新能源汽車低頻振動噪聲傳遞路徑模擬方法

洪 亮，嚴(yán)世榕

(1. 福建工程學(xué)院，福建 福州 350118；2. 福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350116)

1 引言

新能源汽車主要是將新能源作為動力來源，從環(huán)境與資源方面考慮，開發(fā)新能源汽車能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，無論對汽車領(lǐng)域還是環(huán)保領(lǐng)域來說均是一次突破性嘗試。隨著人們對汽車行駛過程中的噪聲、振動與聲振粗糙度越來越關(guān)注，噪聲水平已經(jīng)成為評價汽車品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，為提高客戶滿意度，加強新能源汽車市場競爭力，為此各大汽車制造商已經(jīng)將降低車內(nèi)噪聲作為重要研究方向。

為解決以上問題，文獻(xiàn)[1]提出基于Warshall-Floyd算法的噪聲傳遞路徑模擬方法。該方法結(jié)合統(tǒng)計能量分析振動子系統(tǒng)，通過賦權(quán)圖方式分析噪聲傳遞路徑。把相似模態(tài)群抽象為賦權(quán)圖頂點，根據(jù)能量守恒方程構(gòu)建頂點之間連接關(guān)系，利用路徑傳遞效率與統(tǒng)計熵相結(jié)合的方法將噪聲物理模型變?yōu)闄?quán)值矩陣。采用Warshall-Floyd算法獲取噪聲主要傳遞路徑，分析不同路徑上的噪聲差異，根據(jù)權(quán)值矩陣計算噪聲傳遞過程中的權(quán)重，進而實現(xiàn)噪聲傳遞路徑模擬。文獻(xiàn)[2]提出一種新能源汽車空調(diào)風(fēng)道氣動噪聲模擬方。該方法為尋求一種高精度噪聲傳遞路徑模擬方法，首先利用RNC湍流模型和SSTk-wDES模型分別計算穩(wěn)態(tài)流場和瞬態(tài)流場，再通過聲類比法直接模擬噪聲。通過仿真結(jié)果證明，此種方法模擬結(jié)果與真實噪聲值基本一致。

這兩種方法可以有效識別噪聲傳遞路徑，但并未對新能源汽車低頻噪聲分布規(guī)律進行深入研究，為解決該問題，本文對新能源汽車低頻振動噪聲傳遞路徑模擬方法進行研究。

2 聲振耦合振動方程構(gòu)建

2.1 車身內(nèi)飾材料聲學(xué)特征分析

通常情況下，一般利用吸聲系數(shù)與聲阻抗表示材料聲學(xué)性質(zhì)參數(shù)[3]。當(dāng)新能源汽車中的吸聲材料接收到聲波時，其中一部分聲波被吸收，剩余部分被反射。吸聲系數(shù)α表示吸收聲和入射聲能之間比值

(1)

式中，Ei，Ea與Er分別代表入射聲波、反射聲波和被吸收聲波。結(jié)合α定義可知，如果材料不具有吸聲性能，則聲波會被全部反射[4]，此時α=0；如果材料將聲波全部吸收，則α=1。

一般情況下，將吸聲系數(shù)高于0.2的材料稱作吸聲材料，高于0.5的則是完美吸聲材料。聲阻抗代表在聲波存在的介質(zhì)中，任意一點瞬時聲壓P和此點質(zhì)元速度v的比值，表示為Zs。聲阻抗屬于一個復(fù)數(shù)量，由實部聲阻與虛部聲抗構(gòu)成。聲阻能夠體現(xiàn)能量消耗情況，此種消耗是指能量在運動過程中從某個位置向另一位置的轉(zhuǎn)移，而不代表聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闉闊崮艿暮纳ⅰＲ虼?，利用聲阻與聲抗表現(xiàn)材料所具備的聲學(xué)特性。

2.2 構(gòu)建低頻振動方程

為提高新能源汽車低頻振動噪聲傳遞路徑模擬結(jié)果精準(zhǔn)度，不但要考慮駕駛室結(jié)構(gòu)的低頻振動特征，而且要分析空腔流體的聲學(xué)性質(zhì)。駕駛室整體結(jié)構(gòu)受到激勵從而引起振動的同時，也會受到流體介質(zhì)反作用。低頻振動產(chǎn)生的噪聲會經(jīng)過駕駛室二產(chǎn)生放大或縮小，但只有經(jīng)過耦合作用，才會構(gòu)成最終噪聲。

(2)

式中，[Mc]代表結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣，[Ce]表示結(jié)構(gòu)阻尼矩陣，[Ke]為結(jié)構(gòu)剛度矩陣，{Fe}則屬于結(jié)構(gòu)外部激勵[5]。

(3)

式中，{N}代表位移單元形函數(shù)，{n}表示聲腔耦合面單位矢量。

(4)

將式(4)帶入到式(3)中得到

(5)

再將式(5)帶入到低頻振動方程中

(6)

能夠?qū)⒘黧w力學(xué)公式與連續(xù)方程能夠簡化為聲波方程。為實現(xiàn)低頻振動耦合方程整體化，將式(2)與式(6)進行合并，得到低頻振動方程

(7)

3 噪聲傳遞路徑模擬方法設(shè)計

3.1 基本原理

傳遞路徑模擬的核心是基于假設(shè)：整合不同路徑所有噪聲組成部分，分析噪聲總體響應(yīng)

(8)

式中，Pk表示k處總體聲壓值，Pijk代表傳遞路徑i在j方向k處總聲壓的部分貢獻(xiàn)量[6]，其表達(dá)式為

Pijk=Hijk·Sij

(9)

式中，Hijk表示傳遞路徑i中在j方向k處的噪聲傳遞函數(shù)，Sij描述路徑i中j方向的實際激勵。

由式(9)可知，傳遞路徑模擬需要對傳遞函數(shù)與實際激勵進行測量。

3.1.1 傳遞函數(shù)構(gòu)建

通過力錘激勵法對傳遞函數(shù)進行測量。測量過程中，通過安裝傳感器的力錘在懸置位置附近激勵，在此過程中選用經(jīng)過標(biāo)定的力錘，錘頭通常為鋼頭，也可選擇塑料頭和橡膠頭代替[7]。一般每個位置敲擊5～7次，計算最終平均結(jié)果。結(jié)構(gòu)-聲學(xué)傳遞表達(dá)式如下

Hmaijk=Pijk/fij

(10)

式中，Hmaijk表示結(jié)構(gòu)-聲學(xué)傳遞函數(shù)，fij代表傳遞路徑i中j方向的激勵向量。

3.1.2 激勵力測量

真實激勵可以表示為力或體積速度。通常利用間接方法估算獲得，并不是直接測量，因而本文選擇懸置剛度法對其進行測量。針對傳遞路徑而言，激勵位置與接收位置是利用懸置連接的，真實力能夠通過懸置剛度矩陣K(w)與懸置不同支點間位移差獲得

fi(w)=K(w)·(Xi(w)-Xt(w))

(11)

式中，fi(w)是噪聲在傳遞路徑i上所產(chǎn)生的激勵力，K(w)表示懸置剛度矩陣，Xt(w)與Xi(w)分別代表懸置下、上支點的真實位移。

利用此方法獲取懸置支點的真實位移非常重要，位移通常是經(jīng)過測量加速度獲得。測量過程中，將加速度傳感器安裝在懸置點附近，由于受到空間限制，安裝會存在一定難度，但是如果距離懸置點較遠(yuǎn)，獲取的加速度則不能反映低頻振動特性。在對懸置剛度測量時，需要最大程度利用接近實際環(huán)境的力加載[8]。

3.2 修正系數(shù)確定

為提高模擬精準(zhǔn)度，需要對輸入的低頻振動信號進行系數(shù)修正。如果信號之間沒有關(guān)聯(lián)性，可以直接利用相干函數(shù)來確定修正系數(shù)，但是大多數(shù)情況下信號之間是存在相互影響的。此時如果直接確定修正系數(shù)，會導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際結(jié)果存在較大偏差，因此必須去除輸入信號和其它信號相關(guān)部分，再計算殘余信號對輸出造成的影響。本文利用偏相干分析法選取修正系數(shù)，表示為

(12)

3.3 傳遞路徑模擬

本文利用多維低頻振動傳遞系統(tǒng)對噪聲路徑進行模擬。多維振動通常存在很多振動激勵，任意一個激勵源對應(yīng)著不同的噪聲傳遞路徑，并將振動能量傳送到接受端結(jié)構(gòu)。由于接受端結(jié)構(gòu)具有柔體特征，任何一個輸入端均有來自不同方向的能量輸入。同時激勵源結(jié)構(gòu)、每條路徑與接受端之間存在復(fù)雜的動態(tài)響應(yīng)，因此噪聲傳遞路徑模擬屬于一項重要而復(fù)雜的工作。

3.3.1 有效點導(dǎo)納

導(dǎo)納是指激勵和其引起的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)之間的比值。在噪聲傳遞路徑模擬過程中，輸入點速度響應(yīng)全部作用于此點，因此速度響應(yīng)由此點導(dǎo)納和簡諧波激勵的乘積表示

V=HF

(13)

式中，F(xiàn)表示簡諧波激勵，H表示導(dǎo)納。此點導(dǎo)納也可以由與其相對的力與速度描述

(14)

針對新能源汽車低頻振動引起的噪聲，某點速度響應(yīng)不單是由輸入點的簡諧波激勵引起，而是由接受端輸入點相互耦合作用產(chǎn)生的[10]。因此，輸入速度響應(yīng)計算公點式表示為

Vi=Hi，1F1+Hi，2F2+…+Hi，jFi+…+Hi，nFn

(15)

結(jié)合導(dǎo)納初始定義，將上述表達(dá)式兩端同時除以Fi得出

(16)

所以，上述公式左端任意點同向速度響應(yīng)和激勵力比值即表示有效點導(dǎo)納。它為不同導(dǎo)納和各力之間比值乘積的線性組合。結(jié)合公式右端激勵力作用點和方向差異性，將有效點導(dǎo)納記為下述形式

(17)

3.3.2 噪聲傳遞路徑模擬

在獲取有效點導(dǎo)納后對低頻振動噪聲傳遞路徑進行模擬。車輛運行過程中通常會受到多種激勵共同作用，因此噪聲響應(yīng)產(chǎn)生于多維路徑[11]。

一般情況下，針對線性時不變系統(tǒng)而言，任意點的低頻振動噪聲響應(yīng)等于每個激勵源單獨產(chǎn)生響應(yīng)之和。若只分析接受端結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒑退噙B的每條傳遞路徑的荷載當(dāng)做外界激勵，由荷載作用產(chǎn)生的部分相應(yīng)，稱作響應(yīng)分量。計算公式如下

(18)

式中，R表示噪聲激勵響應(yīng)，Ri代表傳遞路徑i的響應(yīng)分量。響應(yīng)分量投影之后和響應(yīng)總量比值就是貢獻(xiàn)度，計算公式為

(19)

結(jié)合上述公式與疊加原理，即可計算多維低頻振動噪聲下傳遞路徑響應(yīng)點的總體響應(yīng)

(20)

對于傳遞路徑響應(yīng)分量的模擬，必須結(jié)合上述廣義激勵和傳遞函數(shù)，廣義速度和廣義力之間存在下述關(guān)系

Fi=Zi，1V1+Zi，2V2+…+Zi，jVi+…+Zi，NVN

(21)

結(jié)合有效點導(dǎo)納計算公式分別獲取廣義力與廣義速度

(22)

(23)

將獲得的廣義力、速度表達(dá)式帶入到響應(yīng)分量表達(dá)式中，即可模擬每條傳遞路徑的貢獻(xiàn)量與貢獻(xiàn)度[12]，并對所有路徑進行排序，從而獲取噪聲傳遞路徑模擬結(jié)果，表示為

(24)

4 仿真數(shù)據(jù)分析與研究

為驗證新能源汽車低頻振動噪聲傳遞路徑模擬方法的應(yīng)用效果，進行仿真。將3.4 GHz雙核處理器，4 GB內(nèi)存，M40顯卡，Ubuntu14.04操作系統(tǒng)作為實驗測試平臺，仿真軟件為Mtalab.7.2。選擇文獻(xiàn)[1]方法與文獻(xiàn)[2]方法作為實驗對比方法，比較不同方法的綜合性能。

比較不同方法對于新能源汽車低頻振動噪聲估計值，并與實際值進行比較，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方法噪聲估計值與實際值比較

分析圖1可知，與文獻(xiàn)方法相比，研究方法對于新能源汽車低頻振動噪聲的估計值與實際值最為接近，說明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)低頻振動噪聲精準(zhǔn)估計，為下一步新能源汽車低頻振動噪聲傳遞路徑模擬奠定基礎(chǔ)。

在上述實驗的基礎(chǔ)上，比較三種方法的低頻振動噪聲傳遞路徑模擬時間，結(jié)果如圖2所示。

圖2 模擬時間比較

分析上圖可知，研究方法的新能源汽車低頻振動噪聲傳遞路徑模擬時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實驗對比方法，驗證了該方法的有效性。

比較不同方法對于新能源汽車低頻振動噪聲傳遞路徑模擬準(zhǔn)確率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 模擬準(zhǔn)確率比較

分析圖3可知，與文獻(xiàn)方法相比，研究方法的模擬準(zhǔn)確率高，能夠?qū)崿F(xiàn)對于新能源汽車低頻振動噪聲傳遞路徑的精準(zhǔn)模擬。

5 結(jié)論

為降低新能源汽車低頻噪聲，在分析噪聲分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，進行噪聲傳遞路徑進行模擬。計算吸收聲與入射聲比值，以此反映車身內(nèi)飾材料聲學(xué)特性，建立低頻振動方程。分析傳遞路徑基本原理，分別對傳遞函數(shù)與激勵力進行測量，確定修正系數(shù)。通過多維低頻振動系統(tǒng)對傳遞路徑模擬，計算不同路徑響應(yīng)分量，并將廣義力與廣義速度帶入到分量中，實現(xiàn)新能源汽車低頻噪聲傳遞路徑模擬。仿真結(jié)果表明，所提方法噪聲估計精準(zhǔn)度高，模擬時間短，模擬準(zhǔn)確率高，有利于噪聲源識別。