基于模态声学传递向量的发动机辐射噪音分析

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1、基于模态声学传递向量的发动机辐射噪音分析李增刚（比利时LMS国际公司北京代表处，北京，100101）[摘要]：本文采用LMS公司的Virtual.Lab仿真软件中的Acoustics模块进行4缸发动机辐射噪音分析，利用模态声学传递向量（MATV）计算了发动机在多转速工况下的辐射分布，同时计算了发动机的结构模态对辐射噪音的贡献量分析。通过声学响应分析得知，发动机的辐射声场在350Hz时的会出现峰值，通过模态贡献量分析得知，第1阶模态对此峰值影响最大，通过传递路径分析得知第1和第4个载荷对总的声学响应起到正的作用，而第2个起负的作用，而第3个引起的声学响应与其他3个载荷引起的响应相

2、比，是很小的，可以忽略。1前言噪音污染已经成为人类生存的三大公害之一，噪音对人们的生理和心理都会产生严重的影响。在产品的开发设计阶段，若能考虑的噪声问题，可以提高产品的市场竞争力，为企业带来良好的经济效益，对消费者而言，可以更好地享受生活的乐趣，提高生活的质量。对于如何降低汽车噪声，可以采用计算机仿真分析和试验方法相结合的办法。对于计算机仿真分析方法，可以进行声学模态分析、面板贡献量分析、传递路径分析、传递函数分析、灵敏性分析分析等，来识别出噪音的来源，从而提出降低噪音的方法和途径。2模态声学传递向量（MATV）的概念声学传递向量在结构表面和辐射声场中的某个测量点之间建立了一种

3、对应关系。在小扰动情况下，可以认为结构噪音辐射的声学方程是线性的，在输入（结构表面的振动）和输出（辐射声场中某点的声压）之间建立一种线性关系。如果将结构表面离散成有限个单元和节点，这种输入和输出之间的关系，可以表示为Tp=ATV(ω)⋅v(ω)（1）n其中，p是声压，ATV()ω是声学传递向量（AcousticsTransferVector），v(ω)是结构表面法线方向的振n动速度，ω是角频率。ATV与结构的几何形状、结构表面的处理情况（如增加阻尼）、测量点的位置、辐射声场的流体介质（声音的传播速度和流体的密度）以及计算的频率范围。另外，结构的振动位移响应u()ω，可以通过结构

4、的模态通过线性叠加得到，可以表示为u()ω=a()ωφ+a()ωφ+L+a(ω)φ=[Ω]{MRSP(ω)}（2）1122nn其中，是结构的模态，是模态参与因子，是频率的函数，φa[Ω]是由结构模态φ构成的矩阵，{}MRSP(ω)iii是模态参与因子a构成的向量。i将结构的振动位移响应u()ω投影到结构表面的法线方向上，就可以得到结构表面法线方向的位移u()ω=[]Ω{MRSP(ω)}（3）nn从而可以得到结构表面法线方向的振动速度v()ω=iωu(ω)=iω[Ω]{MRSP(ω)}（4）nnn将式（4）代入式（1）中，得到()T[]{}()()T{()}p=ATVω⋅iωΩM

5、RSPω=MATVωMRSPω（5）nT其中，MATV()ω=iω[]ΩATV()ω称为模态声学传递向量。n3发动机的结构模态和结构模态参与因子的计算本文建立起了一个发动机有限元结构模型，如图1所示，并计算了前30阶结构模态，如图2所示。图1发动机的有限元模型图2发动机的前30阶模态频率通过实验测得了发动机曲轴在多转速工况下的的激振载荷，用瀑布图表示，如图3所示。将该载荷作用于发动机上计算出发动机的结构模态参与因子。图3发动机曲轴上的载荷4发动机的在多转速下的声学响应下面分别计算了发动机在RPM1011、RPM3013、RPM4010和RPM5030工况下的声学相应，得到了某点

6、处的总声压级响应和每阶模态的贡献量，分别如图4—图7所示，从图中可以看出在350Hz出会出现声压峰值，并且主要是由第1阶结构模态因起来的。图4在转速为RPM1011下的声学响应和各阶模态引起的响应图5在转速为RPM3013下的声学响应和各阶模态引起的响应图6在转速为RPM4010下的声学响应和各阶模态引起的响应图7在转速为RPM5030下的声学响应和各阶模态引起的响应5声学传递路径分析首先在模态空间中计算结构振动速度与输入载荷点之间的的传递函数，得到结构的模态参与因子，然后将ATV、结构模态和结构模态参与因子进行乘积，可以到载荷与声压之间的传递函数，然后将载荷和传递函数相成，可

7、以进行传递路径分析（TPA，TransferPathAnalysis）。通过前面的声学响应计算得知，在350Hz时会出现声压峰值。图8（a）—（d）分别是在RPM1011、RPM3013、RPM4010和RPM5030工况下在350Hz时的传递路径分析，从图中可以得知，第1和第4个载荷对总的声学响应起到正的作用，而第2个起负的作用，而第3个引起的声学响应与其他3个载荷引起的响应相比，是很小的，可以忽略。（a）RPM1011（350Hz）（b）RPM3013（350Hz）（c）RPM4010（