摘要：轰鸣声普遍存在于汽车的怠速、匀速和加速过程中，会引起乘员的人耳不适感。本文基于RADIOSS进行了轰鸣声的机理研究，通过对激励源的激励方向、车身壁板的辐射效率、声腔模态频率与振型的分析，发现了产生车内轰鸣声的不同机理，即低频时钢板声辐射产生轰鸣声和声腔模态被激起而产生轰鸣声两种类型，并在试验中得到验证。最后，对汽车不同区域的钢板会引起哪些阶次空腔模态并导致轰鸣声作了总结，这对于指导车身设计，减少开发后期样车的试验次数有重要意义。
关键词：汽车 NVH轰鸣声 RADIOSS 声腔模态

1概述

作为评价汽车操控性和乘坐舒适性的重要指标，振动噪声越来越受到人们的重视。当汽车在封闭状态下，车内空气会形成许多振动模态或声腔模态，受到发动机激励或路面激励时，车身某些钣金的振动频率与密闭空气的固有模态频率一致，将会产生很强的耦合作用，空气就会产生体积变化，将会在车内产生很高的压力脉动，引起人耳不适，甚至出现头晕、恶心等症状，这样的现象称为轰鸣(booming) [1]。轰鸣声属于低频噪声，通常在25-200Hz范围内产生，普遍存在于汽车的怠速、匀速和加速过程中，发动机、传动系、排气系统、不平路面激励等因素都可能成为轰鸣声产生的源头。

因此，对轰鸣声产生的机理进行深入分析，通过CAE仿真技术在开发早期预测可能会发生的轰鸣声，并提出改进措施，如找到激励源并减小激励力，或者找到车身的响应位置并减小振动响应，这对于减少样车的试验次数、提车汽车的声品质有重要意义。

2 声腔模态的产生机理

汽车乘员舱的壁板是由多块薄钢板冲压焊接而成，厚度一般为0.7-1.0mm，具有一定的弹性，当发动机或路面的激励传递到车身壁板时，会引起薄钢板的振动，从而辐射出噪声。当辐射出的声波入射到达蔽障时，会与其反射的声波相互叠加而形成合成声场。如图1所示，当入射声波到达蔽障时恰好位于波峰位置，那么其反射声波在蔽障处与其方向相反，相位相同，在图1中的位置1处即四分之一波长位置相位相反，相互消减后声压振幅为0，称为声压波节；而在位置2处和蔽障处相位相同，声压振幅最大，成为声压波腹[2]，也就是汽车乘员舱产生轰鸣声的位置。可以看出，对于上述入射的平面波，在四分之一波长的奇数倍位置上为声压波节，四分之一波长的偶数倍位置上，为声压波腹。

图1 平面波反射示意图

对于封闭在一长方体的空气所形成的声腔，如图2所示，其声学模态振型可以用纵向、横向、竖向或者不同方向的组合来描述[3]，比如纵向第一阶表示声压主要沿纵向分布，沿其他方向声压没有变化；在纵向截面内出现一个声压波节面，两端的截面为声压波腹面。声腔模态频率可由公式1计算：

图2 声腔尺寸示意图

其中，Lx、Ly、Lz分别为 纵向、横向、竖向方的声腔尺寸，C为声速，343m/s，i(0,1,2,…)、j(0,1,2,…)、k(0,1,2,…)分别表示三个方向上模态的阶次。通过公式计算，我们可以得到沿纵向、横向、竖向或者不同方向组合的声腔模态的理论频率值。但对于不同类型的乘用车，如三厢轿车、两厢轿车、MPV、SUV，其乘员舱的形状不同，座椅、仪表板等内饰对声波的反射也有影响，因此声腔模态的频率与振型会有不同。

3轰鸣声的流固耦合分析

建立轿车有限元模型进行声学流固耦合分析，分析激励位置、激励方向对车内轰鸣声的影响是一个常规的分析方法，但整车的结构比较复杂，发动机、变速箱、悬架、进排气等激励源与车身连接点数量众多，如果用详细的有限元模型进行轰鸣声的特性分析，非常耗时，也很难发现有价值规律。因此，本文采用简化的车身有限元模型，研究激励源、车身壁板与声腔模态的关系。

本文以某一款MPV车型的乘员舱尺寸为参照，用HyperMesh建立了简化的有限元模型，如图3-1所示，其纵向、横向和竖向的尺寸分别为3.7m、1.6m和1.2m。与其相耦合的声腔流体网格如图3-2所示。简化模型中每块板可以表示风挡玻璃、防火墙钢板、地板、顶棚钢板等。车身上不同区域的板并非直接相连，如风挡与顶棚、防火墙与地板都是由横梁进行连接，为了在简化模型中模拟梁的存在，用加厚的钢板连接各块板，以降低板与板的直接影响。为了研究不同方向的激励载荷会引起哪些振型的声腔模态，我们在1、2、3号板上分别施加了沿纵向、横向和竖向的强迫振动信号，通过RADIOSS进行流固耦合分析，计算声学灵敏度，输出计算出的MPV车内前、中、后三个位置的声压值。图4为用RADIOSS计算的前5阶声腔模态频率及振型。

图4 前5阶声腔模态振型

图5-1为在1号板上施加纵向的即垂直施加的强迫振动信号，计算出的车内不同位置的声学灵敏度响应。在47Hz附近，前排和后排声压值达到77dB，而中排位置仅为60dB，这与其激励起来的第一阶纵向声腔模态频率一致，即车厢纵向的长度恰好为此频率时1/2个声波的长度，前排和后排位于声压波腹位置，相互叠加声压增大，产生轰鸣声，而中排位置位于声压波节位置，声压较低。再看95Hz时车内的声压峰值，三个位置都在70dB左右，都会产生轰鸣声，这与车厢二阶纵向声腔模态频率一致。在一阶声腔模态频率47Hz之前，出现了21Hz的声压峰值，前排和中排声压值为82dB，后排为72dB，这显然不是被1号板激励起的声腔模态导致的轰鸣声。