統計能量分析法的案例
基于統計能量分析方法的工程車輛駕駛室聲學包優化 附統計能量分析原理及其應用下載
傳統的聲學分析通常依賴于有限元FEM（Finite Element Method） 及邊界元BEA（Boundary Module Analysis），但其僅適用于解決中低頻噪聲問題。隨著頻率增加，波長變短，系統的動態特性變得更為復雜，單位帶寬內的模態數量急劇增加，模型計算量巨大，模型無法準確計算。介于上面的缺點，人們開始使用統計的方法處理復雜的動態響應特性。統計能量分析方法SEA（Statistical Energy Analysis），已被成功應用于車輛的聲學、振動傳遞路徑分析，并可以準確地進行各種結構于車輛的振動、聲學預測。
本文針對某型工程車輛，應用統計能量分析方法分析預測駕駛室司機耳旁噪聲，并對比試驗結果校核模型。根據仿真數據進行噪聲源分析，確定聲學包優化方案，通過仿真與試驗方法確定優化效果。
1 工程車輛駕駛室SEA模型的建立
1.1
統計能量分析基本原理
統計能量分析（
SEA
）是一種把研究對象劃分成子系統后，用功率流描述子系統間復雜作用關系的模型化分析方法。統計能量分析模型有
6
個基本假設：（
1
）模型的子系統間是線性守恒的耦合，不存在非保守性質的耦合特征；（
2
）能量是在具有共振頻率的子系統之間流動；（
3
）子系統受到的激勵為互不相關的寬帶隨機激勵，統計上獨立，具有模態非相干性；（
4
）在一個子系統中，固定頻帶內所有共振的模態能量均分；（
5
）互易性原理適應于不同子系統間；（
6
）任兩個子系統間的能量流與振動時耦合的子系統間的能量成正比。
1.2 SEA
模型建立及加載
在仿真軟件中建立駕駛室的
SEA
模型，是功率流平衡方程在具體結構上的形象化。
展開 MSC Nastran與Actran聯合實現中高頻統計能量分析
MSC Nastran具備靜力學、動力學、非線性、優化、氣彈等功能全面的結構分析功能，在航空、汽車、船舶等各個行業均有廣泛的應用。MSC Nastran采用的數值計算方法是有限元理論，在中低頻段結構振動分析方面有多年的成功應用經驗。但是有限元方法自身要求一個空間波長范圍內至少有六個到八個以上的單元，這也就導致了有限元方法在面對中高頻振動分析時，需要將結構網格尺寸設置的非常小才能滿足上述要求，從而使計算量大大增加，甚至難以完成計算。
針對這種中高頻的振動問題，則適合采用統計能量法進行仿真分析。Actran作為一款功能全面、方法先進的聲學分析軟件，具備聲學分析、聲振耦合分析、流動噪聲分析、以及統計能量分析等多種功能。
統計能量分析中所需的參數主要有兩種來源：基于理論或者基于試驗。而Actran的虛擬統計能量分析方法還可以直接通過中低頻有限元分析計算得到這些參數，并可以通過外插的方式將其向高頻段進行拓展。如下圖所示車門模型，計算到2kHz，需要采用8mm的網格，計算時間30min，而計算到8kHz，則需要4mm的網格，計算時間8h。
采用Actran的虛擬統計能量分析可以非常準確的將2kHz計算得到的參數拓展到8kHz范圍內，從而在幾乎不損失計算精度的前提下大大提高計算效率。因此Actran的虛擬統計能量法可以完美的解決上述中高頻振動分析問題。
但是，也有很多用戶對MSC Nastran非常熟悉而不具備Actran的使用經驗；還有一些情況，用戶已經具備了MSC Nastran的結構模型，重新在Actran創建一套統計能量分析模型則略顯繁瑣。
展開 設計仿真 | MSC Nastran與Actran聯合實現中高頻統計能量分析
MSC Nastran具備靜力學、動力學、非線性、優化、氣彈等功能全面的結構分析功能，在航空、汽車、船舶等各個行業均有廣泛的應用。MSC Nastran采用的數值計算方法是有限元理論，在中低頻段結構振動分析方面有多年的成功應用經驗。但是有限元方法自身要求一個空間波長范圍內至少有六個到八個以上的單元，這也就導致了有限元方法在面對中高頻振動分析時，需要將結構網格尺寸設置的非常小才能滿足上述要求，從而使計算量大大增加，甚至難以完成計算。
針對這種中高頻的振動問題，則適合采用統計能量法進行仿真分析。Actran作為一款功能全面、方法先進的聲學分析軟件，具備聲學分析、聲振耦合分析、流動噪聲分析、以及統計能量分析等多種功能。
統計能量分析中所需的參數主要有兩種來源：基于理論或者基于試驗。而Actran的虛擬統計能量分析方法還可以直接通過中低頻有限元分析計算得到這些參數，并可以通過外插的方式將其向高頻段進行拓展。如下圖所示車門模型，計算到2kHz，需要采用8mm的網格，計算時間30min，而計算到8kHz，則需要4mm的網格，計算時間8h。
采用Actran的虛擬統計能量分析可以非常準確的將2kHz計算得到的參數拓展到8kHz范圍內，從而在幾乎不損失計算精度的前提下大大提高計算效率。因此Actran的虛擬統計能量法可以完美的解決上述中高頻振動分析問題。
但是，也有很多用戶對MSC Nastran非常熟悉而不具備Actran的使用經驗；還有一些情況，用戶已經具備了MSC Nastran的結構模型，重新在Actran創建一套統計能量分析模型則略顯繁瑣。
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針對這種中高頻的振動問題，則適合采用統計能量法進行仿真分析。Actran作為一款功能全面、方法先進的聲學分析軟件，具備聲學分析、聲振耦合分析、流動噪聲分析、以及統計能量分析等多種功能。
統計能量分析中所需的參數主要有兩種來源：基于理論或者基于試驗。而Actran的虛擬統計能量分析方法還可以直接通過中低頻有限元分析計算得到這些參數，并可以通過外插的方式將其向高頻段進行拓展。如下圖所示車門模型，計算到2kHz，需要采用8mm的網格，計算時間30min，而計算到8kHz，則需要4mm的網格，計算時間8h。
采用Actran的虛擬統計能量分析可以非常準確的將2kHz計算得到的參數拓展到8kHz范圍內，從而在幾乎不損失計算精度的前提下大大提高計算效率。因此Actran的虛擬統計能量法可以完美的解決上述中高頻振動分析問題。
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目錄：
第一篇 汽車噪聲與振動的基本原理和分析方法
第一章 汽車歷史、結構、噪聲與振動概述
第二章 聲學基礎
第三章 振動基礎
第四章 有限元法
第五章 邊界元方法
第六章 統計能量分析法
第七章 模態分析與綜合
第八章 傳遞路徑分析法
第九章 汽車振動噪聲測試技術
第二篇 發動機及動力傳動系統的噪聲與振動
第十章 發動機的振動
第十一章 發動機的噪聲
第十二章 管道聲學及進氣系統的噪聲與振動分析
第十三章 排氣系統的噪聲與振動分析
第十四章 動力裝置的振動隔離系統分析
第十五章 動力傳動系統的噪聲與振動
第三篇 車身及整車噪聲與振動
第十六章 車身振動和結構傳播噪聲
第十七章 空氣傳播噪聲
第十八章 風激勵噪聲
第十九章 整車噪聲與振動的綜合分析
第四篇 汽車噪聲與振動專題
第二十章 汽車噪聲與振動的評價
第二十一章 汽車產品開發和噪聲與振動控制
第二十二章 汽車主動和半主動噪聲與振動控制
第二十三章 摩擦引起的噪聲與振動
第二十四章 汽車噪聲與振動控制的新問題和發展趨勢
附錄 汽車噪聲振動術語英中文對照
展開 《汽車噪聲與振動：理論與應用》
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軌道交通聲學仿真與測試及系統仿真技術研討會
2017年6月14 -15日 成都
會議亮點：
高速列車模態測試技術
列車制動系統關鍵部件建模及半實物仿真技術
振動噪聲的仿真分析技術及高頻統計能量法
西南交通大學專家技術經驗分享
Siemens PLM Software在軌道交通工具方面具備一流的解決方案，在傳統軌道交通工具乃至韓國首爾的全新磁懸浮列車的設計中，我們都以出色的解決方案為客戶打造優秀品質，如LMS聲學及振動噪聲仿真與測試解決方案、多體動力學仿真技術、機電一體化系統仿真技術等。
在6月14-15日這一天半的研討會期間，我們的國內外技術專家將為大家講解如何全面高效的解決軌道交通工具的振動噪聲問題、制動系統的仿真問題，包含了模態測試方法，傳遞路徑分析方法，制動系統建模，管路聲學、進排氣、氣動噪聲的仿真，以及高頻統計能量分析法等，同時，西南交通大學圣小珍教授及趙悅博士也會針對最新研究與大家分享經驗和技術。此次研討會一定會為參會者帶來有價值的工程技術解決方案，為您打開新思路。
展開 2017.06.14-15-成都-軌道交通聲學仿真與測試及系統仿真技術...
軌道交通聲學仿真與測試及系統仿真技術研討會
2017年6月14 -15日 成都
會議亮點：
? 高速列車模態測試技術
? 列車制動系統關鍵部件建模及半實物仿真技術
? 振動噪聲的仿真分析技術及高頻統計能量法
? 西南交通大學專家技術經驗分享
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展開 基于Nastran的能量有限元方法（EFEA）介紹
搞聲振響應預示的人都知道，傳統的預示方法為：低頻用有限元方法（如Virtual Lab、actran），高頻用統計能量方法（VA ONE），但這兩種方法存在各自的局限。傳統的有限元（FEA）為了滿足計算精度的要求，單元數會隨頻率的升高呈幾何級數增長，計算規模和時間也陡然增加；同時由于單元數量的劇增，形函數引起的局部誤差也會由于累積而被顯著放大，計算精度也得不到保證。因而不適合求解高頻振動問題。統計能量分析法（SEA）雖然是現在做能量流分析的最成熟的方法，但也存在一定的局限性。由于統計特性的需求，較粗且合理的子系統劃分需要一定的經驗，這使其難以精確預示子系統內局部位置的響應，也就無法充分表征結構的幾何特性，無法有效反映子結構的非均勻阻尼特征或非均勻載荷特性，且不易進行實際結構形態的設計與優化。
在MSC Nastran 2010版本里，增加了用于中高頻聲振響應預示的新方法——能量有限元方法的軟件模塊EFEA。能量有限元方法（EFEA）是用來預示結構中高頻動響應的一種新方法，它視能量以波動形式在結構中傳遞，以有限元離散結構，從而可得到結構上所有感興趣點的能量及響應信息，使結構的局部幾何特性及阻尼特征可以得到充分表達，非均勻分布的載荷也能嚴格描述。而相比SEA來講，EFEA能夠對局部阻尼或局部受載結構的局部響應進行預示，在獲取結構中高頻局部響應特性方面具有獨特優勢；EFEA的這些優點使得它在分析復雜結構時，能夠深入反映結構的復雜細節信息，非均勻結構材料特征均能得到有效的考慮，因此EFEA是復雜結構中高頻響應預示的有效工具，是一種非常具有研究價值和發展前景的中高頻動響應預示方法。
EFEA 目前能夠支持梁結構單元、板、殼結構等2D單元、3D聲單元，還包括一些特殊的單元如spring/isolator、acoustic treatment等。
展開 
汽車行業常用的CAD、CAE軟件簡介
碰撞分析方法主要包括有限元法、多剛體系統動力學法河機械振動學法。汽車碰撞分析主要進行車身結構的耐撞性研究、碰撞生物力學研究和乘員約束系統及安全內飾件研究。?
④NVH分析。工程中常用的NVH分析方法有：多剛體系統動力學方法、有限單元法、邊界元法、統計能量分析法。?
⑤空氣動力學分析。主要進行汽車高速行駛時的氣動噪聲分析，分析汽車高速行駛時空氣流場對操縱穩定性的影響。?
在汽車CAE領域，在上述通用化商業化軟件得到廣泛應用的同時，一些面向汽車產品設計開發領域特定問題的專用商品化軟件業得到了很好的發展，如：Adams/car（常與Matlab/simulink進行聯合仿真）ADVISOR、PSAT等。?
主要軟件介紹如下：?
1、MSC.ADAMS?
MSC.ADAMS（Automatic?Dynamic?Analysis?of?Mechanical?Systems，機械系統動力學自動分析）是一款功能完善的系統動力學分析軟件，是美國MSC.Sofeware公司的系列軟件產品之一。應用它可以方便地建立參數化的實體模型，并采用多剛體系統動力學原理進行仿真計算，進行機電產品性能分析。
MSC.ADAMS軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業領域模塊及工具箱5類模塊組成。?
在汽車領域SMC.ADAMS/Car的應用已比較普遍。ADAMS/Car吸收了Audi、BMW、Renault和Volvo等汽車公司的設計開發經驗，能夠快速建立高精度的車輛子系統模型和整車模型，可以通過高速動畫直觀地再現各種工況下的車輛運動學和動力學仿真，并輸出表征穩定性、制動性、乘坐舒適性和安全性等的性能參數。?
展開 混合動力總成NVH開發技術研究
電機的NVH設計包括設計需求、拓撲設計、電磁設計、仿真分析、A樣機測試、整改優化、B樣機測試、整車匹配共八個階段。設計需求階段依據整車性能需求以及對標車性能參數等確定電機性能參數，對飆車NVH性能測試，確認整車級一總成級一電機本體一零部件級NVH性能指標。拓撲設計階段依據電機用途確認電機類型、轉子結構等拓撲結構的選擇，確定長徑比對電機周圍聲場的影響，整數槽、分數槽的選擇，考慮不同類型和不同結構電機的NVH特征。電磁設計階段，設計電機的幾何尺寸、極槽配合、繞組、材料選型等，考慮不同極槽配合、繞組繞法和層數等對電機NVH的影響、齒槽轉矩分析。仿真分析階段包括電磁力仿真分析、結構模態分析、多源激勵下的NVH響應分析等。
A樣機測試包括臺架NVH驗證測試、校驗仿真分析結果、結構模態測試、臺架噪聲源識別測試等。整改優化階段包括電磁方案優化分析、結構方案優化分析、平衡其他性能指標、確定最優可實施方案等。B樣機階段包括：臺架NVH驗證測試、校驗仿真優化分析結果、裝車NVH驗證測試、達成單體項目標等。整車匹配階段包括電驅動總成懸置系統解耦設計、基于統計能量分析法、吸隔聲試驗技術及臺架NVH試驗技術的電驅動總成聲學包和整車聲學包正向開發并達成整車項目目標。電機噪聲控制 1）轉子槽的設計，通過降低電磁力及轉矩脈動引起的電磁噪聲沿徑向分布的空間集中度，降低轉矩脈動幅值;2）合理的極數/槽數配合，避免轉矩波動及噪聲的選型的首要原則;3）降低磁負荷，如齒尖加厚等；4）合理的氣隙設計;5）限制導線位移:提升電機槽滿率，降低槽內導線空隙，限制導線位移;定子結構的控制;殼體的控制;車身傳遞路徑的控制。
展開 完美“聲優” | ProNas在大型船舶中高頻噪聲預測的應用
這樣隨著頻率的增加，結構彎曲波波長變小，結構網格需要進一步細化，對計算資源要求較高，且結構模態密集，重疊交錯，響應表現出不確定性，具有了統計的概念，因此，有限元和邊界元就不再適合解決中高頻問題。
統計能量分析（SEA）用于解決中高頻問題，且模態越密集，其計算精度就越高。但統計能量分析不能保證子系統的空間變量信息的完整性[2]，難以精確預示子系統內能量密度分布[3]且子系統的劃分需要一定的經驗，不易進行實際結構形態的設計與優化[4]，模態密度及耦合因子的準確與否直接影響結果的準確度[5-6]。所以為了更好的控制中高頻噪聲，就需要有更好的理論方法。
能量有限元法[7](EFEA)是一種預測中高頻動響應的新方法，它是以波動理論為基礎，將結構離散化，在單元之間建立能量密度關系式，從而求解得到所有節點的能量密度。能量有限元法以有限單元為對象，保證了模型的完整性，但是在結構突變處引入了大量重復節點，求解效率得不到平衡，能量有限元理論目前可以解決一些簡單的有限元噪聲問題，對于復雜問題的應用依然比較困難。
ProNas能量有限元是在統計能量分析及能量有限元理論的基礎上，以有限單元為研究對象，混合了SEA及EFEA理論，利用有限體積法及差分法推導出得類似于SEA的理論方程，聯立求得每個有限單元的能量密度。ProNas能量有限元法避免了在結構突變處引入重復節點，保證了求解精度和計算效率，是一種具有較高研究價值及應用價值的中高頻噪聲控制方法。
展開 某民用直升機艙內噪聲水平仿真分析研究
但OTPA法仍然完全基于真實試驗，無法適用于處于設計階段或不具備進行實測條件下的艙內噪聲分析。為解決該問題，可以采用統計能量法(Statistical Energy Analysis, SEA)分析噪聲源載荷，將試驗測得的振動或聲場信息作為輸入，從能量的角度定性分析影響艙內噪聲響應的主要能量傳遞途徑和貢獻度。
圖２ 噪聲源貢獻量分析模型
分析得到的結構噪聲源貢獻量和空氣噪聲源貢獻量分別如圖3和4所示，可以看出，主減振動和發動機振動是主要的結構噪聲源，主減／發動機艙內聲場和油箱艙內聲場是主要的空氣噪聲源，貢獻量都達到了20％以上。
圖３ 結構噪聲源貢獻量
圖４ 空氣噪聲源貢獻量
2. 噪聲源簡化與加載
通過上述分析，確定了結構噪聲源分為主減振動和發動機振動。將這些結構噪聲源簡化成不同頻率下的等幅（加速度）周期性正弦激勵，即
主減撐桿振動和發動機支座的振動信息由飛行實測得到，結果如表1所示。
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