汽车车身空腔阻隔结构降噪试验研究_张立军.pdf

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Collaborative Innovation Center for Intelligent New Energy Vehicle,Shanghai 201804,China Abstract The test study s were systematically established for noise reduction of car body cavity barrier structure. Variations of body- in- white modal features and transfer function with and without barrier structure were measured to analyze barrier structure’ s suppression ability against car body low- frequency noise. The drum test for noise reduction perance of the whole vehicle barrier structure was built to estimate barrier structure’ s suppression ability against engine noise and tire/road surface noise. The wind tunnel test for noise reduction perance of the whole vehicle barrier structure was built to estimate barrier structure’ s suppression ability against aerodynamic noise. The test results showed that cavity barrier structure reducing interior noise has two aspects;on one hand,cavity barrier structure enhances car body’ s modal damping to suppress car body’ s vibration and reduce interior low- frequency noise; on the other hand,barrier structure cuts off the propagation path of noise from outside of vehicle through car body’ s side cavity to invade passenger compartment so as to reduce interior high- frequency noise. Key wordscar body cavity;barrier structure;noise reduction;test;interior noise 白车身尤其是侧围通常由内外两层钣金焊接在一 起, 形成了一个内部具有空腔的结构。发动机噪声、 路 面噪声和气动噪声等通过一些空洞或缝隙进入车身空 腔, 严重影响了车内声品质。车身空腔阻隔结构, 是整 车声学包装的重要组成部分, 对于改善车内噪声水平, 有着极其重要的意义。 对于阻隔结构降噪性能的研究, 理论研究 [1- 7 ]、 仿 真分析 [8- 11 ]与试验验证组合是主要的技术路径。试验 研究方面, Allen 等 [12 ]分析了一种糊状结构的 PU 泡沫 材料对整车模态频率和模态振型的改变情况。Stotera 等 [13 ]分析了高阻尼泡沫对汽车顶棚振动传递函数的影 响, 从频率与模态阻尼两个方面考察泡沫材料对于结 构声降噪的影响。针对泡沫材料隔声性能的试验方法 有很多, 包括 SAE 的 J1400[14 ]与 J2846[15 ]标准等。 Prasanth 等 [16 ]提出了一种面向阻隔结构对象的隔声试 验方法, 建立了小号的混响室与消声室, 确保连接处截 面形 状 与 阻 隔 结 构 在 车 身 上 安 装 截 面 一 致。 Siavoshani[17 ]直接面向实车进行试验, 准确再现了阻隔 结构对空气声的抑制功能。Siavoshani[18 ]又设计了一 种试验方法, 通过在各个管道内安置麦克风, 测量管道 内的噪声信号, 用相干分析等方法获得了各个空腔结 构对空气声传递的贡献量。目前, 对于空腔阻隔结构 的试验研究不系统、 不全面, 往往只考虑了单一激励 ChaoXing 源, 而空腔阻隔结构对于整车 NVH 性能改善作用是多 方面的, 片面的试验分析无法完整掌握空腔阻隔结构 的降噪性能。 车内噪声通常分为低频结构噪声与高频空气噪 声, 从噪声的来源分类, 又可以分为发动机噪声、 道路 噪声、 轮胎噪声、 空气噪声等。针对上述激励源, 本文 首先开展白车身模态试验和传递函数试验, 考察阻隔 结构对白车身低频动态特性的影响。然后进行整车转 鼓台架试验和气动噪声风洞试验, 研究阻隔结构对发 动机噪声、 轮胎路面噪声以及气动噪声的抑制效果。 全面分析阻隔结构的降噪性能, 为其在车身上的优化 设计提供参考。 1试验方案 1. 1测试对象 测试对象为某 B 级车及其白车身。在白车身中装 有空腔阻隔结构, 主要由 EVA 膨胀材料、 支撑板和卡 扣 3 部分组成, 如图 1 所示。在车身焊接成型前, 阻隔 结构通过卡扣安装到预设的位置上; 在车身焊接电泳 等工艺后, 膨胀材料受热发泡膨胀, 同支撑板一起对侧 围空腔形成阻隔作用。 图 1空腔阻隔结构 Fig. 1Cavity filler block structure 阻隔结构在该车身上的布置位置如图 2 所示, 左 右对称布置在 A 柱上部、 A 柱下部、 B 柱下部、 C 柱上 部、 C 柱下部和后纵梁。车身共安装 14 个空腔阻隔 结构。 图 2阻隔结构在车身上的位置 Fig. 2The position of cavity filler block structure 为了突出阻隔结构的影响, 分别在有/无阻隔结构 两种状态下开展试验。由于原车身中已装有阻隔结 构, 需将其拆除。使用内窥镜观察, 拆除前后阻隔结构 如图 3 所示。 拆除前拆除后 图 3 A 柱下端阻隔结构 Fig. 3The cavity filler block in the lower part of A- pillar 1. 2白车身模态试验 首先, 开展了白车身模态试验, 测量模态振型、 模 态频率、 模态阻尼等模态参数, 分析阻隔结构对低频车 内噪声和振动的影响。 被试白车身含前后玻璃, 天窗, 不包含车门, 使用 激振器激振, 三向加速度传感器拾振, 使用 LMS Test. Lab 进行数据采集与分析, 利用时域多自由度法识别模 态参数, 由激励和响应获得白车身的频响函数。试验 现场如图 4 所示。 图 4白车身模态试验现场 Fig. 4The modal test of BIW 试验采用空气弹簧支撑方式模拟自由- 自由边界条 件。三点激振, 多点拾振。激振器布置在白车身前部、 中部和后部刚度较大的位置, 空间上尽量分开, 保证在 X 和 Y 方向有一定的激励分量, 并注意避开节点。车 身上共对称布置 48 个测点, 由于数采系统通道数限 制, 分三次测试, 每次测试粘贴 16 个三向加速度传感 器。根据测点位置坐标, 在 LMS Test. Lab 中建立车身 几何模型。输入 burst Random 激振信号, 测量激励点 与各响应点之间的频率响应函数和相干系数。为保证 一致性, 拆除阻隔结构后, 三向加速度传感器和激振点 的位置保持不变。 1. 3白车身传递函数试验 其次, 开展了白车身传递函数试验, 为了分析阻隔 结构对发动机激励、 路面激励引起的车内噪声的整体 影响, 测得悬置和悬架接附点到侧围板件的振动响应 传递函数。 332第 1 期张立军等汽车车身空腔阻隔结构降噪试验研究 ChaoXing 白车身传递函数试验使用力锤激振, 激振点位置 如表1 和图5 所示。在白车身侧围的 A、 B、 C 柱的上下 端分别布置 9 个加速度传感器, 顶棚布置 1 个加速度 传感器, 具体布放位置如表 2 所示, 部分测点布置如图 6 所示。 表 1白车身传递函数试验激励点 Tab. 1The excitation points 序号名称 1右悬置激励点 2前悬架激励点 1 3左悬置激励点 4前悬架激励点 2 5前悬架激励点 3 6后悬置激励点 7后悬架激励点 1 8后悬架激励点 2 9后悬架激励点 3 表 2三向加速度传感器布放位置 Tab. 2Acceleration sensor placement 序号位置 1A 柱上端 2A 柱中部 3A 柱下端 4B 柱下端 5B 柱中部 6B 柱上端 7C 柱上端 8C 柱中部 9C 柱下端 10顶棚 1. 4整车转鼓台架试验 再次, 为了分析车身空腔阻隔结构对发动机噪声、 路面噪声的单独影响, 开展了整车转鼓台架试验。 车辆上转鼓固定后的试验现场如图7所示。 主要 a b c 图 5传递函数试验激励点位置 Fig. 5Excitation points of transfer function test aB 柱 bA 柱 图 6传递函数试验传感器布置 Fig. 6The acceleration sensor placement 试验设备包括四驱转鼓及控制系统、 声压传感器、 加速 度传感器、 ArtemiS Head 声振测试系统和 PC 主控机。 试验前对加速度传感器和声压传感器进行布放, 传感 器的布放按照车身加速度激励“被动侧” 测量, 车外噪 声测量, 车内噪声测量三个方面进行。加速度传感器 安装在动力总成悬置点、 悬架系统与车身连接点。由 于悬架系统具有对称性, 加速度传感器只安装在一侧, 车内声压传感器按照 ISO 5128- 80 车内噪声测量标准 确定, 布放于前后排四个位置乘客的耳旁, 声压传感器 的垂直位置应高出空座椅表面和座椅靠背面相交线 0. 7 0. 05 m 并处于相交线的正上方, 水平位置应离壁 或内装饰距离 0. 2 0. 02 m, 布放前所有传感器要进行 标定。各传感器的布放方案如表 3 所示, 车内声压传 感器的布放位置如图 8 所示, 限于篇幅只展示左后悬 架与车身连接点处的加速度传感器布放图, 如图 9 所示。 图 7转鼓台架试验现场 Fig. 7Test vehicle installed on drum 试验工况分为匀速工况、 倒拖工况和加速工况。 匀速工况下, 挂最高档, 车速分别为 80 km/h、 100 km/ h、 120 km/h、 140 km/h 和 160 km/h; 倒拖工况下, 车辆 432振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 表 3传感器布放方案 Tab. 3The arrangement of sensors 序号布放位置传感器类型方向数量 1动力总成悬置点三向加速度传感器X, Z3 2左前悬架连接点单向加速度传感器Z3 3左后悬架连接点单向加速度传感器Z4 4发动机舱前围声压传感器S2 5前后轮轮罩声压传感器S4 6乘坐室声压传感器S4 图 8车内声压传感器布放位置 Fig. 8The position of microphone 图 9左后悬架与车身连接点加速度传感器布放位置 Fig. 9The position of acceleration sensor at rear suspension and body connection point 挂空档, 转鼓驱动车轮转动, 车速与匀速工况相同。加 速工况下, 挂 3 档全油门加速, 发动机转速从 1 000 ~ 5 500 r/min, 最后按照预定工况进行试验, 并记录试验 数据, 试验中传感器的采样频率为 51. 2 kHz。转鼓采 用光鼓路面。 1. 5整车气动噪声风洞试验 为了研究车身空腔阻隔结构对气动噪声的抑制作 用, 开展了气动噪声风洞试验。 试验在同济大学上海地面交通工具风洞中心整车 气动声学风洞中心中进行。该风洞是 3/4 开口回流式 风洞, 其喷口面积为27 m2, 试验最大风速为250 km/h。 车辆上风洞固定后的试验现场如图 10 所示。主要试 验设备包括 Artemis 数据采集系统、 脉动压力传感器、 声压传感器和声级校准器。试验前要对声压传感器和 脉动压力传感器进行布放, 车内声压传感器位置与整 车转鼓台架试验一致, 脉动压力传感器用于获得车辆 表面关键位置的脉动压力激励, 用于仿真分析的输入。 图 10风洞试验现场 Fig. 10Test vehicle installed in wind tunnel 试验工况均为匀速工况, 在风速分别为 80 km/h、 100 km/h、 120 km/h、 140 km/h 和 160 km/h 工况下进 行风洞试验, 试验中高速传送带开启用以消除地面边 界层, 最后按照试验工况进行试验, 并采集各麦克风的 信号、 各关键位置表面的脉动压力信号。试验中传感 器的采样频率为 51. 2 kHz, 每个工况的采样时间为 10 s。 2试验结果与分析 2. 1白车身结构模态试验结果 白车身结构模态试验分别获得了安装和拆除车身 空腔阻隔结构下的模态振型、 模态频率和模态阻尼。 图 11 为两种情况下的模态频率及模态阻尼对比。 图 11模态频率及模态阻尼对比 Fig. 11The natural frequency and damping ratio 根据图 11 可见, 加入阻隔结构后, 白车身主要阶 次的模态频率变化在 0. 2 Hz 内, 说明阻隔结构对白车 身的模态频率基本无影响, 而白车身模态阻尼比有较 为明显的增加。 532第 1 期张立军等汽车车身空腔阻隔结构降噪试验研究 ChaoXing 2. 2白车身传递函数试验结果 白车身传递函数试验共得到激励点到响应点的 90 条传递函数。为了分析阻隔结构对各激励点至响应点 传递函数的影响, 分别比较有无阻隔结构下每组激励 点- 响应点的传递函数。部分激励点至响应点 1 的传递 函数曲线如图 12 所示。 a激励点 3 b激励点 4 图 12部分激励点至响应点 1 的传递函数 Fig. 12Transfer function from excitation point to response point 1 从各个激励点至响应点 1 的传递函数曲线可以看 到, 车身空腔阻隔结构可以使 100 ~250 Hz 内的白车身 传递函数幅值降低, 如激励点 3 至响应 1 的传递函数 中 220 Hz 附近有阻隔结构下的幅值显著变小; 但是也 会使某些频率下的白车身传递函数幅值增大, 如激励 点 4 ~ 响应点 1 的传递函数中 200 Hz 附近有阻隔结构 下的幅值更大。以上结果表明车身空腔阻隔结构改变 了激励点对某些响应点传递函数的灵敏度。 由于试验所得的传递函数较多, 对有无阻隔结构 下 9 个激励点至 10 个响应点的传递函数的幅值在频 域上做统计, 并做出平均幅值比曲线, 计算方法如下 对 90 条传递函数在频域上计算幅值比 r i, j f无 i, j f有 i, j i ≤ 90; j ≤ 256 1 对幅值比 r i, j 在频域上求均值, 图 13 为所得平 均幅值比曲线。 Rj mean ∑ 90 i 1 r i, j 2 图 13传递函数平均幅值比 Fig. 13The average amplitude ratio 通过传递函数平均幅值比曲线对比, 可以看到 在 20 ~100 Hz 内, 阻隔结构对传递函数的幅值影响较小; 在100 ~250 Hz 内, 阻隔结构显著地抑制了传递函数的 幅值, 幅值下降达到 10 ~15 幅值增加的点为白车 身的反共振点, 因此不影响车身整体的振动传递特 性 ; 同时, 呈现频率越高越有效的趋势。总体来说, 阻 隔结构改善了白车身尤其是侧围板件的低频动态 特性。 2. 3整车转鼓台架试验结果 整车转鼓台架试验得到了匀速工况、 倒拖工况及 加速工况下不同车速时的车内噪声信号, 计算匀速工 况和倒拖工况下的车内噪声三分之一倍频程声压级, 为便于分析, 将布置在车内驾驶位、 副驾驶位、 后排左 侧、 后排右侧的声压传感器记为“测点 1” 、 “测点 2” , “测点 3” 、 “测点 4” 。限于篇幅, 对于匀速工况和倒拖 工况只展示车速为 120 km/h 时测点 1 的结果 见图 14 和图 15 。 a匀速工况 b倒拖工况 图 14测点 1 三分之一倍频程声压级 Fig. 14The 1/3 octave- band SPL of the driver’ s ear 632振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing a测点 1 b测点 2 c测点 3 d测点 4 图 15加速工况各测点 A 计权声压级 Fig. 15SPL under the accelerated working condition 对转鼓试验每个匀速工况的三次有效数据作平均 声压级的计算, 并取三次声压级的均值作为该工况的 平均声压级, 对比有无阻隔结构时该值的大小。得到 如表 4 所示的匀速工况全频段声压级统计和表 5 所示 的倒拖工况全频段声压级统计。 表 4匀速工况全频段声压级统计 Tab. 4All- band SPL statistics under uni working conditionsdB A 传感器 车身 状态 80 km/h 100 km/h 120 km/h 140 km/h 160 km/h 测点 1 有阻隔56. 3258. 8861. 3463. 3365. 73 无阻隔56. 8859. 0963. 1864. 0964. 67 差值-0. 55-0. 21-1. 84-0. 761. 06 测点 2 有阻隔55. 5758. 5661. 3162. 7964. 95 无阻隔55. 9958. 2461. 7363. 4164. 59 差值-0. 420. 32-0. 42-0. 620. 36 测点 3 有阻隔56. 3660. 3661. 4363. 4565. 02 无阻隔56. 6459. 3561. 2963. 1364. 65 差值-0. 281. 010. 140. 320. 37 测点 4 有阻隔56. 3659. 9260. 7762. 6865. 11 无阻隔56. 1859. 1160. 5962. 4964. 94 差值0. 180. 820. 170. 190. 17 从各工况下测试数据的三分之一倍频程声压级可 以看到, 匀速工况下, 阻隔结构可以降低车内噪声的声 压级, 且在中高频段 1 000 ~4 000 Hz 噪声抑制效果 较好; 倒拖工况下, 阻隔结构也可以降低车内噪声的声 压级, 且对噪声的抑制效果优于匀速工况, 由于倒拖工 况发动机处于怠速, 车轮被转鼓驱动, 倒拖工况时主要 噪声是路面噪声, 综合匀速工况和倒拖工况下的试验 结果可以得出, 阻隔结构更适合于抑制路面噪声。 加 表 5倒拖工况全频段声压级统计 Tab. 5All- band SPL statistics under reversed working conditionsdB A 传感器 车身 状态 80 km/h 100 km/h 120 km/h 140 km/h 160 km/h 测点 1 有阻隔55. 5458. 0360. 2261. 8863. 30 无阻隔56. 3258. 4663. 0663. 5464. 93 差值-0. 79-0. 43-2. 84-1. 66-1. 63 测点 2 有阻隔54. 9157. 4260. 3761. 9063. 48 无阻隔54. 8157. 7561. 2462. 5963. 89 差值0. 10-0. 33-0. 88-0. 69-0. 41 测点 3 有阻隔56. 0559. 2160. 5462. 9664. 75 无阻隔56. 0358. 9760. 8563. 3364. 59 差值0. 020. 23-0. 32-0. 370. 16 测点 4 有阻隔56. 1458. 4159. 7963. 0264. 23 无阻隔56. 2058. 5859. 9762. 2765. 21 差值-0. 06-0. 16-0. 180. 75-0. 98 速工况下, 阻隔结构可以降低前排座椅附近的车内噪 声, 但也会使后排座椅附近的车内噪声出现局部升高 的现象, 如测点 3 和测点 4 时域 A 计权声压级所示, 在 3 ~4 s 有阻隔结构的声压级反而比无阻隔结构的声压 级大, 这段时间对应的发动机转速在 2 500 ~ 3 000 r/ min, 后排座椅在这个时候会出现轰鸣声。 2. 4整车气动噪声风洞试验结果 整车气动噪声风洞试验得到了匀速工况下不同车 速时的车内噪声信号。将布置在车内驾驶位、 副驾驶 位、 后排左侧、 后排右侧的声压传感器记为“测点 1” 、 “测点 2” , “测点 3” 、 “测点 4” 。限于篇幅, 只展示车速 为 120 km/h 下的试验结果。 由图 16 可以看出, 阻隔结构可以有效降低气动噪 732第 1 期张立军等汽车车身空腔阻隔结构降噪试验研究 ChaoXing 声, 在前排座椅附近, 对 200 ~10 000 Hz 的气动噪声有 较好的抑制效果; 在后排座椅附近, 对 600 ~ 5 000 Hz 的气动噪声有较好的抑制效果。 a测点 1 b测点 2 c测点 3 d测点 4 图 16车速 120 km/h 三分之一倍频程声压级 Fig. 16The 1/3 octave- band SPL at 120 km/h 从匀速工况下的平均声压级统计结果 表 6 可以 看出, 阻隔结构有效降低气动噪声, 且对前排的降噪效 果优于后排。将整车转鼓台架试验中倒拖工况下全频 段声压级统计结果 表 5 和匀速工况下全频段气动噪 声声压级统计结果对比, 可以发现阻隔结构对气动噪 声的降噪效果优于对路面噪声的降噪效果。 表 6匀速工况全频段气动噪声声压级统计 Tab. 6All- band SPL statistics of aerodynamic noise dB A 传感器 车身 状态 80 km/h 100 km/h 120 km/h 140 km/h 160 km/h 测点 1 有阻隔53. 8459. 8164. 4568. 3772. 29 无阻隔54. 9960. 5365. 3669. 3872. 95 差值-1. 14-0. 72-0. 91-1. 01-0. 66 测点 2 有阻隔53. 3159. 2564. 0367. 7971. 56 无阻隔55. 1860. 5465. 3169. 3372. 40 差值-1. 87-1. 29-1. 28-1. 54-0. 84 测点 3 有阻隔54. 7560. 6565. 2669. 4872. 82 无阻隔54. 8860. 8465. 5269. 7373. 03 差值-0. 13-0. 19-0. 26-0. 25-0. 21 测点 4 有阻隔55. 0260. 8565. 5269. 4172. 95 无阻隔54. 9960. 8365. 6269. 6373. 03 差值0. 020. 02-0. 10-0. 22-0. 08 3空腔阻隔结构降噪性能分析 一般认为, 空腔阻隔结构主要对高频气动噪声抑 制作用较为明显, 其主要针对轮胎噪声、 气动噪声以及 部分从发动机舱通过车身侧围空腔传递到车内的中高 频噪声。但也有大量分析认为, 在阻隔结构对高频噪 声进行阻隔的同时, 对低频噪声也有部分抑制作用。 为此开展了白车身模态试验、 白车身传递函数试验、 整 车转鼓台架试验和气动噪声风洞试验, 探究了阻隔结 构对于车内中低频、 高频噪声以及不同类型噪声的抑 制能力。 白车身模态试验主要分析的是 70 Hz 以下白车身 的模态, 结果表明车身空腔阻隔结构对白车身的模态 频率基本没有影响, 但是对白车身的模态阻尼有一定 影响。白车身传递函数试验将70 ~250 Hz 范围内白车 身的振动特性展现出来, 结果表明阻隔结构可以使 100 ~250 Hz 内的传递函数幅值降低, 但是也会使某些频 率下的传递函数幅值增大, 说明其改变了激励点对响 应点传递函数的灵敏度。结合这两个试验, 阻隔结构 对于白车身振动特性的影响主要发生在 100 Hz 以上, 且随着频率的增加, 对振动传递的抑制作用越明显, 这 主要由于其中的发泡材料对车身振动的阻尼作用逐渐 显现, 从而间接证明了阻隔结构对于车内低频噪声也 是有一定抑制作用的。 整车转鼓台架试验主要研究阻隔结构对发动机噪 声、 道路噪声及轮胎噪声的抑制作用, 排除了气动噪声 的影响, 该试验证明了阻隔结构对发动机噪声、 轮胎噪 声和道路噪声三者共同作用时有降噪效果。匀速工况 和倒拖工况的对比结果表明阻隔结构抑制路面噪声的 效果更明显。加速工况的结果表明阻隔结构可以降低 前排座椅附近的噪声, 同时也会加剧该工况下后排座 椅附近的车内噪声。 气动噪声风洞试验结果表明阻隔结构可以有效降 低气动噪声。在前排座椅附近, 对 200 ~ 10 000 Hz 的 气动噪声有较好的抑制效果; 在后排座椅附近, 对 600 ~5 000 Hz 的气动噪声有较好的抑制效果。从全频段 噪声的降噪效果统计结果来看阻隔结构对前排座椅的 降噪效果优于后排。综合对比阻隔结构对路面噪声和 气动噪声的降噪量, 阻隔结构对气动噪声的降噪效果 优于路面噪声。 综合以上分析, 空腔阻隔结构对于车内各种来源 的噪声均有一定降噪效果。在低频段, 空腔阻隔结构 降低了车身结构振动的传递, 有利于抑制结构耦合振 动产生的噪声, 主要体现在其对发动机噪声和路面噪 声的抑制作用; 在高频段, 空腔阻隔结构阻断了噪声在 车身侧围空腔内的传递路径, 而这些噪声来源于风激 噪声、 发动机舱内中高频噪声以及轮胎- 路面噪声向侧 围空腔内部泄漏。 832振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 4结论 本文主要开展了白车身模态及传递函数试验、 整 车转鼓台架试验、 整车气动噪声风洞试验, 研究了车身 空腔阻隔结构对白车身模态及传递函数、 发动机和路 面噪声、 气动噪声的影响。得到的结论如下 1阻隔结构对低频噪声的影响源于其增加了整 车模态阻尼比, 改善了白车身尤其是侧围板件的低频 动态特性, 抑制了结构耦合振动产生的噪声。 2阻隔结构对发动机噪声和路面噪声在匀速、 倒拖和加速工况下均有抑制作用, 尤其在倒拖工况下 效果显著, 说明阻隔结构对路面噪声的改善效果优于 发动机噪声, 其更适合抑制路面噪声。 3阻隔结构可以有效降低气动噪声, 对气动噪 声的抑制效果优于路面噪声。对中高频噪声的抑制效 果优于低频噪声。说明阻隔结构对于阻断噪声在车身 侧围空腔内的传递作用更显著。 参 考 文 献 [1] 杜功焕, 朱哲民, 龚秀芬. 声学基础[ M] . 南京 南京大学 出版社, 2001. 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