汽车振动噪声分析方法盘点

一、经典方法

四分之一汽车模型和二分之一汽车模型。在设计初期或者在做模型研究的时候，往往采取这种形式。这种模型一般用来分析汽车最基本的频率和振型特征，也可以用作其他用途，如研究汽车动力特性。概念设计阶段，在知道了汽车基本参数之后，就可以迅速计算出整车的振动特征。

二、有限元方法

经典方法只适合于分析很低频率的整体模态。如果要考虑整车中各个系和部件的局部振动，以及修改汽车结构设计，上面的方法就无能为力了。汽车是一个弹性结构，整体和局部振动特征都很重要。于是在分析整车低频振动问题和建立模型时，必须考虑到其结构特征和弹性特征。

当前，用得最为广泛的方法是有限元分析。在粗略分析整车各个系统振动特征时，可以建立网格相对粗的模型。当要对整车振动特征进行细致分析时，就必须建立网格非常细的模型。通常这种模型中节点间的距离仅为5mm，一部整车的有限元模型的节点和单元可以达到几百万个甚至上千万。有限元方法是一项非常成熟的分析方法，能够准确的预估整车和各个系统的模态和模态频率，并且能动态演示整车模态。

有限元方法是用有限单元将结构弹性域或空气域离散化，根据力学方程或声波动方程，得到联立代数方程式，通过求解代数方程式得到结构弹性或声传播空气域中的振动和声特性。

有限元法需将结构有限单元离散化。结构划分的单元愈多，自由度也就愈多，计算精度也愈高，但计算时间也愈长。结构划分的单元的振动频率必须高于要计算的整体结构的振动频率，否则单元需进一步划分。单元的划分需与计算精度匹配。有限元分析方法在汽车方面的应用有：汽车零部件有限元分析、悬架结构有限元分析、车架有限元分析、车身有限元分析、轮胎有限元分析、汽车碰撞有限元分析和汽车结构有限元优化设计等。

三、边界元方法

有限元方法非常适合低频结构振动模拟和分析。有限元方法也可以模拟和分析振动和声的耦合，但对声空间的模拟和分析基本沿用对结构振动的处理方法，常常限于封闭空间。当声空间体积增大，模态密度急剧增大，有限元方法的运算量急剧增大，此时有限元方法有局限性。相比之下，边界元方法对处理结构声辐射、声散射和结构声腔问题有独特的优越性，因而在实际中得到应用。

边界元方法首先需要知道系统边界条件。结构边界条件一般是如下三种之一：

已知结构表面的复声压(Dirichlet边界)；
已知机构表面的复振动速度(Neuman边界)；
已知结构表面的复阻抗(混合或Robin边界)。

边界元方法需要结构表面的复声压或复振动速度两个物理量之一作为输入，然后根据边界条件计算出结构表面另一物理量。作为输入，结构表面的复声压或复振动速度可以实测得到，也可以通过计算得到。对于结构表面复振动速度的计算，边界元方法常常借用有限元方法。整车结构振动分析使用有限元模型，车内空腔的声场分析使用边界元模型。

四、多体系统动力学方法

多体系统是对某类客观事物的高度抽象和概括，这类系统都具有一个共同的特点，即它们都是通过特定的关节(铰链)将诸多零(部)件-即所谓的“体”联接起来的；因此我们把多体系统定义为以一定的联接方式互相关联起来的多个物体构成的系统，这些物体可以是刚体也可以是柔体。如果多体系统中所有的体均为刚体，则称该系统为多刚体系统；如果多体系统含有一个以上的柔体，则称为柔性多体系统。

多体系统动力学是一般力学学科的一个重要分支，其理论基础为刚体动力学、分析力学、有限元理论、连续介质力学、计算力学、控制理论等。在汽车的应用为：汽车碰撞过程中人体动力学响应仿真计算，悬架系统多体系统动力学等。

五、统计能量分析法

统计能量分析是个模型化分析方法，它运用能量流关系式对复合的、谐振的组装结构进行动力特性、振动响应级及声辐射的理论评估,是一种在时间上和空间上的统计特性,这些能量流关系式在组成组装结构的各种耦合的子系统(如板、壳等)之间具有一个简单的热类比。在应用统计能量分析理论时,将车辆划分为若干个子系统,并假定各子系统之间的主要能量流是由于结构共振或声学模态引起的,即统计能量分析通常是关于各个共振振荡器组之间的能量或功率流分析。振动功率损失和功率流动规律可以用水箱模型描述。

统计能量分析作为一种分析方法，其更重要的作用在于列出主要噪声贡献，以及预测不同设计对车内噪声的相对影响。目前，统计能量分析在预测和分析车内空气噪声的应用比较普遍，而预测和分析车内结构噪声却是研究的多，应用的少。其中一个重要局限是在汽车研发初期无法预测结构耦合损耗因子。建立大量的类似结构的耦合损耗因子数据库可以在一定程度上缓和这个局限性，但其工作量大，而且即使有了数据库，可能仍然很难满足车内结构噪声分析的所有需求。另一方面，传递路径分析方法发展很快，逐渐成为分析车内结构噪声的主要方法。

六、传递路径分析方法

复杂系统受多种振动噪声源的激励，每种激励都可能通过不同的路径，经过衰减，传递到多个响应点。为了降低振动噪声，对各种传递路径进行预测和分析，并采用矢量叠加方法。这种分析方法就叫传递路径分析方法，因为使用了矢量叠加方法又叫矢量叠加法。这种方法国内研究的还不多，但不难理解。传递路径分析是用于分析振动声学能量通过结构和声学路径从源到接受者的传递，目的是评价各路径对总的振动噪声量级的贡献大小，使得工程师可以识别出解决规定问题需要修改的部件。

传递路径分析中首先需要明确所需要分析的激励点，这根据不同的问题而定。如，车身问题只需考虑地盘与车身耦合出的力激励；整车问题就要考虑车轴处、发动机悬置减振器处、空气压缩机悬置减振器处，甚至活塞和气缸缸壁之间的力激励。明确所需分析系统的耦合点后，下一步就需要估计各种耦合激励力和各种传递函数，工作量常常很大。

建立一个整车传递路径分析模型有很多方法。有纯粹基于实验测试的方法，也有纯粹基于数值计算来得到传递函数建立模型的方法。但更多的是混合应用实验和数值计算建立模型。

七、模态综合方法

上世纪60年代从航天工程中发展起来的解决复杂结构系统振动问题的有效方法。美国W.C.赫梯等人提出此法，以后被推广应用于非线性振动和随机振动响应分析。模态综合是将一个复杂结构分解成若干个较为简单的子结构。在弄清各子结构振动特性的基础上，根据对接面上的协调条件将这些子结构合成一总体结构，然后利用各子结构的振动形态得出总体结构的振动形态。

用此法进行系统固有特性的求解和动力响应分析，只需计算子结构的少数几个主模态(主振型)，因此能有效地缩减自由度而不改变系统的物理本质。固定界面法和自由界面法用得较为成功。此法已用于航空航天、动力、车辆、船舶和海洋工程的动力分析，效果显著。

模态综合方法可以减少整车结构分析时工作量巨大的难度。首先将车辆结构分为若干个子结构(或部件)，然后对每个子结构进行模态分析(计算的或试验的)，得到子结构的动力特性，然后再根据子结构之间的联结条件，利用子结构的模态特性和模态坐标建立起来的联结方法，将已经获得的子结构的模态动力特性进行综合，从而得到整车结构的模态特性。

模态综合方法对结构的动力修改也十分方便。修改往往是局部的，运用模态综合方法，只需对修改过的子结构重新进行计算分析或动力试验，然后将所有的子结构的模态特性进行综合，最终获得修改后的整体结构的动力特性。