關(guān)成果和經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，工程車輛駕駛室噪聲的控制已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，振動(dòng)與噪聲控制研究課題對(duì)促進(jìn)工程技術(shù)發(fā)展有重要意義[7-10]。

本文主要針對(duì)工程機(jī)械駕駛室的隔聲、吸聲及聲振耦合等問(wèn)題開(kāi)展研究，通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合方式，針對(duì)所研究車型存在的噪聲問(wèn)題，基于LMS Virtual Lab運(yùn)用有限元方法建立駕駛室聲振耦合模型，找出聲學(xué)薄弱環(huán)節(jié)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)提出合理的改進(jìn)方案，在駕駛室壁板聲輻射較嚴(yán)重位置添加吸聲隔聲材料進(jìn)行降噪處理，針對(duì)性的對(duì)駕駛室進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)比優(yōu)化前后結(jié)果。

1 結(jié)構(gòu)聲學(xué)耦合分析

在工程實(shí)際中聲學(xué)與結(jié)構(gòu)是相互作用的，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以產(chǎn)生聲音，聲音也可以產(chǎn)生振動(dòng)。結(jié)構(gòu)與聲音之間相互作用的程度有所不同，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度比較小，而周圍的流體介質(zhì)的密度比較大的時(shí)候，結(jié)構(gòu)與聲音的相互作用就會(huì)比較大，例如密閉的薄壁結(jié)構(gòu)空間如工程車輛駕駛室、音響設(shè)備等，所產(chǎn)生的振動(dòng)與空氣的相互作用就比較大；反之，當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛度較大，而流體介質(zhì)的密度比較小的時(shí)候，結(jié)構(gòu)與聲音的相互作用就比較小，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，因發(fā)動(dòng)機(jī)的剛度很大，而空氣的密度較小，發(fā)動(dòng)機(jī)和空氣之間的耦合作用就很小。對(duì)于本文所研究的挖掘機(jī)駕駛室而言，因其由大量的薄壁結(jié)構(gòu)構(gòu)成的密閉空間，必須考慮結(jié)構(gòu)與空氣之間的相互作用，進(jìn)行聲固耦合分析。

運(yùn)用LMS Virtual Lab軟件對(duì)挖掘機(jī)駕駛室進(jìn)行聲固耦合分析，建立的結(jié)構(gòu)有限元模型及聲學(xué)有限元模型如圖1。

圖1 駕駛室結(jié)構(gòu)有限元模型及聲學(xué)模型

在LMS Virtual Lab中聲學(xué)分析模塊直接進(jìn)行聲固耦合分析。得出挖掘機(jī)駕駛室耦合模態(tài)及振型如圖2所示(在此給出0～100 Hz范圍內(nèi)的模態(tài)及振型圖)。

挖掘機(jī)駕駛室結(jié)構(gòu)和聲腔模態(tài)相互影響和作用，由低頻段0～100 Hz到高頻段相互作用的效果會(huì)越發(fā)明顯，耦合模態(tài)中左右側(cè)圍在大部分階次振型均有較為明顯的變形，而且，在第九階至第十一階(75～92 Hz)模態(tài)振型中駕駛室地板、頂棚和后圍也有較大變形，優(yōu)化中應(yīng)重點(diǎn)考慮增加相應(yīng)薄壁結(jié)構(gòu)的阻尼和吸聲隔聲處理，以提高駕駛室整體的振動(dòng)噪聲水平。

圖2 0～100 Hz駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)振型圖

2 實(shí)車摸底測(cè)試

測(cè)試采用了丹麥B&K的4189A021電容傳聲器及PULSE 3560C分析儀，相應(yīng)的記錄軟件為7701，分析軟件采用7700。測(cè)試分析儀器連接示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 噪聲測(cè)試儀器連接示意圖

測(cè)試工況分為背景工況(車輛處于未啟動(dòng)狀態(tài)，測(cè)量背景噪聲)和工作工況(發(fā)動(dòng)機(jī)在“怠速”、“檔位1”—“檔位10”共11個(gè)工況，測(cè)試各測(cè)點(diǎn)的噪聲)，詳見(jiàn)表1。

表1 挖掘機(jī)工作工況說(shuō)明

噪聲測(cè)試用于確定挖掘機(jī)駕駛室噪聲源和駕駛室內(nèi)噪聲的頻譜特性，便于分析對(duì)比減振降噪方案實(shí)施后的駕駛室內(nèi)噪聲控制效果。因此，測(cè)試中在噪聲主要傳播的途徑上布置相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在駕駛室內(nèi)選擇能夠代表司乘人員耳旁噪聲的點(diǎn)布置傳感器。車內(nèi)噪聲測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4和表2，測(cè)點(diǎn)實(shí)際安裝見(jiàn)圖5。

圖4 噪聲測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表2 各測(cè)點(diǎn)編號(hào)及描述

圖5 噪聲測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布圖

在目標(biāo)挖掘機(jī)的工作狀態(tài)噪聲測(cè)試之前，對(duì)停放車輛的試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了背景噪聲測(cè)試，測(cè)試時(shí)周圍環(huán)境無(wú)異常噪聲源，目標(biāo)挖掘機(jī)門窗均為關(guān)閉狀態(tài)，且切斷其所有動(dòng)力，當(dāng)工作狀態(tài)下的噪聲值與背景噪聲值之差大于10 dB(A)時(shí)，工作狀態(tài)下所測(cè)噪聲數(shù)據(jù)無(wú)需修正，背景噪聲統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表3。

表3 背景工況下各測(cè)點(diǎn)的噪聲值統(tǒng)計(jì)表

在目標(biāo)挖掘機(jī)進(jìn)行工作狀態(tài)噪聲測(cè)試時(shí)，對(duì)每一種工況采集3組數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)采集30 s。使用Overall分析儀進(jìn)行A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)分析，CPB分析儀進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析，分析頻率為22 kHz。

對(duì)降噪處理前、后挖掘機(jī)駕駛室各測(cè)點(diǎn)在各工況下的A計(jì)權(quán)噪聲值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 各測(cè)點(diǎn)在各工況下的噪聲值統(tǒng)計(jì)

由表4可知，N3測(cè)點(diǎn)(即駕駛員座椅位置)在各工況下的噪聲量普遍較大，最大噪聲值在發(fā)動(dòng)機(jī)8檔時(shí)達(dá)到81.7 dB，表明駕駛室地板輻射噪聲較大，應(yīng)對(duì)駕駛室地板進(jìn)行吸聲隔聲處理。N2測(cè)點(diǎn)位置在各工況下的噪聲量普遍較小，最小噪聲值在發(fā)動(dòng)機(jī)1檔時(shí)為64.3 dB。同時(shí)應(yīng)盡量降低司機(jī)耳旁噪聲，即N4、N5位置的噪聲。由以上分析可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果與聲振耦合分析結(jié)果相符，雖然存在誤差但結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性基本相符，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

為便于分析噪聲成分，識(shí)別噪聲源，對(duì)噪聲進(jìn)行頻譜分析，采集數(shù)據(jù)后由Pulse分析儀分析得出駕駛室噪聲頻譜特性如圖6所示，由于篇幅所限在此僅給出怠速和10檔兩種工況下的頻譜特性圖。

由圖6各工況下頻譜圖可分析得到各測(cè)點(diǎn)的噪聲具有以下特性：

1)各工況下頻譜特性有所不同：“怠速”工況時(shí)的主要噪聲頻帶分布較寬，主要集中在50～1000 Hz，與“怠速”工況相比，其他工況的噪聲主要頻帶變窄，主要集中于200～1000 Hz。

2)各工況下，所有測(cè)點(diǎn)在低頻段50 Hz中心頻率、中高頻段的200 Hz和700 Hz中心頻率均有較明顯的噪聲峰值。

圖6 駕駛室噪聲頻譜特性

對(duì)比車外N6 測(cè)點(diǎn)的頻譜曲線可知，中高頻段的噪聲來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲激勵(lì)，低頻段的噪聲主要來(lái)源于駕駛室的結(jié)構(gòu)輻射噪聲。本文重點(diǎn)討論駕駛室結(jié)構(gòu)輻射噪聲的優(yōu)化，由此可知通過(guò)優(yōu)化駕駛室結(jié)構(gòu)輻射噪聲可降低駕駛室內(nèi)的低頻噪聲，改善駕駛室噪聲性能。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)聲學(xué)耦合分析結(jié)果，應(yīng)對(duì)駕駛室后圍壁板及地板涂裝阻尼吸聲材料，以減小其結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲，更換頂棚及側(cè)圍吸聲材料以降低駕駛員耳旁噪聲值。

3 駕駛室降噪方案

結(jié)合以上駕駛室結(jié)構(gòu)聲學(xué)耦合分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)駕駛室進(jìn)行以下優(yōu)化：

1)對(duì)駕駛室地板和后圍中部壁板涂裝阻尼吸聲材料，并覆蓋一層吸聲材料，以降低地板及后圍的板面振動(dòng)輻射噪聲；

2)對(duì)駕駛室頂棚吸聲隔聲材料進(jìn)行改進(jìn)，更換吸聲隔聲性能更佳的材料，以降低駕駛員耳旁噪聲值；

3)對(duì)駕駛室側(cè)圍吸聲隔聲材料也進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

改進(jìn)后，以同樣的測(cè)試方法對(duì)改進(jìn)后的駕駛室進(jìn)行噪聲實(shí)驗(yàn)，得出進(jìn)行降噪處理后駕駛室噪聲各測(cè)點(diǎn)的噪聲值如表5所示。

表5 降噪處理后駕駛室各測(cè)點(diǎn)噪聲值

對(duì)比表4與表5可得出駕駛室降噪前后各測(cè)點(diǎn)噪聲值的降低量如表6所示，由于N6為駕駛室外的測(cè)點(diǎn)，故噪聲值降低量中的N6測(cè)點(diǎn)不做統(tǒng)計(jì)。

表6 駕駛室降噪前后各測(cè)點(diǎn)噪聲值降低量

各測(cè)點(diǎn)噪聲值對(duì)比圖，由于篇幅所限在此只給出N3和N5的對(duì)比圖如圖7所示。

從表6和圖7中測(cè)點(diǎn)在各工況下的噪聲值對(duì)比可以得出：

1)挖掘機(jī)駕駛室在經(jīng)過(guò)降噪處理后，噪聲值在各測(cè)點(diǎn)位置均有不同程度的降低，其中N3 測(cè)點(diǎn)位置在發(fā)動(dòng)機(jī)10檔時(shí)，最大噪聲降低量達(dá)到6.2 dB。

圖7 測(cè)點(diǎn)在各工況下的噪聲值對(duì)比

2)挖掘機(jī)駕駛室在經(jīng)過(guò)降噪處理后：N3和N4測(cè)點(diǎn)位置在各工況下的噪聲量普遍較大，其中N3測(cè)點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)7檔時(shí)的噪聲值最大，為78.1 dB。N2和N5測(cè)點(diǎn)位置在各工況下的噪聲量普遍較小，其中N5測(cè)點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)1檔時(shí)的噪聲值最小，為63.4 dB。

3)以噪聲量值降低3 dB(包含未達(dá)到、約為3 dB的值)以上的工況判斷，分析表6中“噪聲值降低量”可知：N1、N3和N5測(cè)點(diǎn)位置噪聲值降低量明顯，最大噪聲的降低量分別達(dá)到6.2 dB、5.2 dB和4.5 dB。

4 結(jié)論

1)降噪處理前，各測(cè)點(diǎn)中，N3測(cè)點(diǎn)位置噪聲狀況最差，N2測(cè)點(diǎn)位置噪聲狀況最好。降噪處理后，N3測(cè)點(diǎn)噪聲量值大幅度降低，N3測(cè)點(diǎn)位置和N4測(cè)點(diǎn)位置的噪聲狀況控制在一個(gè)水平，同時(shí)，噪聲狀況相對(duì)較好的為N2測(cè)點(diǎn)位置和N5測(cè)點(diǎn)位置。表明挖掘機(jī)駕駛室內(nèi)部的降噪處理措施有效的控制了駕駛室內(nèi)的噪聲狀況。

2)N5測(cè)點(diǎn)(司機(jī)右耳旁)在各工況下的噪聲值降低量比較明顯，提高了司機(jī)的操作舒適性。

5 總結(jié)

本文通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合手段，解決工程實(shí)際問(wèn)題。應(yīng)用聲振耦合分析對(duì)駕駛室進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)構(gòu)聲學(xué)輻射薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)實(shí)車駕駛室進(jìn)行噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并分析駕駛室噪聲頻譜特性，找出噪聲源。針對(duì)性的提出改進(jìn)方案，駕駛室降噪效果取得較明顯的改善。體現(xiàn)了聲振耦合分析有限元方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)合解決實(shí)際問(wèn)題的可行性，為工程機(jī)械駕駛室噪聲分析提供參考。