基于有限元与虚拟统计能量法的汽车声学包分析

weixin

市场报告显示，汽车消费者对于静谧性的需求逐年提升。近年来噪声问题也占据汽车消费者关注与投诉问题的前列。越来越多的厂家着力建立更加精确且高效的NVH仿真手段。因此，采用创新手段进行精细化建模与优化的需求与日俱增。声学内饰，如吸隔声材料，以及阻尼材料，在车辆减振降噪方面发挥重要作用。设计人员针对声源与振源的类型，传递路径的特点以及作用的主要频率，设计并优化声学内饰，以尽可能起到降噪和/或减重、降本的效果。

声学仿真计算工具Actran，具有很好的鲁棒性和求解效率，在精度方面经过大量工程实例验证，并与诸多领先CAE软件具备联合仿真接口。作为通用的声学仿真计算工具，Actran在各个行业均有大量应用，同时也积累了大量客户，如汽车、航空航天、家电、电声、通用机械等。世界前20大汽车集团中有19家是Actran软件的客户。

Actran 具备有限元方法与统计能量方法，可以覆盖振动噪声与吸隔声材料仿真的全频段，为用户提供精确、快捷的仿真结果，并可配合二次开发流程脚本进行优化设计工作。

一、Actran仿真汽车声学包分析案例

通用汽车积极致力于减少全球车辆二氧化碳的排放，使得人类在未来可以拥有一个更加绿色的地球。为了实现这一目标，开发和部署先进的新技术，满足通用汽车客户的需求是至关重要的。显然，产品质量是吸引用户的关键，在过去几年中，人们已经发现声音品质的重要性。为了满足市场需求，通用汽车的设计师和工程师必须应对电动汽车带来的新的NVH挑战。用电推进代替传统的内燃动力总成，使车辆变得更加安静，并在内部舒适度方面满足了更高的客户要求。通用汽车的NVH团队利用先进的Actran软件功能和专业知识，确保未来的电动汽车能够满足客户的期望。

1. 行业挑战
基于新的车身结构，不同类型的噪声和振动源以及不同的内部设计要求，电动汽车在乘客舒适度方面给团队带来了新的挑战。

传递路径分析工作流程

对于NVH来说，通常将特定性能需求与特定频率范围以及传递路径相关联。对于传统能源车辆，低频噪声主要受动力总成结构激励的影响，并且可以通过基于有限元模型的确定性方法进行研究。高频主要受空气声激励的影响，常通过统计能量分析方法进行研究，从而使工程师可以设计声处理方案，实现最佳的声音传递和吸收性能。

发动机支架优化 - 传递路径函数 – 由通用汽车公司提供

对于电动汽车，不同的声源和传播路径变得更加重要。结构声激励包括更高频率的信号，而空气声则在更低频率范围变得更加重要。这些都要求新的工具能够正确预测车辆的NVH性能。通用汽车振动与噪声虚拟设计、开发与验证团队经理Dave Hamilton说：“ Actran对于解决在EV设计中至关重要的中频范围 (400-1500Hz) NVH问题非常有效。Actran软件是开放式的，可以很好地补充并集成到我们现有的流程中，并且可以利用现有的有限元和CFD仿真模型。

2. 达到 NVH 目标
电动汽车，例如通用汽车的Ultium Drive，在振动和声学方面表现出很强的高阶次噪声信号。通用汽车振动噪声仿真工程师Kunal Kolte说：“如果没有Actran提供的功能，那么在这个频率范围内进行良好的NVH仿真将是一个挑战。”

“对于由Ultium Drive激发的频率，我们需要准确地模拟车辆中存在的所有声学处理手段，以模拟乘客听到的噪音。” 车身Trimmed Body模型被用于计算不同的Ultium Drive安装点与车辆内部的声学响应之间的传递函数。该模型包含不同声学处理的完整描述，并且可以达到目标频率 (400-1500Hz)。然后使用传递路径分析方法将计算出的传递函数与安装刚度和Ultium Drive的激励进行组合，以得到乘客处的声学响应。

Kunal 表示：“我们意识到基础设计没有达到NVH目标，因为高阶噪声可能会传播到乘客舱。” 回顾仿真结果，我们能够确定问题的原因是某些结构模态出了问题。通过修改和重新运行模型，我们得到了一种解决方案，并很快得到了验证。” 建议的设计方案可以进行优化以满足制造要求。在不增加质量的情况下，车辆的声学性能有了显著改善，从而使新模型最终得以采用。“将这种类型的模型集成到我们的工程流程中，帮助评估车辆的整体性能，发现问题，提出解决方案并进行验证。这项新的仿真功能在整个NVH部门中都得到了好评和赞赏。” Kunal总结说道。

3. 语音清晰度
车内的声音混响会影响乘客在车内的许多互动行为（例如对话，语音命令等）。由于客户要求更好的视野，天窗变得越来越普遍，但吸声材料所能安装的表面积较小，因此对室内舒适度也产生了负面影响。

诸如上面所述的整车车身模型不仅可用于评估车辆对结构激励的响应，还可以考虑空气声，风噪声和内部激励的影响。在这种情况下，将车身结构从模型中去除，仅考虑车辆内部声腔和声学处理材料，然后评估不同乘客之间的声学传递函数。通用汽车公司全球振动噪声CAE仿真负责人Qijun Zhang说：“我们的项目团队担心车辆内部的混响太高。”声学模型可用来评估减少内部混响的最佳方法。“首先，我们使用仿真结果来评估不同吸声表面对室内声学的影响。通过分解不同组件的贡献，确定了提高室内语音清晰度的最佳方法是通过增加带孔的座椅表面积来增加声音吸收，因此我们改变座椅的设计。” 在座椅上增加穿孔需要在声学、成本和耐用性之间做出权衡，我们使用仿真模型评估了几种不同表面积的设计。因此，确定了优化的穿孔表面积以减小混响。

左：当前生产的2020年雪佛兰Tahoe座椅图像；右：今后电动车中不同的穿孔区域

图由通用汽车公司提供）

Qijun说：“对于这些类型的研究，可以在整个目标频率范围内准确表示我们的声学处理，并在设计的早期阶段为团队提供有价值的指导。”

二、虚拟统计能量方法

1. 计算流程
虚拟统计能量法 (Virtual SEA)，是一种基于有限元模型，进行虚拟振动和噪声响应的高频分析方法。相较于传统解析SEA方法，不需要对复杂几何形状进行简化假设（解析SEA只支持简单几何形状的建模）；不需要工程师对连接建模具有丰富经验；支持不相邻子系统之间的耦合（解析SEA只支持相邻子系统间的耦合）。虚拟统计能量法相较于实验SEA方法，不需要测试模型；可以考虑面内的振动能量；对系统的尺寸没有限制。以上优势，使得虚拟统计能量方法在工程应用上更加方便，且建立的系统模型更加准确。

考虑轮胎噪声向车内的空气声传递，其仿真工作流程分为三步：

（1）SEA模型准备

需要提前进行结构模态和声腔模态的提取。

进行子系统的划分和编号。这一步可根据网格的pid进行自动划分和编号，或者手动的选择一部分网格，进行编号。

声学包的参数化定义。在每个声学包的位置处通过参数化定义每一层材料的厚度、材料属性，完成声学包的建模。

（2）轮胎噪声的车外声场仿真

首先，利用有限元方法，将轮胎噪声在车身外表面的声场分布求解出来。为了方便建模，直接采用CFD车外流场分析的车身包面网格。在Actran外声场计算的过程中，会自动将求解频率分成若干频段，根据每一频段的频率和波长，调整车身包面网格的大小以及外声场网格的范围和大小，已达到求解效率最高的目标。

所以，Actran外声场求解过程中，每一个频段使用的网格是不同的：低频段声波波长长，网格范围大、网格大；高频段声波波长短，网格范围小、网格小。这样每个频段都满足计算精度的要求。另外，结合自动外声场转换技术，可以实现在转换频率以下自动建立无限元分析模型；在转换频率以上，建立APML分析模型，保证从低频到高频的超宽频带中的外声场求解效率更高。

（3）SEA建模和分析

通过外声场有限元模型的计算，可以获得整车外表面的轮胎噪声声场分布，作为向车内传递的噪声载荷。

为了更加准确的进行输入功率计算，现采用Nastran直接频响法对整车结构在外声场载荷下的振动响应进行计算，并利用开发的脚本，自动生成每一个载荷工况下、统计能量每一个子系统上的输入功率。（或可直接在统计能量模型上加载外声场载荷）

定义输入功率并进行统计能量模型的计算，得到每个子系统以及车内10个关键测点的噪声响应。

2. 计算结果
通过在轮胎附近几个固定点布置体积加速度声源（Q类型，[m3/s2]），并在相对轮胎的镜像位置布置控制麦克风，测量并标定声源的大小。同时在车内10个测点进行噪声测量。

对比第二阶段车外声场仿真模型中控制点麦克风的声压响应和实验的测量结果，偏差可能来自于以下因素：

  · 仿真模型没有模拟声源的指向性

  · 声源和控制点麦克风的位置不确定性

  · 轮胎的振动噪声贡献

  · 消声室环境

  · 一些吸声部件的存在

因此，对仿真模型中的声源大小通过a+b*f 的公式进行缩放，并将其作为仿真模型中真正的载荷大小，计算车内噪声响应。

缩放后，计算得到的控制麦克风声学响应以及统计能量模型中车内1、2号测点的声学响应与实验吻合较好。

虚拟统计能量方法的仿真结果在中、高频段与实验吻合较好，初步验证了统计能量模型的准确性。未来可以进一步优化噪声的一些峰值，例如改变声学包的材料或者厚度。在声学包优化的时候，仅仅需要重新计算统计能量模型的最后一步，计算效率比较高。

来源：仿真秀App微信公众号（ID：fangzhenxiu2018），作者：海克斯康工业软件。

tonan_888@163.c