某拖拉机驾驶室声学特性分析与改进

来源：声学学报 【在线投稿】栏目：期刊导读时间：2021-01-13

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。