毕业论文范文——黏弹性约束阻尼结构对车内噪声控制的应用.docx

1、西安航空职业学院毕业论文黏弹性约束阻尼结构对车内噪声控制的应用姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：针对车辆壳体振动辐射噪声，在安静、平坦的柏油路面上进行实验车基本噪声测试，通过对测试结果的分析确定车内主要轰鸣声的转速范围。建立统计能量分析模型进行能量传递路径分析，确定车内噪声的主要来源。从阻尼材料的应用角度出发，对比分析顶蓬不同部位铺设条状阻尼的减振效果。研究结果表明：将黏弹性约束阻尼敷设在顶蓬前部能够有效抑制顶蓬振动产生的辐射噪声。关键词：能量传递路径；统计能量分析模型；顶蓬；黏弹性约束阻尼前言随着日益激烈的汽车市场竞争以及消费者对汽车性能要求的提高，汽车设

2、计开始从以前单纯的驾驶性能向动力性能和乘坐舒适性的综合要求发展，汽车 NVH(noise vibration and harshness)性能逐渐受到研究者和汽车厂商的关注。国内外汽车厂商在 NVH 领域投入大量的人力物力，针对不同型号车辆采取相应的减振降噪方法，不断提高自身车型的市场竞争力 1。国外一些汽车企业已经在 NVH 控制措施上取得了显著成绩，已经将 NVH 降噪控制措施广泛应用于汽车关键结构及零部件的设计中，在车身外形结构、传动系扭振等设计阶段充分考虑了车型的 NVH 性能，从根本上解决车辆的振动噪声问题 2。国内汽车行业也在该领域进行了大量的研究工作，陈书明 3建立某自主品牌轿车

3、的统计能量分析模型，通过加载 4 种不同激励对车内噪声水平进行了分析；张瑾等 4在传统统计能量分析基础上，利用有限元方法计算结果进行了能量流分析；王家辉 5利用仿真与试验相结合，对某款新开发车型声学包项目进行了研究。尽管国内在噪声分析、预测与控制方面进行了大量的研究工作，但与国外相比仍然存在很大的差距。本文作者在不改变车型设计和生产工艺的情况下，首先对某款商用车进行试验测试，获得车内轰鸣声比较明显的转速范围。其次，建立某款商用车的仿真模型并对其进行能量传递路径分析，找到对车内噪声贡献较大的板件。最后，选择快捷、低耗的阻尼贴片对噪声贡献较大的板件设计不同的噪声控制方案，通过实车试验分析车内噪声的

4、降低效果。1 车内噪声试验与建模仿真1.1 车内噪声测试与数据分析在空旷、安静、笔直的柏油路面上，车窗紧闭、空调关闭，车辆以 3 挡和 4 挡急加速行驶，车内测量点选择驾驶员右耳处位置(如图 1 所示)，发动机转速由 900r/min 加速至3000r/min，测得被试车驾驶员右耳处噪声数据，如图 2 所示。从图 2 可以看出：在 3 挡和4 挡急加速行驶时，900-2000r/min 转速范围内，驾驶员右耳处的整体声压级偏高，在 3 挡1100，1700 以及 2450 r/min 以及 4 挡 1000 和 1700r/min 处出现明显的噪声峰值，在行驶过程中表现为明显的轰鸣声。为探究各

5、问题转速下车内噪声的主要来源，需要对车辆噪声传递路径进行分析，找到噪声贡献较大的主要板件 6。图 1 麦克风位置(a) 3 挡；(b) 4 挡图 2 驾驶员右耳处声压级曲线1.2 整车 SEA 建模及仿真划分子系统是建立统计能量分析模型中最重要的步骤，也是决定模型准确性的关键。因此车身结构按照模态数大于 5 的原则将整车划分成多个子系统 7，得到整车 SEA 模型，如图3 所示。在车内搭建临时板件分别建立驾驶员、副驾驶员以及中后排乘客处的头部、腰部、腿部多个车内声腔子系统，如图 4 所示。同时，利用搭建完成的 SEA 模型节点，在车外7001000mm 处搭建临时板件建立车外声腔子系统，用来模

6、拟消声室空间结构，如图 5 所示。图3 车身结构子系统图4 内部声腔子系统图5 外声腔子系统在实际道路行驶过程中，汽车处于无限边界的自由声场之中，车内所受的声载荷是由结构噪声和空气噪声综合作用的随机声载荷 8-9。加载后对所选工况进行整车模型的仿真计算。在研究频率范围内(50-4000Hz)，驾驶员右耳旁 1/3 倍频带声压级谱的预测结果如图 6 所示。从图 6 可以看出：仿真结果与实测结果变化趋势一致，当频率为 630Hz 以上时，仿真值与实测值误差在 2dB 以内，这说明建立的 SEA 仿真模型可靠有效。图6 车内驾驶员右耳处声压级曲线2 能量传递路径分析能量传递路径分析就是利用不同子系统

7、对车内各处声腔声压级贡献不同的原理，来追踪车内噪声的主要传递路径，进而采取有效的减振降噪措施 10。在一定的频率范围内，以驾驶员头部声腔子系统为研究对象，进行能量传递路径分析，得到车内声腔能量的输入贡献柱状图如图 7 所示。由图 7 可以看出：驾驶员头部声腔处的噪声能量输入主要来源于腰部声腔及顶蓬外声腔的激励，少量噪声通过仪表板、挡风玻璃等途径进入车内声腔。顶蓬处的噪声输入贡献了驾驶员头部声腔处绝大部分的噪声能量。另外，防火墙及车内前地板处的能量输入也是影响驾驶员头部噪声水平的原因之一。这主要是因为防火墙及前地板处的安装孔较多，造成车辆的气密性较差，这可以通过对安装孔进行密封性处理来阻断噪声的

8、进入。然而这并不是车内噪声的主要影响因素，对顶蓬采取噪声控制措施才是解决车内噪声输入的关键。(a) 驾驶员头部；(b) 驾驶员腰部；(c) 驾驶员腿部；(d) 仪表盘下部图 7 车内声腔能量传递路径柱状图3 阻尼试验结果与分析通过能量传递路径的分析得知，该车型车内噪声主要来源于顶蓬的振动辐射，因此从薄板减振方面展开相关的试验研究，找出一种经济、快捷的方案抑制薄板振动，以达到车内减振降噪的效果 11。针对已经存在噪声问题的现有车型，最常用的方法是增加或者替换隔声和吸声材料，或者通过粘贴阻尼材料以增大结构阻尼损耗因子等方法来控制车内噪声，从而改善振源及车体之间的能量传递关系 12。目前，在抑制车身

9、壁板振动领域，最常用方法即为阻尼减振处理。3.1 阻尼减振机理阻尼减振的基本原理是在振动过程中通过能量耗散而使系统逐渐恢复到稳态。在自由振动中，阻尼耗散的能量使幅值不断衰减；在受迫振动中，阻尼消耗干扰力对系统所作的功，限制了系统的振幅 13。假设某一单自由度系统在干扰力 F0ejwt作用下，振动幅值为 14（1）X= F0K(1-n)2+2式中： X 系统振动幅值； F0 为外力幅值； K 为波数； 分别为干扰频率和系统固有， 频率； 为系统阻尼损耗因子。当系统共振时， ，最大幅值为： =（2）=0由式(1)可以看出：系统的振动幅值与系统阻尼损耗因子有关。此次试验中采用的黏弹性阻尼除自身阻尼损

10、耗因子的作用外，还会随板件振动产生拉伸变形及剪切变形来抑制板件振动。利用这一原理，可以在振动比较大的金属板件上敷设黏弹性阻尼材料以达到降噪效果。复拉伸模量公式为：（3）=00=(+)=+=(1+)式中： 为复弹性模量； 为储能拉伸模量，为复拉伸模量的实部； 为耗能拉伸模量， 复拉伸模量和阻尼损耗因子决定了黏弹性阻尼材料受到拉压变形时转变为热能的能量损耗。同理，黏弹性阻尼材料的复剪切模量为（4）=00=(+)=+=(1+)其中： 为复剪切模量； 为储能剪切模量，为复剪切模量的实部； 为耗能剪切模量， 为复剪切模量的虚部，决定了黏弹性阻尼材料受到剪切变形时转变为热能的能量损耗。黏弹性阻尼材料与金属

11、板件结合构成约束阻尼结构是目前汽车降噪领域常采用的手段之一。约束阻尼相对于自由阻尼，由于受到一层金属约束板的抑制，使阻尼层产生很大的剪切变形而消耗更多的能量。在对某款商用车进行阻尼降噪设计时，选择的是表面有一层金属铝的约束阻尼结构。3.2 阻尼降噪试验从能量传递路径分析可知，驾驶员处的噪声主要来源于顶蓬，防火墙及前地板也是噪声贡献的来源。然而从对该车型的现场观察中发现，防火墙及前地板处 90%以上的部位敷设了某些特定的隔声及吸声材料，假如再在防火墙及前地板处增加隔声或者吸声材料，降噪效果可能不明显。进一步研究发现，防火墙和前地板上安装的部件较多，工艺孔相对较多，气密性较差可能是噪声从防火墙及前

12、地板输入的原因。因此，将噪声贡献较大的顶蓬作为试验对象，针对顶蓬降噪制定多种阻尼试验方案。传统方法一般将块状阻尼铺设在需要降噪的部位，然而现实车身减振降噪设计过程中不但需要考虑减振降噪的要求还要考虑车身轻量化的具体需要，这就需要在减振降噪的过程中综合考虑车身结构设计和阻尼几何尺寸等设计因素 15。此次降噪试验选用条状阻尼，选择面密度为 6kg/m3，长宽为 960mm45mm 的黏弹性约束阻尼分别设计了 3 种方案，P1 方案将黏弹性约束阻尼敷设在顶蓬前部；P2 方案将黏弹性约束阻尼敷设在顶蓬中后部；P3 方案将黏弹性约束阻尼敷设在整个顶蓬。在设置黏弹性约束条状阻尼间隔时，主要考虑到顶蓬有 7

13、根横梁，为避开横梁的位置，同时又保证敷设阻尼的位置为顶蓬薄弱处，条状阻尼之间的间隔距离为 160mm。分别对 3 种方案进行道路测试，得到的试验数据如图 8-10 所示。(a) 三挡全油门急剧加速行驶；(b)四挡全油门急剧加速行驶1原车型；2P1 方案。图 8 顶蓬前部阻尼方案噪声试验结果(a) 3 挡全油门急剧加速行驶；(b) 4 挡全油门急剧加速行驶1原车型；2P1 方案。图 9 顶蓬中后部阻尼方案噪声试验结果(a) 3 挡全油门急剧加速行驶；(b) 4 挡全油门急剧加速行驶1原车型；2P1 方案。图 10 顶蓬阻尼方案噪声试验结果从图 8-10 可以看出：在顶蓬铺设条形阻尼后，驾驶员右耳

14、处的声压都有不同程度的下降，特别是 3 挡 1100r/min 以及 2450r/min 附近都有明显的降低。其中，P2 方案中，3 挡1090r/min 转速下驾驶员右耳处的声压由 70.66dB 降为 68.48dB，降低了 2.18dB；P2 方案在4 挡 1100r/min 转速下驾驶员右耳处的声压由 75.21dB 降为 73.21dB，降低了 2dB，其余转速下的噪声声压级曲线没有明显的变化。验证顶蓬全部敷设条状阻尼的降噪效果，并将其与P1 和 P2 方案进行比较。顶蓬全部敷设条状阻尼的方案与前 2 种方案相比，驾驶员右耳处的噪声声压明显下降，其中在 3 挡时轰鸣声最为明显的 11

15、00r/min 附近，噪声峰值最大下降1.93dB，4 挡 1100r/min 附近下降 2.9dB。引入降噪效率(增加的质量与降低的噪声强度之比) 16，3 种方案的降噪效果如表 1 所示。表 1 种方案降噪效果P1方案 P2方案 P3方案档位转速（r/min）降噪值dB降噪效率（dB/kg）降噪值dB降噪效率（dB/kg）降噪值dB降噪效率（dB/kg）1100 1.75 0.74 2.18 0.60 1.93 1.481700 1.23 1.06 0 0 0 03档2450 1.58 0.82 1.36 0.96 0.43 6.631100 0 0 2.00 0.65 2.90 0.981700 1.85 0.70 0 0 0.92 3.104档2450 1.75 0.74 0 0 0.56 5.09从表 1 可见：P1 方案降噪效果比较理想。这是因为在顶蓬前部敷设黏弹性条状阻尼后明