基于VAOne的汽车车内全频段噪声问题的研究综述

高岩

摘 要：世界各大汽车厂商以及汽车研究机构均致力于研究如何降低车内噪声水平，该文基于ESI集团的VA One综述了汽车车内全频段噪声预测分析方法，论述了车内低频、高频和中频噪声的研究现状，对汽车车内全频段噪声预测分析的研究做了展望。

关键词：VA One 车内全频段噪声

中图分类号：U467.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（c）-0061-02

随着汽车技术的不断进步，人们对汽车产品舒适性要求的不断提高，世界各国对汽车车内噪声限值要求更加严格，因此，世界各大汽车厂商以及汽车研究机构均致力于降低车内噪声，以满足广大消费者和政府法规的要求。汽车车内噪声包括低频噪声、中频噪声和高频噪声，构成了车内全频段噪声。针对不同频率段的噪声特性，利用CAE技术与数值计算相结合的方法，如有限元分析方法（Finite Element Method，FEM）、统计能量分析方法（Statistical Energy Analysis，SEA）以及混合FE-SEA分析方法（Hybrid FE-SEA Analysis）等，再结合先进的试验方法，可以分别进行有效地预测。在汽车研发初期，对车内全频段噪声的预测分析，可以为新车型的正向设计开发提供较为准确的整车噪声特性，从而避免大量的试制样机和重复试验，缩短了开发周期和降低了研发成本。法国ESI集团于2005年推出了全频段振动噪声分析软件VA One，它把FEM、SEA以及Hybrid FE-SEA Analysis集中于统一的模拟环境。同时，提供了一种有限元和统计能量分析严格的耦合形式，能够统一而可靠地进行全频谱范围的求解[3]。

1 车内噪声预测分析的研究现状

在汽车产品开发过程中，对车内全频段噪声的预测是一项非常复杂的工程。随着数值计算方法和计算机技术的不断进步，各种数值计算方法和商业软件大量涌现，对分析车内全频段噪声起到了关键作用。其中，在现有的商业软件中，VA One可以对汽车车内全频段噪声进行预测分析。

1.1 车内低频噪声预测

汽车车内低频噪声主要是由车身板件结构的振动引起的车内声压分布的变化而产生的噪声，其频率范围一般为20～200 Hz。现阶段对车内低频噪声的预测主要应用FEM来研究。FEM在声学领域的应用，最早由G.M.L. Gladwell和G. Zimmermann于1966年提出。A. Cragges等将FEM应用于不规则封闭空间声场和声学模态分析，FEM开始正式应用于解决车内声场与振动的耦合问题。随后，国内外一些专家学者进行了大量研究工作。

通过分析车内低频噪声问题的VA One模型，分别建立车身结构和车内声腔的有限元模型，通过这两个模型可以分析车身结构模态，车内声腔的声学模态，接下来可以通过VA One中建立二者的声固耦合面连接，然后建立车内低频噪声分析模型，分析结构与声腔的耦合响应，来研究车内某一点的噪声声压级。还可以通过结构模态参与因子、声学模态参与因子、车身板件的贡献量、声学灵敏度等分析，可以有效地进行汽车车身结构模型的改进设计，来满足车内低频噪声的要求。

1.2 车内高频噪声预测

汽车车内高频噪声通常是频率大于1 000 Hz的空气声，一般采用SEA来分析。SEA是20世纪60年代初发展起来的解决高频声振问题的有效方法。它从统计的角度分析统计密度集模态平均的振动能量传递水平，利用所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。早期主要应用于航空领域。到了90年代，SEA的应用开始扩展到汽车领域。

SEA可以单独分析汽车SEA子系统的声学特性。Q. Zhang等建立了车门子系统的SEA模型，该模型包括外壳、车门声腔、车门内部金属片、空气屏障和内饰，在声传递损失测量中考虑了漏声问题，并提出漏声对车门系统的整体声学性能有着重要影响。还有人对汽车挡泥板、防火墙、挡风玻璃等子系统应用SEA进行隔声、吸声特性分析。SEA可以分析汽车整车系统的声学特性。M.G. Foulkes等对汽车空气传播的道路噪声进行了预测，建立整车SEA模型，预测车内噪声传递路径，采用插入损失测量方法对SEA预测的噪声传递路径进行修正。同时，SEA可以用于汽车声学包的设计开发，利用整车SEA模型计算汽车声学包的声传递损失和吸声系数，并对其进行优化设计，使声学包的性能、重量和成本满足最优的开发要求。

相比于FEM确定性的分析方法，SEA是从统计的意义出发，运用能量的观点来预测分析汽车车内高频噪声问题。现在VA One软件中的高频分析功能集成了振动噪声著名软件AutoSEA2，在VA One中，通过理论计算和试验的方法，建立汽车每个SEA子系统的参数（模态密度、内损耗因子等）和各个子系统间的耦合损耗因子来建立整车SEA模型，确定整车SEA模型的激励工况，来预测分析汽车各个SEA子系统的声学特性和汽车车内高频噪声问题。

1.3 车内中频噪声预测

前面所述，汽车车内低频噪声问题采用FEM来研究，高频噪声问题采用SEA来研究。对于汽车车内中频噪声问题，单独使用FEM或者SEA都不能很好地解决，于是人们提出了一种将FEM与SEA相结合的新方法——Hybrid FE-SEA方法，它采用动力平衡方程和功率平衡方程计算声振系统的响应。通常，汽车车内中频噪声的频率范围为200～1 000 Hz。在这个频段内，某些子系统的动态响应由结构整体模态控制，而某些子系统的动态响应则由局部模态控制，这种系统内既有整体模态控制的强耦合子系统，又有由局部模态控制的弱耦合子系统，这类结构的动态响应问题就成为典型的中频问题。

为了分析中频噪声问题，国外许多学者致力于研究Hybrid FE-SEA方法。相比于FEM和SEA方法，Hybrid FE-SEA方法的研究起步较晚，于1999年才被提出。R.S. Langley和P. Bremner对Hybrid FE-SEA建模分析技术的发展做出了重要贡献，基于模态叠加原理，结合传统的模糊结构理论及SEA方法，提出了一种新的求解复杂结构振动响应的混合方法。Hybrid FE-SEA方法可以作为SEA的补充，在SEA模型的基础上，将对响应影响较大的子系统详细化，这样可以有效地提高响应的预测精度，目前，VA One是唯一能够进行Hybrid Model建模和分析的商业软件。在VA One频噪声分析模型中，可以建立声振系统的Hybrid FE-SEA模型，将FE子系统与SEA子系统耦合在一起解决中频声振系统的预测问题。

2 结论和展望

在汽车产品设计开发初期，利用VA One建立汽车车内全频段噪声模型，可以对汽车结构进行设计以及车内声学包进行开发设计，并对车内全频段噪声水平进行预测分析，可以大量缩短开发周期，节约开发成本。

参考文献

[1] 李德玉，欧礼坚，赵成璧.长T型声共振器在船舶噪声控制中的应用[J].广东造船，2012（6）：58-61.

[2] 黎胜，赵德有.用有限元/边界元方法进行结构声辐射的模态分析[J].声学学报，2001（2）：174-179.