某拖拉机驾驶室声学特性分析与改进

李 贵,陈洪涛,孙黎明,王志鹏,郑志昊

（拖拉机动力系统国家重点实验室，洛阳拖拉机研究所有限公司，河南 洛阳 471039）

某拖拉机驾驶室声学特性分析与改进

李 贵,陈洪涛,孙黎明,王志鹏,郑志昊

（拖拉机动力系统国家重点实验室，洛阳拖拉机研究所有限公司，河南 洛阳 471039）

为了降低拖拉机驾驶室内中高频噪声，建立基于统计能量分析（SEA）方法的驾驶室内噪声预测模型。通过理论计算和试验方法确定模型的基本参数和激励输入，通过仿真与试验对比验证了SEA模型的准确性。最后对驾驶室内声腔的功率输入分析，得到对驾驶室内噪声贡献较大的板件子系统，据此提出有针对性的声学包装改进方案，仿真结果表明该声学包装设计方案可以有效降低驾驶室内中高频噪声，总声压级降低1.87 dB(A)，为拖拉机驾驶室内噪声控制及声学包装优化提供有效依据。

声学；拖拉机；驾驶室噪声；统计能量分析；声学包装

驾驶室内噪声是影响驾驶员乘坐舒适性的一个重要指标，降低驾驶室内噪声水平进而改善驾驶室内声品质也越来越被厂家所重视。对于驾驶室内噪声的研究，主要方法有有限元法（FEM）、边界元法（BEM）以及统计能量分析方法（SEA）。有限元方法常用于200 Hz以下的低频，边界元方法拓宽了有限元法的频率范围，但对于大型模型也只适用于400 Hz以下的频率范围，而统计能量分析方法适用于400 Hz以上中高频段噪声分析。虽然SEA方法已在航空航天、汽车等领域广泛应用，但目前国内针对拖拉机的中高频噪声的研究还比较欠缺。本文针对某拖拉机驾驶室内噪声，运用B&K公司Pulse噪声测量分析系统，对驾驶室内声场混响时间进行了测量，以此为基础确定了驾驶室内声场阻尼损耗因子，通过测量驾驶室前后悬置振动加速度以及驾驶室各面板声压级确定了仿真需要输入的振动、噪声激励载荷，通过试验验证了仿真计算的准确性，通过仿真分析提出了有针对性的声学包装改进方案。

1 拖拉机室内噪声的SEA方法

1.1 SEA方法的基本原理

统计能量分析方法之所以能高效求解高频宽带随机激励的动力学响应是因为该方法将复杂的结构系统划分为不同的子系统（模态群），即从空间平均的意义上求解子系统的响应，而并不单独精确计算每个模态的响应[1]。通过功率流平衡方程求解结构与结构、结构与声腔各子系统间的能量流动关系以及各子系统的能量，进而得到各子系统的振动或声压响应。

1.2 拖拉机驾驶室SEA子系统划分

基于拖拉机驾驶室的CAD模型，如图1所示，利用声学仿真软件，通过创建节点的方式建立结构子系统和声腔子系统。

图1 驾驶室结构示意图

拖拉机驾驶室梁骨架为梁单元子系统，将地板、挡风玻璃、车门玻璃等简化为平板或曲面板子系统，最终模型划分为134个结构子系统和3个声腔子系统。

1.3 拖拉机驾驶室SEA参数确定

统计能量分析模型中需要的基本参数为模态密度、耦合损耗因子和内损耗因子。

对于简单的板梁子系统以及子声场系统的模态密度可以通过理论公式计算得到[2]。对于复杂结构的模态密度主要有两种方法：模态计数法和导纳法。模态计数法及导纳法可以通过有限元模态分析或模态试验测试得到[3]。

对于简单的结构子系统的内损耗因子可以通过理论经验公式得到。对于复杂结构子系统的内损耗因子可以通过试验测量得到[4]。

对于声腔的内损耗因子可以通过测试混响时间得到。混响时间是指声腔内声能量级衰减60 dB所需要的时间，一般用T60来表示。工程上由于测量环境的本底噪声往往较高、声激励条件有限，当声能量级不能衰减60 dB时，也会用衰减幅值为20 dB或30 dB的混响时间来表示，即T20或T30。采用B&K数采前端、中低频体积声源、体积声源功放以及传声器来测试驾驶室内的混响时间。

测试时在被测声腔中安放体积声源来对声场施加声激励，在驾驶室内均布若干传声器。体积速度声源固定在方向盘中心，出口方向同方向盘立柱一致，如图2所示。

图2 驾驶室内混响时间测试

通过测量多次，然后取平均值得到驾驶室内混响时间T60，如图3所示，再由下面的公式（1）计算得到驾驶室内声腔阻尼损耗因子

式中f为1/3倍频程中心频率

图3 驾驶室平均混响时间

经过计算得到驾驶室声腔的内损耗因子如图4所示，其中2 0 Hz～160 Hz声腔损耗因子计算时都取160 Hz的混响时间。

图4 驾驶室声腔内损耗因子

耦合损耗因子是描述两个子系统之间耦合作用大小的一种度量，在驾驶室统计能量分析模型中有点连接、结构与结构之间的线连接以及结构与声腔的面连接。耦合损耗因子可以通过理论公式计算得到[5]。

2 SEA激励输入测试与仿真分析

2.1 驾驶室悬置振动激励测试

试验在空旷的场地进行，通过B&K数采前端采集驾驶室四个悬置上（车身侧）三向振动加速度信号，前后悬置测点位置如图1所示。分别测试定置状态下怠速和额定转速下（2 200 r/min）的振动加速度，然后通过后处理得到三分之一倍频程的加速度频谱。

图5所示为额定转速下右前悬置上的振动加速度频谱，其中X向是指拖拉机前后方向，Y向是拖拉机左右方向，Z向是垂向。限于篇幅，其它悬置点不再列出。

图5 驾驶室右前悬置上振动加速度

2.2 驾驶室壁板声载荷激励测试

测量振动激励信号的同时对各个壁板子系统（如门玻璃、前档玻璃、上顶板等）的声载荷激励进行测量，用B&K2250E手持式精密声级计对各个面测量多点，然后取平均值作为该面的声激励载荷。图6为距离前挡玻璃15 cm处噪声声压级值。

图6 驾驶室前挡玻璃处噪声声压级

2.3 驾驶室内噪声预测与试验验证

将试验和理论计算的模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子以及振动激励和声载荷激励施加到拖拉机驾驶室SEA模型上，并按照实际情况对模型进行声学包装处理。图7和图8分别是怠速和额定转速下仿真计算结果和试验测试结果对比。

从图7和图8可以看出，在400 Hz以下频段内，仿真计算结果与试验测试结果误差离散度较大，在400 Hz以上中高频段内仿真与试验结果吻合较好，误差一般在3 dB(A)以内。在怠速综合声压级预测值比测试值大0.62 dB(A)，在额定转速综合声压级预测值比测试值大0.85 dB(A)。说明SEA方法对车内中高频噪声预测是准确的，满足工程应用要求，在此基础上可以开展相关优化分析。

图7 怠速驾驶室噪声仿真计算与试验对比

图8 额定转速驾驶室噪声仿真计算与试验对比

3 声学包装改进措施仿真分析

3.1 驾驶室内声腔功率输入分析

通过对驾驶室统计能量分析模型中各壁板子系统对车内声腔的功率输入分析，可以发现对车内噪声贡献较大的板件子系统，如图9所示。从图中可以看出，对车内噪声贡献较大的板件子系统为：前挡玻璃和前、后地板。

图9 板件对声腔的输入功率

3.2 声学包装改进

原驾驶室前地板铺设有吸声材料为PE泡沫，隔声材料为硬质橡胶，后地板铺设有PVC塑料，考虑到成本、布置空间和重量的限制比较了几种不同的地板声学包装方案，如表1所示。

表1 地板声学包装方案

图10是几种声学包装方案预测结果比较，从图中可以看出，增加吸声材料厚度对驾驶室内噪声降低效果有限，前后地板都铺设吸声材料效果较好，方案3、方案4与原地板内饰相比，驾驶室内总声压级分别降低了0.71 dB(A)和0.74 dB(A)。

图10 地板声学包装方案比较

由声腔功率输入分析可知，前档玻璃对驾驶室内噪声贡献较大，所以对前档玻璃设计了几种优化方案，如图11所示。其中，中空玻璃空气层厚度为10 mm，夹层玻璃阻尼厚度为3 mm，加厚玻璃为9 mm。

图11 前档玻璃声学控制措施比较

通过比较可以看出降噪效果最好的是夹层阻尼玻璃，驾驶室内总声压级降低了为0.98 dB(A)。中空玻璃虽然在2 000 Hz以后相比原玻璃有降噪效果，但在315 Hz～1 250 Hz频段内都比原玻璃声压级高，主要原因是中空玻璃和中间空气层弹簧振子系统共振导致。加厚原玻璃方案导致玻璃子系统临界吻合频率降低，降噪效果不明显。

综合地板方案3和前档玻璃夹层阻尼两种改进措施可以有效降低驾驶室内噪声水平，总声压级降低1.87 dB(A)，如图12所示。

图12 综合改进前后对比

5 结语

(1)建立了拖拉机驾驶室内声场统计能量分析模型，通过试验测试和理论计算的方法确定了SEA模型的主要参数和激励输入。

(2)在400 Hz～5 000 Hz的中高频段1/3倍频程仿真计算值和测试值相差在3 dB(A)以内，20 Hz～5 000 Hz频段总声压级相差在1 dB(A)以内，验证了该仿真模型在中高频噪声预测方面的准确性和有效性。

(3)在对声腔输入功率分析的基础上，得出了主要能量传递路径，有针对性地提出了优化改进方案，对拖拉机驾驶室内噪声控制具有重要的指导意义。

[1]姚德源，王其政.统计能量分析原理及其应用[M].北京：北京理工大学出版社，1995.

[2]LYON R H.Statistical energy analysis of dynamical systems:Theory and application[M].MIT Press,1975.

[3]陈书明.轿车中高频噪声预测与控制方法研究[D].长春：吉林大学，2011.

[4]宋继强.商用车驾驶室内中高频噪声的分析预测与控制[D].长春：吉林大学，2010.

[5]车勇，刘浩，郭顺生，等.基于SEA模型的纯电动汽车内噪声预测[J]. 武汉理工大学学报，2013，35（5）：628-630.

Analysis and Improvement forAcoustic Performance of a Tractor Cab

LI Gui,CHE Hong-tao,SUN Li-ming,WANG Zhi-peng,ZHENG Zhi-hao
（State Key Laboratory of Power System of Tractor,Luoyang Tractor Research Institute Co.Ltd.,Luoyang 471039,Henan China）

A prediction model for tractor cabs is established based on statistical energy analysis(SEA)method to study the reduction of the interior noise of the cabs in the middle and high frequency range.The basic parameters,such as modal density,damping loss factor and coupling loss factor are calculated.The input of the vibration and noise excitation is measured.The validity of the SEA model is verified by comparing the test results with the simulation data.The subsystems which have main contributions to the cab noise are obtained by analyzing the power input of the inner cavity.Based on this,the improvement strategy of sound package is proposed.The simulation optimal results show that the medium-and-high frequency noise of the tractor cab is reduced effectively by using the sound package strategy.The paper provides the effective reference for noise control and sound package optimization of the tractor cabs.

acoustics;tractor;cab interior noise;statistical energy analysis(SEA);acoustic package

TB535；U112.5

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.028

1006-1355(2017)05-0132-04

2017-03-15

李贵（1980－），男，河南省安阳市人，硕士，工程师，研究方向为拖拉机振动噪声控制。

E-mail:li_gui520@163.com