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摘要：通过对汽车车内空间建立相应的有限元模型进行噪声主动控制研究，在某些位置布放次级声源来对模型进行降噪模拟，发现在单个次级声源或两个次级声源共同作用下，都能取得比较好的降噪量，而且两个次级声源共同作用可以抵消单个次级声源不能抵消的声模态。
关键词：车内噪声；主动控制；次级声源
汽车车厢内的声场可看作是一个封闭空间的噪声场。封闭空间噪声主动控制的目的通常是降低该空间全空间或某一局部区域内的噪声级。封闭空间中的噪声场既可以由内部噪声源产生，也可以由外部噪声通过弹性壁透射或耦合振动而产生。本文将由发动机引起的车内低频噪声作为噪声源，利用有源噪声控制理论[1]分析的待消声区域的声场分布和通过合适的次级声源布放位置来抵消噪声场，本文着重运用专业声学分析软件SYSNOISE 对模型进行仿真分析，得出车内声场的抵消效果。
1.客车有限元模型仿真分析
本文的客车有限元模型用MSC.Patran 软件建立， 以长安
SC3762A 为参照，长1m，宽0.45m，高0.50m，与真车的比例约为1：4。由于车内主要是低频噪声， 所以研究的频率范围取为150Hz~450Hz。每个模型单元有8 个节点，形状接近正方体。该模型在最高频率上有25 个单元。初级声源P 位于汽车发动机处，设为一点声源，P 和次级声源S1~S4的位置如图1 所示。次级声源S4在S3的正对面。 （图片）
图1 小客车有限元模型 将模型输入SYSNOISE 进行声学分析［3］， 假设空气密度为1.225kg/m3，声速为340m/s，对于所有特征频率，均假设阻尼比为0.01。频率在150Hz~400Hz 之间的声模态幅值和相位如图2 所示。（图片）
图2 声模态幅值和相位 从声模态幅值图中看到，模态1(181.2Hz)和模态4(378.7Hz)有一个波节面在模型的中央，分别垂直于x 轴和z 轴，幅值从波节面沿着轴线向两边慢慢增大。模态6 有两个波节面分别垂直于x 轴和z 轴，幅值沿x-z 平面的对角线慢慢变大。相比这三个模态， 声模态2(338.9Hz)、3(356.5Hz)的波节面形状并不规则，但是它们都与x-y 平面垂直，也就是说沿着z 方向幅值不变。相位的趋势基本与模态幅值趋势相同，只是在通过波节面后变化的幅度很快，基本上在波节面以外的空间中相位要么同相，要么反相。所以不断调整次级声源的幅值与相位可以得到最优降噪量。
2.次级声源布放及降噪效果分析
要取得大的降噪量，次级声源的布放位置相当重要。一般来说，次级声源要尽量布放在声模态幅度反波节面或靠近反波节面的位置［1］，但在实际的车室中，由于其空间形状和声学条件的复杂性，加上次级声源不允许安装在乘客身体能接触到的位置。结合实际综合考虑后，选取4 个次级声源，安放位置如图1 所示。下面图3、图4 是不同次级声源作用下，车内全空间时间平均声势能Ep和f 的关系。实线均表示初级声源作用下的Ep。（图片）
图3 虚线———次级声源S1、S2、S3、S4作用下的Ep （图片）
图4 虚线———次级声源(S1、S2)\(S1、S3) (S2、S3)(S2、S4)作用下的Ep 图3、图4 反映了在单个或两个次级声源作用下，全空间总的时间平均声势能的变化情况。从图中可以看到，在频率为416.4Hz 的声模态上，只有在次级声源S1作用下能取得大约5dB 的降噪量，而其他单个次级声源作用时，平均声势能的降噪量降低不到1dB，这是因为次级声源S2、S3、S4正好处于该模态的波节面上，但是在次级声源S1、S2共同作用后，取得了良好的降噪效果。当单个次级声源作用时，只有在次级声源S2作用时， 频率为419.9Hz 的声模态取得了好的降噪量，但是这个情况在两个次级声源同时作用时得到解决。在S1、S4作用下，频率为378.7Hz、419.9Hz 的声模态的降噪效果不佳， 观察声模态相位图可以发现，在这两个模态，初级声源和次级声源处于反相180°，当我们调整幅值和相位使次级声源和初级声源处在同相的声模态达到好的降噪量时，在这两个模态上往往效果不佳，有时还会增大，在经过适当的优化后，我们选取了满足要求的最好次级强度，得到相对来说比较好的降噪量，而且在用两个次级声源同时作用后，这个问题也得到解决。另外还可以发现，次级声源S1、S3单独作用下不能抵消的声模态，在S1、S3联合作用下可以抵消。总而言之，在这些次级声源作用下，全空间总的时间平均声势能都取得比较好的降噪量；如果单个次级声源作用不能抵消的声模态，通过选取两个合适的次级声源共同作用，也能够取得好的降噪量。关于次级声源的布放原则，可以归纳如下：（1）如果次级声源放置在声模态节线上，那么不管声源强度有多大，它都不能激发这阶声模态。次级声源也不能靠声模态节线太近，因为在这种情况下想抵消节线附近的声场需要很大的次级声源强度，空间总的声势能将不能得到有效控制；（2）如果一个次级声源放置在几个主导声模态的最大幅值处，它可以抵消这几个声模态，而不激发其它声模态；（3）单个次级声源作用不能抵消的声模态，联合作用则可抵消。
3.结论
通过对汽车有限元模型的某些位置布放次级声源来进行降噪模拟，发现在单个次级声源或两个次级声源共同作用下，都能取得比较好的降噪量，而且两个次级声源共同作用可以抵消单个次级声源不能抵消的声模态，由于本文所研究的只是通过点声源对点声源的抵消作用，而实际的车内噪声更为复杂，因此还需要运用更为复杂的控制手段才能达到更好的效果，但是本文所用的有源消声方法和软件分析工具还是对主动控制消除车内噪声有很大帮助，而且随着人们对汽车乘坐舒适性要求的提高、环保意识的加强以及汽车工业的发展，乘客对汽车乘坐舒适性的要求也越来越高，用有源消声技术来改善车辆内部声学环境，降低车内噪声水平，相信会在车内噪声控制方面有越来越多的广泛应用。
【参考文献】
［1］陈克安.有源噪声控制［M］.北京：国防工业出版社，2003.10.
［2］P.A.Nelson，A.R.D.Curtis，S.J.Elliott，et al. The active minimization of harmonic enclosed sound field， Part I：Theory，Part II：A Computer Simulation，Part III：Experimental Verification［J］.Journal of Sound and Vibration，117(1)，1~58，1987．
［3］LMS SYSNOISE Rev 5.5 Users Manual．
2/20/2012
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