鄧習(xí)樹，邵 威，黃志亮

（三一集團(tuán)有限公司研究總院，湖南 長(zhǎng)沙410100）

隨著工程機(jī)械行業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)工程機(jī)械駕駛室的舒適性和噪聲提出了更高的要求.為了降低駕駛室噪聲，改善駕駛室的舒適性，多年來國(guó)內(nèi)外專家就工程機(jī)械駕駛室的噪聲預(yù)估、測(cè)量、評(píng)價(jià)和控制方法等方面進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，制定了相應(yīng)的噪聲限值和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)［1－3］，并提出了許多有效的噪聲控制方法［4－6］，促進(jìn)了噪聲預(yù)估理論和方法的發(fā)展.

自20世紀(jì)70年代中期以來，相繼發(fā)展了建筑聲學(xué)法、模態(tài)分析法、統(tǒng)計(jì)能量分析法和積分方程法等多種有效的噪聲分析和預(yù)估方法［7］.其中，模態(tài)分析法和統(tǒng)計(jì)能量分析法目前應(yīng)用較為廣泛，但它們都有一定的局限性，其適用范圍取決于結(jié)構(gòu)空間的尺度和所關(guān)心的頻率范圍.

工程機(jī)械領(lǐng)域駕駛室內(nèi)部噪聲在可聽閾20～20 000Hz范圍內(nèi)，受重視的頻率大多數(shù)是中高頻范圍；而且其還受到結(jié)構(gòu)及內(nèi)飾等大部分子系統(tǒng)的影響，用傳統(tǒng)的模態(tài)分析方法對(duì)這些噪聲進(jìn)行仿真顯得很困難，因?yàn)槟B(tài)分析方法局限于對(duì)能夠清楚辨認(rèn)的有限數(shù)量的低階模態(tài)進(jìn)行分析，分析誤差隨著頻率范圍向更高擴(kuò)展而增大，分析難度隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度而增加.但統(tǒng)計(jì)能量分析（Statistical Energy Analysis，SEA）在這些方面具有明顯優(yōu)勢(shì).它不僅為高頻段結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的不確定性給出了合理的描述，同時(shí)也為在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的振動(dòng)噪聲預(yù)估提供了一條途徑，被廣泛應(yīng)用于振動(dòng)與聲學(xué)領(lǐng)域的研究［8－9］.

1 噪聲SEA預(yù)估理論及其模型建立

1.1 統(tǒng)計(jì)能量分析基本理論

統(tǒng)計(jì)能量分析方法運(yùn)用能量流關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、振動(dòng)響應(yīng)及聲輻射進(jìn)行理論評(píng)估，是一種模型化分析方法［10］.它的基本原理是在確定條件下，受隨機(jī)激勵(lì)的兩個(gè)耦合系統(tǒng)間的振動(dòng)能量流動(dòng)率正比于兩系統(tǒng)間平均模態(tài)能量的差.典型的兩個(gè)子系統(tǒng)SEA模型如圖1所示.

對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)可以寫出功率流平衡方程為

式中：Pi為子系統(tǒng)i的輸入功率；ω為頻帶中心頻率；Ei為子系統(tǒng)i的平均能量；ηi為子系統(tǒng)i的內(nèi)損耗因子；ηij為子系統(tǒng)i到子系統(tǒng)j的耦合損耗因子.用矩陣表示為

圖1 兩個(gè)子系統(tǒng)的SEA模型Fig.1 SEA modal of two subsystems

對(duì)于具有m個(gè)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可以建立m個(gè)能量平衡方程，將它們表示成矩陣形式為

式中：Pm為子系統(tǒng)m的輸入功率；ηm為子系統(tǒng)m的內(nèi)損耗因子；ηmj為子系統(tǒng)m到子系統(tǒng)j的耦合損耗因子；nm為子系統(tǒng)m的模態(tài)密度；Em為子系統(tǒng)m的平均能量.

子系統(tǒng)的能量E可以用振動(dòng)速度和聲壓來表示：

式中：M為子系統(tǒng)的質(zhì)量為空間振動(dòng)速度均方值為空間聲壓均方值；Z0為空氣的聲阻抗率.通過式（4）和式（5）可以計(jì)算出各個(gè)子系統(tǒng)的振動(dòng)速度和聲壓.

1.2 工程機(jī)械駕駛室SEA模型的建立

本文以某工程機(jī)械產(chǎn)品的駕駛室為研究對(duì)象，利用統(tǒng)計(jì)能量分析方法對(duì)其內(nèi)部噪聲進(jìn)行了預(yù)估分析.在對(duì)駕駛室建立統(tǒng)計(jì)能量分析模型之前，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理.對(duì)駕駛室SEA模型進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：

（1）一些電焊在板件上的加強(qiáng)板、筋等結(jié)構(gòu)，以及梁柱構(gòu)件和駕駛室內(nèi)的座椅結(jié)構(gòu)可以忽略.

（2）駕駛室外部的結(jié)構(gòu)，如后視鏡、雨刷、天線等附件都不出現(xiàn)在模型中.

（3）去掉伸入駕駛室內(nèi)部的部件，如中控臺(tái)、儀表板等.

（4）系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲源對(duì)駕駛室部件的聲激勵(lì)同其他子系統(tǒng)相比很小，可以忽略不計(jì).

建立統(tǒng)計(jì)能量分析模型需要完成以下三項(xiàng)基本工作：確定外界激勵(lì)源；按照模態(tài)相似的原則劃分子系統(tǒng)；找出功率流傳遞途徑.

預(yù)估模型的準(zhǔn)確性是精確分析駕駛室內(nèi)部噪聲的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確建立有賴于子系統(tǒng)劃分的合理性.對(duì)于統(tǒng)計(jì)能量分析的子系統(tǒng)只有相似共振模態(tài)組成的子系統(tǒng)才可以存儲(chǔ)振動(dòng)能量，因此，要依據(jù)模態(tài)相似原理劃分子系統(tǒng).

子系統(tǒng)劃分完成之后就利用統(tǒng)計(jì)能量分析軟件中的建模工具分別建立各個(gè)子系統(tǒng).模型建成之后，分別定義各子系統(tǒng)的物理屬性，并利用統(tǒng)計(jì)能量分析軟件中的自動(dòng)連接功能將公用的點(diǎn)、線、面進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的能量傳遞.利用統(tǒng)計(jì)能量分析軟件建立駕駛室預(yù)估模型如圖2所示.

用統(tǒng)計(jì)能量分析法解決問題的關(guān)鍵在于獲得SEA三個(gè)基本參數(shù)，即模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子，一般均可通過試驗(yàn)和仿真計(jì)算的方法得到.如圖3—5為利用統(tǒng)計(jì)能量分析軟件計(jì)算得到的部分子系統(tǒng)的模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子.本文中對(duì)于復(fù)雜子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子是采用試驗(yàn)的方法獲得的，所采用的試驗(yàn)方法是基于Hilbert變換的瞬態(tài)衰減法.圖6所示為試驗(yàn)測(cè)得的前擋風(fēng)玻璃內(nèi)損耗因子.

圖2 某工程機(jī)械駕駛室SEA模型Fig.2 SEA modal of the construction machinery’cab

圖3 子系統(tǒng)模態(tài)密度計(jì)算值Fig.3 Calculated value of the subsystem’modal density

圖4 子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子計(jì)算值Fig.4 Calculated value of the subsystem’damping loss factor

圖5 子系統(tǒng)間耦合損耗因子計(jì)算值Fig.5 Calculated value of the subsystem’coupling loss factor

圖6 前擋風(fēng)玻璃實(shí)測(cè)內(nèi)損耗因子Fig.6 Actual damping loss factor of the front windshield

2 噪聲預(yù)估結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證與模型修正

2.1 模型修正前仿真結(jié)果及實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

該工程機(jī)械駕駛室噪聲以空氣聲傳播為主.因此，將實(shí)際工況下駕駛室外聲場(chǎng)測(cè)試結(jié)果作為載荷輸入給SEA模型，對(duì)照駕駛室內(nèi)部噪聲聲壓級(jí)的測(cè)量值與計(jì)算預(yù)測(cè)值以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性.圖7為工程機(jī)械駕駛室模型計(jì)算和測(cè)量值的比較.

從圖7中可以看出，駕駛室內(nèi)部噪聲1/3倍頻程實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢(shì)較為一致，但部分中心頻段數(shù)值相差較大，總的噪聲能量誤差為41.4%.另外，從駕駛室噪聲能量分布和傳遞圖（見圖8）中可以看出，駕駛室噪聲能量主要集中在駕駛室地板和前擋風(fēng)玻璃上.可以推斷：部分中心頻段數(shù)值相差較大的原因是駕駛室地板上孔、縫的聲泄漏以及內(nèi)飾件的吸聲特性未作處理.

圖7 修正前仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of simulation results and measured results

圖8 部分中心頻率對(duì)應(yīng)的噪聲能量分布及傳遞方向Fig.8 Noise energy distribution and transfer direction

2.2 統(tǒng)計(jì)能量分析模型的修正

考慮到駕駛室地板孔、縫的聲泄漏以及駕駛室頂部?jī)?nèi)飾和座椅的吸聲特性，利用統(tǒng)計(jì)能量分析軟件根據(jù)駕駛室實(shí)際情況對(duì)駕駛室地板進(jìn)行了聲泄漏處理，以及對(duì)駕駛室頂部?jī)?nèi)飾和座椅進(jìn)行了吸聲特性處理，其中座椅的吸聲是采用等效處理的辦法.

該工程機(jī)械駕駛室SEA模型經(jīng)過修正后，其仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖9所示.整個(gè)1/3倍頻程頻譜修正后與實(shí)測(cè)結(jié)果比較一致，總的噪聲能量誤差為8.2%.說明創(chuàng)建的駕駛室SEA模型經(jīng)過修正之后，能夠準(zhǔn)確分析駕駛室內(nèi)部噪聲水平，達(dá)到了預(yù)期的目的，并且可以用于降噪預(yù)測(cè)分析.

圖9 修正后仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of modification results and measured results

3 降噪措施效果預(yù)測(cè)及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 駕駛室降噪措施效果預(yù)測(cè)

由圖8駕駛室噪聲能量分布以及能量傳遞路徑分析可知，駕駛室前擋風(fēng)玻璃和地板是噪聲能量傳遞的主要路徑，所以可以通過改變前擋風(fēng)玻璃和地板這兩條主要傳遞路徑來降低駕駛室噪聲.

本文以封堵駕駛室地板孔、縫為例，進(jìn)行了降噪效果預(yù)測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證.利用已修正的駕駛室噪聲預(yù)估模型模擬封堵地板孔、縫結(jié)構(gòu)的降噪效果，降噪措施實(shí)施前后1/3倍頻程頻譜對(duì)比如圖10所示.封堵地板孔、縫可以降低駕駛室內(nèi)部噪聲約2.5dB（噪聲能量降低43.1%），降噪效果較為明顯.

圖10 降噪措施實(shí)施前后1/3倍頻程頻譜Fig.10 1/3octave spectrum for predicting results

3.2 駕駛室降噪措施試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)駕駛室降噪措施效果預(yù)測(cè)分析結(jié)果，對(duì)該工程機(jī)械駕駛室實(shí)施了簡(jiǎn)易降噪措施（如圖11所示），并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.通過封堵地板孔縫，有效地降低了駕駛室噪聲，降噪量達(dá)2.3dB（噪聲能量降低41.1%）.通過對(duì)比降噪量預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值，噪聲能量誤差約為4.5%.

圖11 駕駛室簡(jiǎn)易降噪措施實(shí)施Fig.11 Simple noise reduction measures for the cab

4 結(jié)語

本文利用統(tǒng)計(jì)能量分析方法建立某工程機(jī)械駕駛室內(nèi)部噪聲預(yù)測(cè)模型，并對(duì)其內(nèi)部噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，得到以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過試驗(yàn)修正后的駕駛室內(nèi)部噪聲預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，整個(gè)1/3倍頻程頻譜比較一致，且總的噪聲能量誤差為8.2%，證實(shí)了所建立的駕駛室內(nèi)部噪聲預(yù)估模型的有效性.

（2）由統(tǒng)計(jì)能量分析可知，該工程機(jī)械駕駛室內(nèi)部噪聲主要能量來源是前擋風(fēng)玻璃和地板，對(duì)駕駛室內(nèi)部實(shí)施降噪時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注前擋風(fēng)玻璃和地板.

（3）通過對(duì)該工程機(jī)械駕駛室降噪效果的預(yù)測(cè)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，封堵駕駛室地板孔、縫能有效降低內(nèi)部噪聲聲壓級(jí)，噪聲能量降低達(dá)40%，預(yù)測(cè)結(jié)果與驗(yàn)證結(jié)果相比，噪聲能量誤差約為4.5%，說明統(tǒng)計(jì)能量分析方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)駕駛室噪聲.

因此，實(shí)際工程中，工程機(jī)械駕駛室的中高頻噪聲問題可以方便地利用統(tǒng)計(jì)能量分析法進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析和解決，從而在產(chǎn)品概念和設(shè)計(jì)早期階段為研發(fā)人員提供設(shè)計(jì)依據(jù).

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