聲腔的案例
聲腔的建模與傳涵對標 ￥1
來源：誤入CAE的程序員
作者:朱淑強
“聲腔的建模與仿真對提高整車仿真精度至關重要。本文安利一篇韓國現代汽車和西門子合作研究的一篇關于聲腔建模與對標的案例。通過基于聲腔的模態頻率、振型和傳涵對標，來修正聲腔建模方法，最終提高整車NVH仿真精度。”
01 概述
關于聲腔建模的精度的意義就不說了，案例中首先拋出一個公式。乘員艙內的聲壓P可以使用以下公式來理論計算：
求得了駕駛員人耳出的聲壓，即得到實際的噪聲大小。這里以轟鳴音為例來說明這個公式。式中：
F——動力總成傳遞到車身接附點的實際激勵
VTF——接附點到所有與聲腔耦合結構板件的振動傳遞函數
Area——流固耦合表面的單位面積大小，我的理解這就是指結構的激勵耦合到聲腔上去的一個系數
ATF——英語為Acoustic transfer function，開始我以為是類似于NTF，但其實不是，我的理解應該是在耦合板件位置處加載一個單位聲壓激勵，人耳出得到的聲壓響應，即p/Q，翻譯為聲腔傳遞函數。
那么F*VTF就是所有流固耦合板件的實際激勵大小，乘以流固耦合傳遞到聲腔上去的一個系數Area，得到所有耦合板件出的聲壓激勵大小，再乘以ATF，就能得到人耳出的聲壓實際響應。
所以，要想得到精確的人耳位置實際聲壓大小，就需要有精確的ATF——聲腔傳遞函數，而該函數，即只與聲腔的模態、振型有關，換句話說，也只與聲腔的建模方法，聲腔的材料屬性賦值有關。那么，如何得到精確的聲腔建模方法，案例中以一款三廂車seden為對象，通過以下3步進行：
第一步，采用體積聲源，利用多點激勵，采用實驗的方法獲取聲腔的模態頻率和振型結果，同時采集28條的ATF曲線，作為對標用實驗參照；
第二步，分別對頻率、振型和ATF進行仿真與實驗對標。
展開 NVH仿真教程-車室聲腔模態分析
（詳細操作與設置請參考"流固耦合系統模態分析"）完整的聲腔模型如下圖所示：
聲腔模型建立完成后，聲腔網格模型出來后，還需要對其進行進一步設置。點擊圖示圖標，把聲腔模型單獨顯示出來全選上所有的節點，然后點擊edit，進去設置界面把CD-1勾選，界面將出現-1的字樣，點擊return完成設置。這一步設置把聲腔模型的節點設置為流體節點；
最后定義材料屬性，車室聲腔模型的材料選擇流體材料類型MAT10，設置材料密度1.2e-12 ton/mm^3，聲速340000mm/s. 同樣，由于座椅除了骨架外其余大多由海綿等多孔材料組成，其中填充著大量的空氣，所以座椅的材料選擇也流體材料類型MAT10，設置材料密度1.2e-11 ton/mm^3，比空氣的密度略大，聲速340000mm/s.
最好，檢查一下聲腔模型的網格質量，如無問題，聲腔網格模型就建立完成，下一步可用于模態分析。
聲腔模態分析
求解模態的方法與詳細的參數設置請參考”流固耦合系統模態分析“ ，下面給出本次聲腔的前4階模態計算結果：
上圖的左上為第一階縱向模態，右上為第二階縱向模態，左下為橫向模態，右下為縱向橫向交織模態。圖中的顏色表示壓力的大小，車身不同位置的壓力是不一樣的，有的地方壓力位 0。壓力為 0 的地方的連線稱為聲腔模態的節線，類似于結構模態的節點，當聲腔受到外界激勵的時候，聲壓變化大的地方響應大，即靈敏度大，而聲壓沒有變化的地方，外界的激勵不引起任何變化。
車身的每一階聲腔模態有特定的形狀，表示特定的聲壓分布。隨著模態階次的增加，聲腔模態形狀將會越來越復雜。
展開 聲學仿真專題 | 汽車內的聲腔模態分析
本文演示汽車聲腔，介紹聲腔模態的有限元仿真方法。
1 建模
汽車內的空氣模型如下圖所示：
2 材料參數
空氣的密度和聲速如下圖所示：
3 網格劃分
有限元模型如下圖所示：
4 分析設置
聲腔模態分析的設置如下：
5 分析結果
前六階非零模態頻率如下：
6 考慮座椅的吸聲效應
在以上設置的基礎上，考慮座椅的吸聲效應，如下圖所示：
7 分析結果
前六階非零模態頻率如下：
用戶論文分享 | 基于聲腔傳遞函數的前圍隔音墊選型
基于聲腔傳遞函數的前圍隔音墊選型
陳明，康潤程，李紹磊，姚璐
( 國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽）, 湖北襄陽441004 )
小 廣 告
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摘要
為快速、準確地實現前圍隔音墊選型，提升車內聲學品質，展開研究。以聲腔傳遞函數原理為理論基礎，以整備車身為測試環境，通過理論分析和精準測試，明確3 款不同材質的前圍隔音墊隔聲性能差異。通過對比分析，明確PET+EVA+雙組分棉材質的前圍隔音墊較適合測試樣車，從而完成對測試樣車的前圍隔音墊選型。研究結果為整車狀態下前圍隔音墊選型提供了真實有效的測試案例，為降低乘用車車內噪聲水平提供有效建議。
關鍵詞：聲學；前圍隔音墊；聲腔傳遞函數；隔聲性能；材料
中圖分類號：U467 文獻標志碼：A
DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1355.2019.01.042
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基于Hyperworks汽車聲腔模態分析 ￥12
在車身NVH設計階段，對車室聲腔進行模態分析不僅可以掌握車內空腔的聲學模態頻率和模態振型，從而更好地在設計過程中避免車身結構振動導致的車內共鳴噪聲，合理布置及優化車內聲學特性，以此同時還可以掌握空腔聲場的聲壓分布情況，為預測并分析動態聲學響應做好前期準備。
前處理：Hypermesh 14.0（optistruct/radioss）
求解器：optistruct/radioss
后處理：Hyperview 14.0
聲腔模態陣型圖
聲學仿真專題 | 直管的聲腔模態分析
本文從最簡單的直管出發，介紹聲腔模態的有限元仿真方法。
1 建模
兩端封閉直管內的空氣模型如下圖所示：
2 材料參數
空氣的密度和聲速如下圖所示：
3 網格劃分
有限元模型如下圖所示：
4 分析設置
聲腔模態分析的設置如下：
5 分析結果
前六階非零模態頻率如下：
6 對比理論解
理論解如下，驗證了仿真結果的正確：
7 兩端封閉直管改為一端封閉、一端打開
只需要在分析設置上稍作修改，兩端封閉的直管就可以變為一端封閉一端打開的直管，如下圖所示：
8 分析結果
前六階非零模態頻率如下：
9 對比理論解
理論解如下，驗證了仿真結果的正確：
10 兩端封閉直管改為兩端打開
只需要在分析設置上稍作修改，兩端封閉的直管就可以變為兩端打開的直管，如下圖所示：
11 分析結果
前六階非零模態頻率如下：
12 對比理論解
理論解如下，驗證了仿真結果的正確：
展開 汽車轟鳴聲產生機理研究
建立乘員艙流體網格模型并進行模態計算，如圖10所示，發現48Hz處是車的一階縱向聲腔模態，正好與尾門的整體模態頻率相一致。由前面對轟鳴聲的分析可知，這兩處聲壓峰值產生的機理明顯不同，其解決措施也不同。此款車的發動機為4缸汽油機，在怠速時其轉速為720轉/分鐘，2階點火頻率為24Hz，4階點火頻率為48Hz，這正好激勵起頂棚薄鋼板的局部模態和背門的整體模態。為了改變激勵源對車身的激勵頻率，將怠速轉速從720轉/分鐘調為780轉/分鐘，其2階和4階點火頻率變為26和52Hz，從圖8的紅線可以看出，49Hz峰值消失，很顯然怠速轉速的調整避免了尾門的共振，從而無法激勵其一階縱向聲腔模態。但是，25Hz的峰值移動到27Hz，其聲壓大小并沒有明顯減小，引起的轟鳴聲沒有消除，這是由于在23-27Hz的頻段上車頂處有多處局部模態，怠速轉速的調整并沒有使激勵頻率跳出車頂的共振頻率范圍。因此，需要采取其他措施降低頂棚的共振，如增加集中質量降低局部模態頻率，增加支撐提高局部模態頻率，或者增加瀝青阻尼墊降低頂棚的振動輻射效率。
5 結論
通過RADIOSS進行模態分析和流固耦合分析，使我們對汽車轟鳴聲產生的機理有了深入了解。車內轟鳴聲并非完全由被激勵起的聲腔模態所導致，低于一階縱向聲腔模態頻率時，車身鋼板上如果有局部模態被激起，其輻射噪聲足以產生低頻的轟鳴聲。當振動載荷垂直施加載車身鋼板上時，極易激起與聲腔內聲壓的分布方向一致的各階聲腔模態并產生轟鳴聲，并且對于一階縱向聲腔模態，只要振動載荷垂直施加載車身鋼板上，不論是哪塊區域的鋼板，都可激起聲腔模態并在前排和后排產生轟鳴聲。對于頂棚、地板區域，極易產生共振并激起縱向、橫向和豎向的各階聲腔模態，從而產生車內的轟鳴聲，這一點尤其需要注意。（轉）
展開 【OptiStruct要領】板塊/節點貢獻量
下圖是一個簡化模型示意圖，內部包含流體聲腔，激勵位置與響應位置如圖所示，右側是板塊劃分示意圖。
在結果中選擇Panel Participation to Fluid Grid（Global），該選項的意思是將流體節點的響應分解為各個板塊的貢獻量。
以上圖中的流體節點頻率響應為例，選擇40Hz，輸出該頻率處響應的板塊貢獻量如下：
除此之外，也可以在結果中選擇System Modal Participation to panel(Global)，該選項的意思是將具體某個板塊的貢獻量分解到模態。
如下圖為板塊back在整個頻段上的響應。
可以選擇輸出頻率點101Hz處的模態貢獻量，如下：
3. 板塊貢獻量的響應研究
Study響應研究中，可以研究將其中某些板塊的貢獻量去除，然后查看整體響應的變化。這里我們假設排除back與bottom兩個板塊50%的貢獻量之后再查看響應曲線。
下圖是排除back與bottom兩個板塊50%的貢獻量前后響應曲線的對比。可以看到，在40Hz之后的頻段上，去除back與bottom兩個板塊50%的貢獻量之后，聲腔節點響應顯著降低。
4. 節點貢獻量
節點貢獻量前處理相當簡單，默認可輸出所有流固耦合交界面上結構節點/聲腔節點的貢獻量，也可以由用戶指定只輸出特定節點集的貢獻量。結構節點和聲腔節點都會對聲腔的響應有貢獻，實際結構節點貢獻量與聲腔節點貢獻量具有類似的趨勢，因此無論是結構節點貢獻量還是聲腔節點貢獻量都可以用于定位貢獻量大的位置。但是結構上往往存在孔洞，且結構節點具有多個自由度，如果輸出結構節點貢獻量計算時間、數據量都比較大，因此推薦只輸出聲腔節點的貢獻量即可。
從下圖可知在同一激勵作用下，聲腔節點貢獻量與結構節點貢獻量具有相同的趨勢，且聲腔節點貢獻量更清晰。
展開 工程應用 | Hyundai輕卡駕駛室聲學包仿真與驗證
</p><p><br></p><p>一半的整車SEA結構子系統創建后，會在對稱平面，車內空間和車外側創建附加的輔助SEA板，它們將用于將大聲腔劃分為多個小聲腔。大部分SEA板都是平板，另外單曲率板或雙曲率板用于考慮具有曲率面板的零部件，例如擋風玻璃或輪罩等。一旦創建了全部的結構SEA板，就會使用內置插件腳本程序來生成全部的聲腔。最后全部聲腔生成后，這些輔助SEA板需要被刪除。通常情況下，車內空間被分為多個車內聲腔，例如每個座位分為頭部聲腔和腰部聲腔。駕駛室外部會增加一層或多層聲腔，用以仿真聲音在車輛周圍的傳播。外部聲腔的自由面與SEA半無限流體（SIF，Semi-Infinite Fluids）相連。SIF是代表聲能量的匯聚，可表示為噪聲在自由場中的傳播。</p><p><br></p><p>整車SEA板及聲腔生成后可以自動生成連接Junction并進行連接的檢查，這些連接代表子系統間能量的傳遞。SEA子系統創建后，將需要定義其結構類型（均一結構、復材結構、三明治結構或一般夾層結構）和對應的材料屬性。</p><p><br></p><p>接下來，在SEA板或聲腔面上定義聲學包材料，定義過孔件的傳遞損失，泄漏的類型及尺寸。聲學包材料在VA One中可以定義為噪聲控制處理（NCT，Noise Control Treatment）。噪聲控制處理提供了消除或減少噪聲和振動的功能。對于結構子系統SEA板，NCT對SEA板提供了阻尼減振的作用，而對于聲腔，NCT主要用于吸收降低噪聲能量。這些NCT有多層，每層可以由多孔彈性材料組成，如發泡海綿和玻璃棉。具有挑戰性的任務是測量/估算這些多孔材料的BIOT性能參數。
展開 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
圖1 駕駛室SEA模型板結構子系統
駕駛室聲學包是通過計算駕駛員頭部所在聲腔的平均聲壓來衡量其聲學性能的。由于關注的是駕駛員處的噪聲，因此首先劃分出駕駛員處的頭部聲腔；其次為探尋噪聲的能量傳遞路徑，對駕駛員及乘員分別劃分出腰部、腿部空間。其中座椅有單獨的空間，儀表板也分成上下兩部分，擋風玻璃下方也單獨劃出聲腔子系統。另外，為了便于加載外部聲載荷需要搭建外部聲腔，外部聲腔根據車身外表面的節點進行建立，需要分別建立前擋風玻璃、車門、車窗、車頂、后圍、地板等外聲腔。最終如圖2所示，駕駛室SEA模型共劃分168個聲腔子系統。
圖2駕駛室SEA模型聲腔子系統
本文探討的是工程車輛在60km/h高速行駛工況的車內噪聲，主要激勵源為發動機噪聲及風噪。激勵的輸入值來源于實際工況的測試值。車輛在良好水平路面上以規定工況行駛，采用數據采集系統，在駕駛室外表面分別共計40個測點布置表面麥克風傳感器，記錄駕駛室外表面聲壓信號。發動機噪聲激勵測量，采取車輛在底盤測功機上模擬60km/h行駛的方法，在發動機上、下、左、右、前共5個表面，每個表面布置3個傳聲器，記錄平均聲壓級作為該表面的近場聲壓級。每個發動機近場聲壓及駕駛室表面聲壓測量見圖3，測量值見圖4。
1.3 聲學包模型仿真與試驗對比
在駕駛室外部的噪聲測點對應腔體上，將試驗得到的發動機噪聲及風噪激勵加載到模型中，并根據駕駛室聲學包的布置方案對模型進行吸隔聲處理。原聲學包的材料數據（見表1，采用Mecanum全套材料聲學測試與分析設備采集完成）代入SEA模型，并計算可以得到司機耳旁所在的頭部腔體的平均聲壓級。
圖5所示為60km/h行駛工況的司機耳旁聲壓級仿真值與試驗值對比圖。從圖中可以看出，試驗和仿真結果在400Hz～5000Hz頻域上的趨勢基本一致。
展開 基于optistruct聲固耦合模態分析 ￥80
本案例主要給大家演示如何使用optistruct對流固耦合的結構進行模態分析，以及了解聲腔對結構模態的影響。流固耦合法被廣泛地應用于聲學和噪音控制領域，對空腔結構（比如汽車車室）進行流固耦合模態分析，可以了解到聲腔對結構模態的影響，為研究耦合系統的聲學特性提供可靠的理論參考。在我們汽車結構振動領域應用相對較多的如油箱流固耦合、聲腔耦合分析等，通過進行聲腔與鈑金耦合分析可以了解車身結構件的振動特性及靈敏度。模擬流體對結構動力學特性影響的分析方法有很多種，如流固耦合法、虛擬質量法等。
聲固耦合模態分析結果動畫
技術鄰網友求助
聲腔、結構、聲固耦合模態分析頻率結果
聲腔模態頻率
結構模態頻率
聲固耦合模態頻率
本案例模型見收費內容部分，凡購買本案例的朋友，結合附件中的模型及相關操作說明在仿真操作上還有什么疑問可互相交流。
展開 
【iSolver案例分享18】一端開放圓管空氣聲腔聲模態分析
iSolver可支持結構的模態，也能支持聲介質模態分析，本文以一端開放圓管空氣聲腔聲模態分析的整個流程為例，將iSolver、Abaqus、理論計算結果進行對比，可發現iSolver頻率計算結果以及振型和abaqus完全一致，沒有誤差。
1.2 建模和網格劃分
在Hypermesh中建立三維圓管模型如下圖所示:
圓管長度為4.25,直徑長度為0.2，劃分網格，由于是三維結構，劃分為六面體單元，由于需要在iSolver中分析，iSolver支持Abaqus、Nastran等商業軟件模型的導入，在HyperMesh中導出為Nastran的bdf文件。
圖 1 三維圓管幾何和網格模型
打開iSolver軟件，界面如下：
圖 2 iSolver界面
菜單選擇導入Nastran(*.bdf)文件，導入Hypermesh的BDF模型文件。
圖 3 導入網格模型
HyperMesh導出的體網格是結構網格，聲學模態分析網格類型為聲學單元，iSolver支持1階、2階聲學單元，在這里我們設置為聲學一次線性單元。
展開 某型純電動大客車NVH性能分析及優化
首先應用hypermesh軟件建立整車結構和聲腔模型，分別進行模態分析，計算噪聲傳遞函數（NTF）并確定不符合國標的峰值頻率段；其次在噪聲傳遞函數的基礎上進行板件貢獻量和模態貢獻量分析，確定導致NTF峰值的板件，并通過加加強筋和貼自由阻尼的方式進行優化，最終降低了NTF峰值，改善了車身NVH性能。
1有限元模型建立及模態分析
合理、精準的模型的建立是進行后續分析及優化的重要基礎。由于客車的大部分零件都是薄壁鈑金件，因此本文采用殼單元進行模擬，將整車的stp格式的三維圖導入hypermesh軟件中，抽取中面及幾何清理后劃分網格，考慮到計算時間和成本，網格大小選用20mm；骨架的連接采用rigids剛性連接，骨架與地板、玻璃采用膠粘的方式連接，骨架與蒙皮、頂棚采用點焊的方式連接，其他均采用剛性連接。質量檢查通過后的整車模型
結構模型共有shell單元407438個，rigids剛性單元17582個，焊點、膠等實體單元12318個，節點共計472868個，共計8種材料，36種屬性。如下圖1所示。
圖1.1 帶車身附件的骨架有限元模型 圖1.2 帶座椅的車室聲腔有限元模型
對建立好的整車模型進行補洞，同時考慮到座椅對車室內聲腔影響較大，因此將座椅有限元模型導入NVH Director模塊進行聲腔模型的劃分，車室內聲腔網格大小為100mm，座椅聲腔網格大小為70mm，將節點定義為流體，聲腔模型共計384024個實體單元，71202個節點，材料為空氣和座椅發泡。模型如下圖所示。
對建立好的模型建材料附屬性之后利用optistruct求解器計算大客車的結構及聲學模態，考慮到計算時間及成本，只計算100HZ以內的模態，如下圖所示。
展開 某純電動車開空調車內振動噪聲分析與優化
圖10 方向盤頻響測試圖
通過車身仿真分析顯示整車聲腔一階模態也在50Hz附近，如圖11所示。
圖11 整車聲腔模態圖
綜合以上各子系統的測試結果，可以分析出該樣車開空調車內振動噪聲大原因如下。
1） 壓縮機工作在3000r/min附近時，壓縮機一階振動激勵與動力總成48Hz的pitch剛體模態共振，通過車內一階50Hz聲腔模態耦合放大，導致車內駕駛員右耳噪聲在3000 r/min附近出現明顯轟鳴。
2） 壓縮機工作在3000r/min附近，壓縮機一階振動激勵與動力總成48Hz的pitch剛體模態共振，通過方向盤一階模態耦合放大，導致方向盤3000r/min附近振動出現峰值。
3 優化方案提出及效果驗證
3.1 優化方案分析
由于該問題主要原因是壓縮機一階振動激勵與動力總成剛體模態共振，分別通過方向盤模態及聲腔模態耦合放大導致，基于項目實際情況，優化方向考慮兩方面，一是在壓縮機振動傳遞路徑上增加隔振降低共振激勵源壓縮機振動，二是將動力總成剛體模態與方向盤及聲腔模態解耦。
由于動力總成剛體模態與懸置靜剛度相關性大，且調整靜剛度改動較小，但懸置靜剛度與隔振性能也強相關，所以首先考慮驗證將動力總成剛體模態與方向盤模態及聲腔模態解耦方向進行。該車動力總成懸置采用3點式支撐結構，左右懸置相同，3個懸置設計狀態靜剛度也相同。為了判斷各懸置靜剛度對pitch剛體模態影響趨勢，先后更換不同靜剛度的左、右懸置和全套懸置樣件，并進行動力總成剛體模態測試，其懸置靜剛度參數及pitch剛體模態變化見表1所示。
表1 動力總成Ry剛體模態隨懸置靜剛度變化表
通過對表1進行分析，可以看出方案1僅改變左右懸置靜剛度，此時pitch剛體模態基本無變化，主觀評價其改善效果也不明顯。
展開 ANSA在汽車NVH仿真方面分析 附ANSA中文下載
模態模型和顯示模型
可以自動定義一個模態模型和相應的顯示模型
焊接模型
通過連接管理器，Ansa提供多種連接定義類型
——針對焊點的多種焊接類型，膠粘連接、螺栓連接或者焊縫等
——定義合適的單元
——描述和改進不合適的連接信息
動力聲學模擬中采用的聲腔網格
ANSA提供了針對聲學模擬的網格劃分算法。它針對聲腔網格劃分提供了一個快速創建體網格的方法。
——對聲腔模型進行自動檢測和網格劃分，包含不封閉的體模型
——創建聲腔網格之前先指定敏感的點
——根據指定的相關關鍵詞和參數進行自動創建解答
使用層壓材料的阻尼板模型
使用復合材料來降低阻尼是一個趨勢，為了提高結構的聲學性能，使用一些阻尼片來吸收振動。這些阻尼片可以在ansa中創建。
——精確估算層壓材料真實的混合物性質
——快速修改每一個阻尼層的屬性
——詳細記錄復合材料的結構和計算ABD剛度矩陣
質量調整
ANSA中質量調整信息取決于一些選項并可以基于以下幾項來實現
—— 有關增加的數量信息和目標質量分布——一些質量分布樣式
下載地址：ANSA中文
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