CN110765675B - 一种汽车排气系统噪声预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽车排气系统噪声预测方法。所述方法包括：预先建立车内声腔与车身之间的声‑振耦合有限元计算模型；预先计算不同运行工况下频率域的排气系统吊钩振动传递力‑车内目标点噪声声压传递函数，并存入数据库；预先计算不同运行工况下频率域的排气系统吊钩悬挂点振动位移‑吊钩振动传递力传递函数，并存入数据库；建立排气系统动力学有限元计算模型，并计算吊钩悬挂点处的振动位移；用振动位移乘以数据库中的振动传递力‑车内目标点噪声声压传递函数和振动位移‑吊钩振动传递力传递函数预测车内目标点的噪声声压。由于在进行噪声预测时不需要计算前述两个传递函数，大大降低了计算量，提高了车内噪声预测速度。

Description

一种汽车排气系统噪声预测方法

技术领域

本发明属于汽车车内噪声测量技术领域，具体涉及一种由汽车排气系统振动引起的噪声的预测方法。

背景技术

汽车车内噪声是影响乘坐舒适性的重要因素之一。高噪声既能损害乘员的身心健康，又能导致驾驶员迅速疲劳，对汽车行驶安全构成了极大的威胁。随着道路状况的改善及车辆振动平顺性研究成果的应用，车内噪声在评价车辆乘坐舒适性中起着越来越重要的作用。当前，以降低车内噪声水平，改善车内声学环境，提高车辆乘坐舒适性为目标的研究已成为汽车领域的研究热点之一，而车内噪声的快速准确预测是必要的分析技术。

预报由于排气系统噪声源振动并通过吊钩向车体传递，进而引起车内噪声的传统方法是：建立车内声腔与车身的声-振耦合有限元模型，然后计算激励源振动激励引起的车内噪声。由于汽车结构复杂，为保证计算精度，车内声腔与车身的声-振耦合模型通常包含极高的网格数和自由度，因此一次计算所需时间极长，预报效率极低；另外，汽车运行工况多变，实际工程中需要多工况的车内噪声预报结果。现有的通过车内声腔与车身的声-振耦合模型进行车内噪声预报方法，面临着有限元模型计算效率过低的瓶颈。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种汽车排气系统噪声预测方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种汽车排气系统噪声预测方法，包括：

步骤1，预先建立车内声腔与车身之间的声-振耦合有限元计算模型；

步骤2，基于步骤1建立的模型，预先计算不同运行工况下频率域的排气系统吊钩振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数，并存入数据库；

步骤3，基于步骤1建立的模型，预先计算不同运行工况下频率域的排气系统吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数，并存入数据库；

步骤4，建立排气系统动力学有限元计算模型，并计算吊钩悬挂点处的振动位移Q；

步骤5，从数据库中调出与工况对应的排气系统吊钩振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数H₁和排气系统吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数H₂，通过计算H₁×H₂×Q预测车内目标点的噪声声压。

进一步地，所述步骤2计算频率域的排气系统吊钩悬挂点振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数的方法包括：

针对每个吊钩，依次在吊钩车身侧悬挂点处局部坐标系下三个相互垂直的方向x、y、z施加单位力，基于步骤1建立的车内声腔与车身之间的声-振耦合有限元计算模型，分别计算目标点处产生的噪声声压p_x、p_y、p_z，并进行如下转换：

其中，p₀为参考声压，p₀＝2×10^-5帕斯卡。

对L_i进行快速傅里叶变换，得到频率域的吊钩悬挂点处在x、y、z方向的振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数。

进一步地，所述步骤3计算频率域的排气系统吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数的方法包括：

从步骤1建立的模型中去掉车身及其内部声腔部分。将吊钩处的固定支撑边界条件改为弹性支撑边界条件，即所述模型中增加一个一端与吊钩联接、另一端固定支撑的弹簧。在计算出吊钩处的振动位移后，与所述弹簧的刚度相乘得到吊钩处的振动传递力。用振动传递力除以振动位移后进行快速傅里叶变换，得到频率域的吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过预先建立车内声腔与车身之间的声-振耦合有限元计算模型，基于所述模型预先计算不同运行工况下频率域的排气系统吊钩振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数和振动位移-吊钩振动传递力传递函数，并存入数据库，建立排气系统动力学计算有限元模型，计算吊钩悬挂点处的振动位移，并与数据库中与工况对应的排气系统吊钩振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数和振动位移-吊钩振动传递力传递函数相乘，预测车内目标点的噪声声压。由于进行噪声预测时不必计算前述两个传递函数，大大降低了计算量，提高了车内噪声预测速度。

附图说明

图1为本发明实施例一种汽车排气系统噪声预测方法的流程图；

图2为驾驶员右耳处预测的噪声声压的频谱信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例一种车排气系统噪声预测方法的流程图如图1所示，所述方法包括：

S101、预先建立车内声腔与车身之间的声-振耦合有限元计算模型；

本步骤用于建立车内声腔与车身之间的声-振耦合有限元计算模型。车身结构主要包括白车身及其附属部件，如车门、车窗、地板、联接件等；车内声腔是由车身结构包围而成的封闭的内部空气腔。建立模型前，需要准备汽车车身完整的CAD模型。该模型通常包含丰富的结构细节，有利于生成加工图纸，但不能直接用于有限元分析。因此，应对该CAD模型进行处理，去掉对车身动力学特性影响较小的部件，如车锁；对可能存在的缺失面或破损面进行修复。另外，一个关键的步骤是对螺栓、胶粘等联接结构的处理。这些结构既可简化为刚性联接，亦可通过弹簧单元模拟其真实刚度。CAD模型处理完毕后，即可对其划分网格。网格类型通常设定为四边形单元，网格尺寸可按“单位波长用6～10个单元模拟”的规则进行确定。划分网格后，应对其质量进行检查，重划变形过大的单元，以避免影响计算精度。车内声腔可以用三维实体单元进行网格划分，并可在车身结构网格的基础上通过向内扩散生成。在这一步骤中，应注意车内声腔与车身结构在其交接面上的网格节点应是“一对一”匹配的，以利于声固耦合条件的实现。

S102、基于S101建立的模型，预先计算不同运行工况下频率域的排气系统吊钩振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数，并存入数据库；

本步骤用于计算不同运行工况下频率域的排气系统吊钩振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数。传递函数描述的是动力学系统的响应与其所受激励之间的动态关系。针对本步骤具体的传递函数，需要在的吊钩悬置点施加激励力，然后根据S101建立的模型计算在车内目标点的噪声声压，求噪声声压与激励力的比值(或再对比值取对数)后进行快速傅里叶变换就得到频域的传递函数。目标点即车内待预测噪声的位置点，一般选在驾驶员耳旁位置。汽车运行工况是指汽车运输行驶过程中的工作状况，本实施例主要是指汽车发动机不同的转速。由于排气系统与车身通过多个吊钩联接，每个吊钩可视作一个力-声传递路径；同时又需考虑多个不同的运行工况，因此需要建立很多的传递函数，这将造成巨大的计算负担。为此，本步骤针对具体车型将其所有可能用到的力-声传递函数预先计算出来并存入数据库。这样，在后续的计算中如需使用这些传递函数，可以直接在数据库中调用它们，能够明显地降低计算量，提高计算速率。

S103、基于S101建立的模型，预先计算不同运行工况下频率域的排气系统吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数，并存入数据库；

在本步骤中，由于根据排气系统部分的模型可以计算吊钩处的振动位移，但不能直接得到吊钩振动传递力。因此，需要建立振动位移-吊钩振动传递力传递函数，由吊钩处的振动位移乘以所述传递函数得到吊钩振动传递力。同理，由于需要建立很多这样的传递函数，将造成巨大的计算负担，所以需要预先计算各种工况下的传递函数，并存入数据库中以待调用。

S104、建立排气系统动力学计算有限元模型，并计算吊钩悬挂点处的振动位移Q；

在本步骤中，首先建立排气系统动力学计算有限元模型，然后根据所述模型计算吊钩悬挂点处的振动位移。排气系统主要包括管路、波纹管、消声器、吊钩等。模型建立方法同S101基本相同，也包括CAD模型的简化与修整、网格划分及其质量检查等。需要重点关注的是排气系统中波纹管元件的处理。波纹管是联接两段刚性管、使其具有一定相对运动自由度的元件，具有特殊的力学性质，仅通过有限元难以完全模拟其变形行为。为此，应提前对波纹管实施振动试验，获取其在各方向上的动刚度，然而将此刚度以弹簧单元的形式加入排气系统的有限元模型中，即可较好地代替波纹管的动力学影响。排气系统有限元模型建立后，在其入口处施加发动机引起的振动激励，即可计算吊钩悬挂点处的振动位移响应。

S105、从数据库中调出与工况对应的排气系统吊钩振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数H₁和排气系统吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数H₂，通过计算H₁×H₂×Q预测车内目标点的噪声声压。

本步骤是根据上一步得到的吊钩悬挂点处的振动位移与吊钩振动位移-吊钩振动传递力传递函数和吊钩振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数相乘，预测车内目标点的噪声声压。值得说明的是：每个吊钩悬挂点一般对应局部坐标系下三个方向的传递函数，因此在一个目标点处将得到三个噪声声压，需要对这三个噪声声压进行合成——求平方和后再开平方。由于预测噪声用到的两个传递函数事先已计算好并保存在数据库中，因此只需从数据库中调出与具体工况对应的两个传递函数，与吊钩悬挂点处的振动位移求积即可得到目标点处的噪声声压。因此可大大降低计算量，提高噪声声压预测速度。

作为一种可选实施例，所述S102计算频率域的排气系统吊钩悬挂点振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数的方法包括：

针对每个吊钩，依次在吊钩车身侧悬挂点处局部坐标系下三个相互垂直的方向x、y、z施加单位力，基于S101建立的车内声腔与车身之间的声-振耦合有限元计算模型，分别计算目标点处产生的噪声声压p_x、p_y、p_z，并进行如下转换：

其中，p₀为参考声压，p₀＝2×10^-5帕斯卡。

对L_i进行快速傅里叶变换，得到频率域的吊钩悬挂点处在x、y、z方向的振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数。

本实施例给出了计算吊钩悬挂点振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数的一种具体方法。每个吊钩悬挂点传递函数的计算方法相同，都是依次在吊钩车身侧悬挂点处局部坐标系下三个相互垂直的方向施加激励力。为了计算方便，取激励力为单位力，如1牛顿，这样在目标点得到的噪声声压的值就是所要求的用比值表示的传递函数。噪声声压一般用相对参考声压的分贝数表示，因此需要将噪声声压除以参考声压后取对数乘20。值得说明的是：虽然三个吊钩悬挂点局部坐标系的三个相互垂直的方向均用x、y、z表示，但实际上三个吊钩悬挂点对应三个不同的局部坐标系，三个局部坐标系的x、y、z表示的方向并不相同。

作为一种可选实施例，所述S103计算频率域的排气系统吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数的方法包括：

从步骤1建立的模型中去掉车身及其内部声腔部分。将吊钩处的固定支撑边界条件改为弹性支撑边界条件，即所述模型中增加一个一端与吊钩联接、另一端固定支撑的弹簧。在计算出吊钩处的振动位移后，与所述弹簧的刚度相乘得到吊钩处的振动传递力。用振动传递力除以振动位移后进行快速傅里叶变换，得到频率域的吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数。

本实施例给出了计算频率域的排气系统吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数的一种具体方法。在排气系统吊钩悬挂点振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数数据库建立以后，就可以将车身及其内部声腔部分从整体模型中去除，仅保留排气系统及其悬挂吊钩部分。若需计算车内噪声，只需计算吊钩处的振动传递力，将其与振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数相乘即可。但是通过保留的排气系统模型，仅可计算吊钩处的振动位移，不能直接获取该处的振动传递力。为此，本实施例将吊钩处的固定支撑边界条件改为弹性支撑边界条件，即在所述模型中增加一个一端与吊钩联接、另一端固定支撑的弹簧。弹簧的刚度与排气系统的管路弯曲刚度在一个数量级即可，一般在10⁶～10¹⁰牛/米之间取值。这样在计算出吊钩处的振动位移后，与所述弹簧的刚度相乘得到吊钩处的振动传递力，进而可以求出传递函数。

上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种汽车排气系统噪声预测方法，其特征在于，包括：

步骤1，预先建立车内声腔与车身之间的声-振耦合有限元计算模型；

步骤2，基于步骤1建立的模型，预先计算不同运行工况下频率域的排气系统吊钩振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数，并存入数据库；

步骤3，基于步骤1建立的模型，预先计算不同运行工况下频率域的排气系统吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数，并存入数据库；

步骤4，建立排气系统动力学有限元计算模型，并计算吊钩悬挂点处的振动位移Q；

步骤5，从数据库中调出与工况对应的排气系统吊钩振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数H₁和排气系统吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数H₂，通过计算H₁×H₂×Q预测车内目标点的噪声声压；

所述步骤3计算频率域的排气系统吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数的方法包括：

从步骤1建立的模型中去掉车身及其内部声腔部分；将吊钩处的固定支撑边界条件改为弹性支撑边界条件，即在所述模型中增加一个一端与吊钩联接、另一端固定支撑的弹簧；在计算出吊钩处的振动位移后，与所述弹簧的刚度相乘得到吊钩处的振动传递力；用振动传递力除以振动位移后进行快速傅里叶变换，得到频率域的吊钩悬挂点振动位移-吊钩振动传递力传递函数。

2.根据权利要求1所述的汽车排气系统噪声预测方法，其特征在于，所述步骤2计算频率域的排气系统吊钩悬挂点振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数的方法包括：

针对每个吊钩，依次在吊钩车身侧悬挂点处局部坐标系下三个相互垂直的方向x、y、z施加单位力，基于步骤1建立的车内声腔与车身之间的声-振耦合有限元计算模型，分别计算目标点处产生的噪声声压p_x、p_y、p_z，并进行如下转换：

其中，p₀为参考声压，p₀＝2×10^-5帕斯卡；

对L_i进行快速傅里叶变换，得到频率域的吊钩悬挂点处在x、y、z方向的振动传递力-车内目标点噪声声压传递函数。

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