文摘

出租车的噪声直接影响运营商的舒适和劳动效率。结构传递传输路径的优化可以明显降低驾驶室噪声。面板声学贡献分析的方法(天竺鼠)用于降低结构噪声。然而,大多数的研究只考虑单一频率的面板声学贡献,不考虑的贡献主要频率合成确认优化的面板。本文提出了一种新颖的方法基于复合面板声学和模态贡献分析和噪声传递路径优化在纵槽模型。首先,有限元模型(FEM)和声学模型建立。基于声传递向量(ATV)方法,提出了复合面板声学贡献分析方法确定影响场的噪声点的面板。结合模态声传递向量的模态声贡献(MATV)方法,噪声场的观点是确认在该地区最重要的影响。第二,优化算法NLOPT这是一个非线性优化应用于设计领域。噪声传输路径优化与声振耦合响应可以快速确定最优板厚度,降低低频噪声。 The effectiveness of the proposed method is applied and verified in an excavator cab. The sound pressure level (SPL) the driver’s right ear (DRE) decreased obviously. The acoustic analysis of the composite panel acoustic contribution and modal acoustic contribution can more accurately recognize an optimized area than the traditional PACA. This method can be applied in the optimization of the structure-borne transmission path for construction machinery cab and vehicle body.

1。介绍

噪声、振动和严酷(噪音)通常是用来评估车辆的司机的安慰1,2]。随着学术的环境和技术改进工程机械振动和噪声标准,工程机械的摩擦性能已通过近年来的主要制造商。的成就汽车噪音分析方法和工程机械噪音的设计已经逐渐形成有限元与边界元为核心(3,4]。

分析和控制振动和噪声的出租车,不断努力。盛和Tijs波数有限和边界元方法用于获得数值解(5,6]。李用实验方法获得轿车白车身的结构模态,它提供了一个很好的方式来解决类似的问题(7,8]。莫汉蒂发现结构噪声的频率小于1 kHz,属于中低频率范围,并且可以抑制结构振动控制的(9]。张进行有限元建模后的车辆驾驶室测量随机激励。出租车的低频结构噪声预测时车身壁板的贡献进行了分析(10]。Hyunwoo Siano声学响应计算和预测的噪声输入激励(11- - - - - -13]。郭和程减少了自汽车车身面板结构传递噪声振动控制(14,15]。包分析和预测出租车内的声场的装载机使用声学振动耦合,和设计优化了确认面板声学贡献最大的(16]。长和沃尔夫声学响应,分析面板贡献量,和模态参与因子通过应用ATV和MATV卡车的驾驶室,方法和面板确认需要改进(17,18]。吴建立HELS-based近场声学全息术(不)配方,可以分析和排名小组对声场的声学贡献和重建车辆乘客舱内部的声场(19]。目前,天竺鼠的传统方法旨在最大峰值声压级字段。然后面板最有助于最大声压级是公认的。最后,面板是改善来减少噪音。然而,在实践中,通常有多个峰值声压与小彼此的差异。一个小组的贡献也不同的主频率。时的最大峰值声压频率降低,另一个可能在另一个频率增加。因此,降噪的效果不理想。在这项研究中,提出了一种复合面板声学贡献分析方法,需要考虑多个频率。

经过认可的对车内噪声贡献很大的地区,有必要优化面板。汉族相比,三种不同的条件来确定最优方案(20.]。梁结构拓扑优化用于修改面板(21]。大多数研究人员使用实验或拓扑优化方法来优化板以减少出租车的车内噪声,但很少使用施工机械的优化算法。优化算法解决多目标优化问题,研究了广泛如全局优化算法(22,23),当地没有梯度优化算法(24- - - - - -26),基于梯度的局部优化算法(27- - - - - -29日),等等。减少噪声的优化在一辆出租车是一个约束,多目标、多变量问题,适用于没有梯度优化算法。陈和Kumar在NLOPT图书馆学习算法和选择适当的算法来解决多目标问题[30.,31日]。NLOPT库的优化算法可以满足要求。

总之,目前的研究主要侧重于单频天竺鼠,而很少考虑多个频率的综合贡献当认识到优化面板。此外,大多数的转移路径优化方法是拓扑优化或multischeme实验比较,同时优化算法与仿真软件相结合的方法很少用于出租车。本文的理论和方法复合构造面板声学和模态贡献分析。复合面板声学和模态综合贡献来确定改进的面板和地区。传输路径优化耦合声学软件,使用Python语言和算法优化面板和地区。最后,验证了该方法的有效性在挖掘机驾驶室。

2。分析理论基础

2.1。复合面板声学贡献分析方法

之间的能量转移从驾驶室面板的振动源,弯曲波是主要的波动形式。周期平均功率通过一个简单的谐波弯曲波表示为 在哪里 是一个薄的面板结构的最大正常速度, 抗弯刚度, 是角频率,k是波数。单位波长的一个简单的谐波振动能量波弯曲可以表示为

振动能量的传输在一层薄薄的面板可以由最大正常速度在不同的位置。

管理声场的波动方程如下: 在哪里p表示声音的压力, 表示声音的速度,t表示时间, 表示的拉普拉斯算子。指板理论,面板的振动微分方程在驾驶室结构如下: 在哪里 表示薄面板的密度, 表示薄面板的厚度 表示正常负载作用于单位面积上的表面结构。

建立了有限元表示通过应用面板的结构动力学方程与波动方程和利用伽辽金方法。 在哪里 表示节点的位移列向量; 表示节点的声压列向量; , ,和 质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,分别; 表示外部载荷作用在结构上的列向量或声音腔;下标的年代和f分别表示结构的身体和声音腔;和一个表示声压和位移的耦合矩阵。忽视了吸声材料和阻尼材料、声学空腔阻尼矩阵和结构阻尼矩阵为零。应用傅里叶变换,上述方程转换如下: 在哪里 , ,和 同时,频域参数吗 和 时域参数。由于声学空腔没有负载墙板振动以外,外部负载 = 0。

让

然后方程(6)转换为

可以推断,薄驾驶室的振动速度控制面板会影响振动能量,声辐射。

ATV的关系说明了声压响应领域点和表面振动速度。 在哪里 表示声压场点, 表示声传递向量, 表示一个面板的正常振动速度。声学贡献的代数和每个元素的声学贡献在面板领域点。元素的数学公式声学贡献如下: 在哪里 表示的声学贡献 th元素 面板领域点。

基于以耦合方程,综合声学空腔内声压场点表达如下: 在哪里 所产生的声压面板吗j在网站N和n表示所有相关面板的数量。量化的贡献面板振动领域点的声压级,声压组件造成的任何面板j在网站N预计的方向声压相结合的复杂向量获得传统的面板合成声压的贡献。

复合面板声场贡献分析需要考虑所有声压峰值,即。,同样的重要性是给所有声压峰值。根据贡献的总声压级领域,有必要给予不同的权重声压峰值,和修正系数 介绍和定义如下: 在哪里 感兴趣的峰值声压频率和吗 是均方根(RMS)值,和复合面板声学贡献得到如下:

2.2。模态贡献分析方法

模态声传递向量之间的关系说明了该领域点的声压和模态参与因子,它考虑了结构模态的基础上ATV。按照振动表面的位移矢量,正常的振动速度矢量预计将表面的法线方向。 在哪里 表示矩阵的结构模态和 表示矩阵的模态参与因子。田野点的声压可以计算的 在哪里 表示模态声传递向量,可以计算的

每个频率的模态贡献计算通过提取模态矩阵识别优化区域。

3所示。复合面板声学分析方法和模态的贡献

本文运用复合面板声学和模态贡献分析方法识别优化区域,然后使用一个噪声传输路径优化与声振耦合响应来确定最优面积减少低频噪声。

图1显示了复合面板声学和模态贡献分析的过程。首先,有限元法建立了出租车的声学模型和耦合。结构计算模型和声学空腔模型的模态参与因子。基于声振耦合模型和外部激励,SPL的字段计算点。声振模型的正确性与实验和仿真结果对比验证了。第二,ATV方法基础上,提出了复合面板声学贡献分析方法确定影响领域的主要板点。复合面板声学贡献分析给予不同的权重声压峰值。结合模态声MATV方法的贡献,最大的噪音影响的地区在面板领域点确认。最后,噪声传输路径优化与声振耦合响应分析可以确定面板厚度,降低低频噪声。NLOPT优化算法应用于设计领域。


图1
复合面板声学和模态贡献分析的过程。

4所示。应用和验证

本文以一个挖掘机驾驶室为应用目标的新方法。挖掘机在施工应用最广泛的设备。为了减少面板振动引起的低频噪声在挖掘机驾驶室,复合面板声学和模态贡献分析和噪声传递路径优化应用。优化结果验证了一个实验。

4.1。数值模型
以下4.4.1。驾驶室结构模型

挖掘机驾驶室主要是由焊接板壳结构。一些结构性部件如小洞,拐角设计,标签没有影响出租车模型应用于简化的过程。白色的物质身体的Q235 210 GPa弹性模量, 密度、泊松比0.3。玻璃被添加在身体的有限元白色构成一个封闭的出租车。玻璃的弹性模量是72 GPa,密度 ,泊松比是0.22。出租车是网状平均网格单元大小为10毫米。图2(一个)显示了有限元的出租车的手机号324072和节点数量的319817。根据程序解决出租车的结构模型,第一个四个封闭式驾驶室的结构模式,如图3。大多数大型位移模态形状都集中在眼镜,这表明眼镜容易兴奋的振动。

(一)
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(b)
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图2
一个封闭的驾驶室的结构和声学模型。(一)结构模型。(b)声学模型。
(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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图3
一个封闭的结构模态的出租车。(一)25.7赫兹:1圣结构模态。(b) 32.8 Hz: 2nd结构模态。(c) 44.9 Hz: 3理查德·道金斯结构模态。(d) 46.8 Hz: 4th结构模态。
4.1.2。出租车声学模型

声学模型的基础上建立了结构模型。材料的声学空腔的空气 速度和 密度。面板振动引起的频率范围主要是20 - 200赫兹。提高模拟精度,声学网格的长度应满足要求 ,在哪里l表示的长度/声学网格单元, 表示声音的速度 表示的最大频率。声学网格的最大长度为283.33毫米。声学网格的长度设置为40毫米。此外,声学模型是获得9453个元素,如图2 (b)。图4显示了前四个挖掘机驾驶室的声学模式。结构模态和声学模态可以进口音响的声振模型响应分析。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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图4
出租车的声学模态。(一)98.6赫兹:1圣声学模态。(b) 105.6 Hz: 2nd声学模态。(c) 147.4 Hz: 3理查德·道金斯声学模态。(d) 184.7 Hz: 4th声学模态。
4.1.3。驾驶室声振模型

封闭式驾驶室的结构模型是第一个输入到仿真软件。然后声学空腔模型也是进口的。田野点设置在声学空腔的元素。出租车下创建的激发点。最后,结构模型和声学空腔模型取得了相互映射的方式建立的耦合的脸。建立了挖掘机驾驶室的声振耦合模型,如图5。


图5
驾驶室声振耦合模型。
4.2。数值分析
4.2.1。准备基线测量

图6显示了数据采集的流程在挖掘机驾驶室。的振动加速度Z驾驶室悬架的方向和相应的1/3倍频程右耳声压的中型挖掘机在怠速(1050 rpm)测量的输入面板声学贡献分析,如图7和8,分别。低频带,主要是20 - 200 Hz,拥有声压的主要能源。与声压峰值对应的频率是50赫兹,100 Hz,等等。


图6
基线测量振动和噪音。

图7
在1050 rpm加速度激励。

图8
1/3倍频带右耳的出租车。
4.2.2。声学响应分析

通过声学响应分析,在现场点声压与有限元的元素。暂停进口的加速度激励声振耦合模型。仿真的频率范围设置为20 - 200赫兹,和步长是1 Hz。模拟计算后,图9显示了仿真结果与实验结果比较衣服的SPL。


图9
仿真和实验曲线SPL。

在20 - 200赫兹的频率范围,仿真曲线和实验曲线的趋势大致是一致的和峰值对应的频率也一致。这表明仿真结果可以反映声学响应,验证了耦合模型的准确性。

4.3。复合面板声学贡献分析

挖掘机驾驶室分为12个板声学模型和面板数据和相应的面板名称如表所示1。

表1
驾驶室面板。

作为一个例子,数字10和11显示面板声学贡献在50赫兹和100赫兹,分别。面板有一个伟大的贡献在不同频率不同,甚至相反的贡献。因此,重要的是要考虑的综合贡献的主要频率。复合面板声学贡献分析的分区板计算按照方程(13)和(14)。直方图如图12。从图中,可以看出板1,3,4,5,6,7,12有积极贡献的整体SPL田野点和其余的面板有负面的贡献。在面板积极贡献,面板的贡献程度大于0.05是正确的玻璃,门玻璃,和底部面板,需要优化。


图10
在50 Hz面板声学贡献。

图11
面板声学贡献在100赫兹。

图12
复合面板声学贡献。
4.4。模态贡献分析

封闭的结构模态从导入到声学软件MSC Nastran软件解决方案。此外,ATV的计算结果也导入到地图的结构模态声学网格,计算和模态参与因子。然后,MATV矩阵计算使用ATV作为模态传递矩阵,结合模态参与因子。之后,MATV矩阵提取结合声压峰值对应的频率DRE声压响应曲线。根据图8,更高的峰值声压的频率是50赫兹和100赫兹。数据13和14显示驾驶室模态的模态贡献的价值在50赫兹和100赫兹,分别。


图13
出租车在50 Hz的模态的贡献。

图14
模态贡献的出租车在100赫兹。

顶部five-mode订单50 Hz 3模态的贡献理查德·道金斯4th6th,36岁th,40th订单,而顶部five-mode订单在100 Hz 3模态的贡献理查德·道金斯4th6th,23岁理查德·道金斯,25th订单。相关模式振动模式如表所示2,代表模式振动模式是如图15,16,17。代表模态的振动模式,可以得出结论,该地区有更大的影响力相对应的峰值声压50赫兹和100赫兹的中心主要是门的玻璃,对玻璃的中心,底部面板的中心。

表2
表现的相关模式振动模式。

图15
三阶声振耦合模态。

图16
四阶声振耦合模态。

图17
Sixth-order声振耦合模态。
4.5。结构优化和验证
4.5.1。结构优化

复合面板声学和模态贡献分析的方法确定了改进的关键位置即门玻璃,玻璃,右边和底部面板。采用噪声传输路径的优化方法来减少出租车的噪音。自底部面板上部是座位,底部是液压管道,它是不容易改变的结构。因此,底部面板的厚度优化中心的不考虑。挖掘机驾驶室的结构优化使用NLOPT优化程序结合声学软件。NLOPT脚本显示在图18。左边的门玻璃中心和正确的玻璃中心可以优化。NLOPT涉及各种优化算法与一个统一的接口;与LN_COBYLA derivative-free优化函数适用于优化的准确性和速度。


图18
优化程序脚本的一部分。

应用相同的边界条件和激励条件下的优化模型,优化程序是20后终止迭代。此外,找到最优的设计,整个董事会的总重量小于35公斤,声压级低。优化后,右边的玻璃的厚度是0.00566米,和左边的门玻璃的厚度是0.0062米。优化的声音响应分析了出租车。图19显示了优化DRE声压曲线和原DRE声压曲线。可以看出,SPL在100赫兹的频率从53.06 dB减少到51.36 dB。虽然SPL在120赫兹到200赫兹的频率范围增加,总声压已经减少了2.3分贝,这表明驾驶室降噪的方向。


图19
原始和优化良好的响应曲线。
4.5.2。实验验证

根据结构优化的结果,可以得出结论,可以减少驾驶员右耳噪音增加对玻璃的厚度和左侧门玻璃。

手动方案尝试通过添加一个质量块右边的玻璃,左侧门玻璃,如图20.和21。


图20
手动验证左边门玻璃。

图21
手动验证右边玻璃。

右耳噪声时收集在1050 rpm的工作条件下,测量结果与基线相比,如图22声压级是减少3.18 dB的频带20 Hz - 200赫兹,和总体声压级减少2.25 dB。的差距是因为315 Hz, 400 Hz的声压级和其他中、高频噪声增加,从而导致整个频段的噪声降低。实验证明了低频噪声可以减少增厚板。


图22
右耳的噪声实验值的比较优化前后驾驶室。

5。结论

减少振动噪声通常通过改善结构,而是如何快速、准确地识别和优化结构的巨大贡献,是一个挑战。本文的方法基于复合面板声学噪声传输路径优化,提出了模态贡献分析。声传递向量法用于分析声波在声振模型特征。为了避免缺乏考虑单频贡献在传统面板声学贡献分析,复合面板声学贡献分析,提出了考虑多个频率。合成面板贡献和模态贡献的结果,面板和地区需要优化确定。参数优化方法耦合声学软件,Python语言,算法采用目标面板和地区。方法验证在挖掘机驾驶室。的声学响应挖掘机驾驶室与实验一致的声音在田野点压力曲线。通过优化对玻璃的厚度和左边的门玻璃,DRE的总声压级是减少2.25 dB。实验结果验证的可行性分析和优化的基于复合面板贡献和噪声模态声贡献的方法,这对被动噪声控制提供参考出租车。

数据可用性

数据用于支持本研究的发现没有提供,因为数据的研究成果之一,山河智能设备有限公司有限公司

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由湖南省十大技术研究项目(研究数字原型和数字双旋转钻探的技术),111项目(没有。D16004),湖南省自然科学基金(2020 jj5173)和中国国家自然科学基金(51809091)。