车内振动噪声与声学优化的有限元建模研究

车内振动噪声与声学优化的有限元建模研究

黄晓霞

比亚迪汽车工业有限公司 深圳市 518000

摘要：在现代社会中，汽车已经成为人们生活中不可或缺的交通工具。然而，车辆在行驶过程中产生的振动噪声问题，不仅影响了驾驶者和乘客的舒适性，还可能对健康产生负面影响。因此，减少车内振动噪声，提高汽车的声学性能变得至关重要。声学优化是解决这一问题的关键方法之一，它涉及有限元建模、声学材料的选择、结构改进和减振技术等多个方面。本文将深入研究这些方法，以期为解决车内振动噪声问题提供有效的解决方案。

关键词：车内振动噪声、声学优化、有限元建模、声学材料、减振技术、主动降噪系统

1. 车内振动噪声与声学问题

1.1 车内振动噪声的来源与特点

车内振动噪声是指在汽车行驶过程中产生的振动和噪声问题。它的来源多种多样，包括来自发动机、车辆底盘、车轮和路面不平整等因素。这些振动和噪声通过整车的车身框架结构和板结构进行振动噪声传递，辐射到乘员舱后，会影响驾驶者和乘客的舒适性，降低行驶过程中的安静度。车内振动噪声的特点包括频率范围广、振幅不一、持续时间长，这使得它成为汽车行驶过程中常见的困扰因素。为了改善乘车体验和提高驾驶者的专注度，需要深入了解振动噪声的产生机制和传播途径，以制定有效的声学优化策略[1]。

1.2 声学优化的必要性

声学优化是解决车内振动噪声问题的必要手段。车内振动噪声不仅降低了驾驶者和乘客的舒适性，还可能对健康产生负面影响，如引发疲劳、增加压力，甚至损害听力。此外，过高的振动噪声水平还会降低驾驶者的警惕性，可能导致事故的发生。因此，声学优化的必要性不仅在于提高行驶舒适性，还在于确保乘客的健康和安全。通过声学优化，可以减少车内振动噪声，提高声学性能，改善驾驶和乘车体验，为驾驶者和乘客创造更宁静、更舒适的汽车环境。这使声学优化成为现代汽车制造业不可或缺的一部分，有助于提高汽车的市场竞争力和乘客满意度。

2. 有限元建模的基础知识

2.1 有限元分析的定义和原理

有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是一种数值分析方法，用于模拟复杂结构的力学行为。其原理基于将复杂结构分割成许多小的有限元单元，每个单元可以用简单的数学方程来描述其行为。通过将这些单元组合起来，可以模拟整个结构的响应。在声学问题中，有限元分析用于模拟振动和声波的传播，以及结构对声波的响应。这包括考虑材料的声学性质、结构的几何形状和边界条件等因素，以预测结构中的声学性能。

2.2 车辆结构的有限元建模

车辆结构的有限元建模是声学优化的基础，它涉及将整个车辆分解成小的有限元单元。在有限元建模过程需要详细了解车辆结构的材料特性和几何结构，以确保模型的准确性[2]。在有限元分析时通常采用六面体网格来对模型进行离散并分析，但由于整车模型较为复杂，零部件表面特征多，六面体划分的网格容易产生畸变，从而影响计算精度，因此在有限元的前处理工作中需要仔细对划分的网格进行排查，以确保分析的准确性。

2.3 振动与声学的有限元建模

声学问题通常涉及结构的振动和声波传播。有限元建模方法可以用于同时考虑振动和声学因素。这包括模拟车辆结构的振动响应，以及预测声波如何在结构中传播和反射。有限元建模还可以考虑材料的声学性质，如声传播速度和吸声特性。通过这种综合的建模方法，可以更准确地分析车辆内部的振动噪声问题，以便进一步进行声学优化。有限元建模为声学优化提供了强大的工具，使研究人员能够深入了解车辆结构的声学特性，为减少车内振动噪声提供有效的策略。这种建模方法有助于优化声学材料的选择、结构设计和减振技术的应用，以改善汽车的声学性能。

3. 车内振动噪声建模

3.1 车辆结构的有限元模型

车内振动噪声建模的核心是创建车辆结构的有限元模型。这一模型是通过将车辆分解成许多小的有限元单元来实现的。每个有限元单元都代表了车辆结构的一部分，如车身、底盘、车轮、发动机等。每个单元都具有特定的材料属性、几何形状和边界条件，以反映该部分的物理性质。对车辆的各组成部分的模型进行分解后利用有限元方法进行网格划分处理，这些单元之间通过节点相互连接，形成了整个车辆的有限元模型。这个模型能够模拟车辆的结构刚度、质量分布和几何形状，为后续的振动和声学分析提供了基础。

3.2 动力学模拟和振动分析

一旦建立了车辆结构的有限元模型，接下来是进行动力学模拟和振动分析。这一步骤旨在模拟车辆在不同工况下的振动响应。动力学模拟使用有限元模型来考虑外部激励，如不平整路面、发动机振动和悬挂系统的影响。通过应用这些激励，可以模拟车辆在行驶过程中的振动，包括车轮和底盘的振动，以及传递到车身的振动。振动分析帮助确定振动的频率、振幅和模态形状，从而有助于识别潜在的振动噪声源。

3.3 声学传递路径分析

声学传递路径分析是车内振动噪声建模的最后一步。在这一分析中，使用车辆结构的有限元模型来模拟声波如何在车内传播和反射。这包括考虑材料的声学性质，如声传播速度和吸声特性。声学传递路径分析帮助确定声音从振动源头传播到车内乘客空间的路径。这包括振动的传递途径和声音在车内的反射点。通过这一分析，研究人员能够识别声音在车内产生噪声的位置和路径，为声学优化提供重要信息。

4. 声学优化策略

4.1 声学材料的选择和应用

声学材料在声学优化中扮演着关键的角色。这些材料被选择和应用以减少车内振动噪声。吸声泡沫、隔音板和隔音材料是常见的声学材料，它们的设计旨在吸收和分散声波能量。这些材料可以粘贴在车内的关键区域，如车身壁板、天花板、地板和车门内部，以减少声音的传播。吸声材料能够有效地减少噪音的反射，降低噪声级别，改善车内声学环境。选择合适的声学材料取决于材料的吸声性能、耐久性和成本等因素[3]。

4.2 结构改进和减振技术

结构改进和减振技术是另一项关键的声学优化策略。这些技术旨在减少车辆结构的振动，从而降低振动噪声的产生和传播。其中包括在车身结构中增加加强筋和加强件，以改变结构件的固有频率，更改框架结构件之间的连接强度，提高结构的刚度，减少振动。此外，使用减振材料，如阻尼材料和负载分布层，可以减少振动的传播。设计减振结构，如振动吸收器和隔音隔振装置，有助于降低结构振动的影响。隔音封堵，如密封车窗和门缝，还可以减少噪音的传播。这些措施结合在一起，可以有效地减少车内振动噪声。

4.3 主动降噪系统的设计

主动降噪系统是一种高级声学优化策略，它使用传感器和激励器来主动抵消振动噪声。传感器监测车内的振动和噪音水平，然后激励器产生反向声波，以抵消噪音。这种系统能够实时调整以适应不同的振动噪音源和条件。主动降噪系统通常应用于高端汽车中，提供卓越的噪音控制性能。通过精心设计和集成主动降噪系统，车辆制造商可以显著提高车内声学性能，为驾驶者和乘客提供更宁静和舒适的乘车体验。声学优化策略的综合应用可显著解决车内振动噪声问题。这些策略涵盖了多个领域，包括声学材料的选择和应用、结构改进和减振技术以及高级主动降噪系统的设计。

5. 结语

车内振动噪声与声学优化是一个复杂而重要的研究领域，它关系到汽车行驶过程中乘客的舒适性和健康。通过有限元建模的方法，以及声学材料、结构改进和减振技术的应用，我们可以显著减少车内振动噪声，提高汽车的声学性能。这不仅改善了驾驶体验，还有助于乘客的健康和安全。随着技术的不断进步，我们可以期待更多创新的声学优化策略，为汽车行业带来更加宁静和舒适的未来。

参考文献

[1] 许京邓建交姜雪冯婧婷张强.某乘用车加速行驶车内噪声问题诊断与优化研究[J].汽车科技, 2022(1):76-80.

[2] 谢璐佳,张凡,刘灿东,等.基于分步有限元法的110kV变压器振动与噪声研究[J].高压电器, 2023, 59(8):22-34.

[3] 刘家海,胡永利,刘舫泊,等.线下式桥建合一车站振动噪声特性及控制研究[J].铁道工程学报, 2022(007):039.