轿车车内空腔声学模态测试方法

2. 试验的理论基础
在理论上，是根据流体的连续性方程、动力方程和理想气体方程得出声学方程来获取声学模态。 设有一个微元体，其长、宽、高分别为 dx、dy、dz，则微元体积 dV=dxdydz,通过流入、流出的流体 的密度变化和质量变化，根据质量守恒定率，可以分别得出微元体在 x、y、z 三方向的连续方程。如 x 方 向的连续方程为：
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2006 LMS 首届用户大会论文集
∂p + ρ ∂ux = 0 ∂t ∂x
（2.1）
微元体在流体流入、流出过程中所受的力根据牛顿第二定律推出微元体在 x、y、z 三方向的动 力方程。如 x 方向的动力方程为：
ρ ∂ux = − ∂p ∂x ∂t
（2.2）
在听力频率范围内，其声波的波长比分子的距离大得多。声波在介质中被不断拉伸和压缩，动 作非常快，质点来不及进行热交换。因此这些拉伸和压缩过程可以看成是等熵过程，热力学方程是：
关键词: 空腔; 声学模态;试验
Testing method of the acoustic modality of car cavity
Abstract:The paper introduces the acoustic modality of car cavity.A kind of testing method of the acoustic modality of car cavity is put forward with acquiring the modal frequency and modal shape after the measurement and analysis of a car by Lms Test_lab.It provides the reference to research low frequency noise inside a car.
模态形状
备注
第一阶纵向
节面出现在乘坐室内后排座椅前（图 3）
第一阶横向
节面出现在横向截面中部（图 4）
第一阶竖向+第一阶纵向
第一阶纵向+第一阶横向+第一阶竖向
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轿车车内空腔声学模态测试方法
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图 3. 第一阶纵向模态
图 4. 第一阶横向模态
图 5.第一阶竖向+第一阶纵向模态
轿车车内空腔声学模态测试方法
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轿车车内空腔声学模态测试方法
陈晓梅 赵建 一汽技术中心 基础研究部 振动噪声室
摘要:介绍了轿车车内空腔声学模态，对实车的声学模态进行了测试与分析，获得了车内空腔的声学共鸣频率和模态形 状；提出了利用 LMS Test_lab 对轿车车内空腔声学模态进行测试的试验方法，为车内空腔的低频噪声研究提供了参考。
具体试验时是将试验样车停放在整车消声室内，以保证环境噪声不影响测试结果；试验使用LMS公司 生产的多点激振模态分析系统, 用中低频体积声源做激励，在车内空间按大约 20cm3间隔布置若干传声器。 测量使用ICP型的无指向性的传声器,用小架固定在细金属棍上,以保证测量时麦克位置确定并保持不动；在 付驾驶位置放置声源，声源内置参考信号输出。测试频率为 20-200Hz，激励信号为猝发随机信号。图 2 为 车内声模态测试模型，其上面标出了前后座椅和前排人耳位置。
本试验样车由于是商品车，没有计算数据而未进行有限元计算，下面图形是另一同档次轿车(考虑座椅) 计算结果。因为与试验不是同一辆轿车，所以没有给出模态频率，只是在模态形状上加以对比。图 7 之中 (a)、(b)、(c)、(d)分别与上图 3、图 4、图 5、图 6 相对应，模态形状基本相同。
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轿车车内空腔声学模态测试方法
位置声压由前向后渐弱，即使存在第一阶纵向共鸣，也不会对车内噪声产生太大贡献。第一阶横向节面出
现在横向截面中部，也就是司机的右耳和副驾驶的左耳处在节面位置附近，亦不会对车内噪声产生太大贡
献。第三阶、第四阶共鸣时前排司机和副驾驶人耳处声压减弱。综上，该试验样车的声学特性优良。
5. 与同类型车计算模态形状比较
图 6. 第一阶纵向+第一阶横向+第一阶竖向模态
从上述试验结果来看，该车第一阶纵向频率为 43.838Hz,从从资料上可以得知，在有司机和乘员的情
况下，第一阶纵向频率可能会下降 10Hz 左右。该轿车匹配的是四缸机汽油机，其二阶激励频率约在
30-200Hz 之间，该车一般不会由发动机激励出来第一阶纵向的空腔共鸣模态；从图 2 结合图 3 看前排座椅
（2.5）
引入算子：
Δ2 = ∂ 2 + ∂ 2 + ∂ 2 ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2
（2.6）
方程（2.5）可以写成： Δ2 p
=
1 c2
∂2 p ∂t 2
（2.7）
3.
测试方法
声学模态试验是通过测量激励信号和响应信号获得频响函数来确定车内空腔的模态参数。采用的是单 点激励多点输出的试验方法。测试系统如图 1。
p
=( ρ
γ
)
p0 ρ0
上式对时间求导，得到
（2.3）
∂p ∂t
=
p0
ρ
γ 0
γρ (γ −1)
∂ρ ∂t
（2.4）
根据公式（2.1）的连续性方程、公式（2.2）的动力方程和公式（2.4）的理想气体方程，就可 以得到三维系统的声学方程：
∂2 p + ∂2 p + ∂2 p = 1 ∂2 p ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 c 2 ∂t 2
Key words: cavity acoustic modality test
1. 前言
当前人们对轿车的舒适性要求越来越高, 舒适性已经成为轿车质量控制的重要指标之一,而车内噪声 是影响舒适性的重要因素。
车内噪声是由于发动机、轮胎等噪声通过结构板件和空气的振动传递到车内面形成,结构板件的振动特 性和车内空腔的声学特性会对车内噪声产生重要影响。为了降低和控制车内噪声,必须研究轿车内空腔的声 学特性。轿车车内空间由车身板壁围成一个封闭空腔,内部充满空气,同任何结构一样,它同样拥有模态频率 和模态形状,即所谓的声学模态。声学模态以具体的声压分布为特征。声学模态频率是指声学共鸣频率,在 该频率处车内空腔产生声学共鸣,使声压放大；声波在某一声学模态频率下,在轿车车内空腔传播时,入射波 与空腔边界反射而形成的反射波互相叠加或相互消减而在不同位置出产生的声压分布,称之为声学模态形 状。轿车车内声学特性与其声学模态相联系,如果车内空腔受到与其共鸣频率相同的激励时,车内将产生共 鸣而导致噪声，尤其是当构成车身的某些板件的低频振动与车内空腔的共鸣频率一致时,车内将发出令人极 其不舒服的低频轰鸣声,对乘客的舒适性有很大的影响。
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轿车车内空腔声学模态测试方法
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图 1. 测试系统
图 2.轿车车内声模态测试模型
4. 试验结果与分析
在下面表 1 给出了前四阶的声模态测试结果，图 3-图 6腔声模态测试结果
模态阶次 1 2 3 4
模态频率（Hz） 43.838 89.540 125.334 168.089
测量轿车车内空腔声学模态,获取车内空腔的声学模态频率和模态形状,能够了解轿车车内声学特性, 同时,根据车内空腔的模态形状合理进行内饰布置以优化车内声学特性,使车内声压或声压级较大的位置远 离乘员的耳朵,将节面位置(零声压位置)设计在人耳附近,使人处于最小的噪声环境中,获得良好的声学舒适 性。
本文对某轿车车内空腔声学模态进行了研究,使用 Lms Test_lab 模态分析系统测量了该轿车车内空腔 声学模态中的中低频的声学模态频率和模态形状。基于考察该轿车车内实际声学特性的要求, 测量的是一 辆全内饰,全套座椅的中档商品车。
本次声学模态测试是在整车状态下进行的，前、后排座椅全带,获得的声学模态对该车型进行舒适性评 价有指导意义。
试验方法操作简单易行。
参考文献: 1) 靳晓雄、张立军，汽车噪声的预测与控制,同济大学出版社 2) 杜功焕、朱哲民、龚秀芬，声学基础,上海科学出版社 3) 马大猷， 噪声与振动控制工程手册，机械工业出版社 4) 周鋐、金欢峰、靳晓雄，轿车车内空腔声学模态，同济大学学报，2001.5 5) 白胜勇、靳晓雄、丁玉兰，轿车乘坐室声学模态分析，同济大学学报，2000.4 6) LMS cada-x ,Vibro-Acoustic Modal Analysis_1-dd 3/16/2005 7) LMS cada-x ,Vibro-Acoustic Modal Analysis_(17-19)-dd 3/16/2005 8) 庞剑、谌刚、何华，汽车噪声与振动—理论与应用，北京理工大学出版社
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测试过程中，以信号发生器产生随机信号，经功率放大器放大后由声源激发车内空腔的压力波动，以 保证足够的激励能量。声源、传声器的放置对车内空腔的影响应该尽量小，以避免破坏室内空腔结构。用 声源做激励源时，若将激励声源置于声压的波节位置，就难以发生共鸣，并且为模拟真实环境，减少实验 误差，声源应该尽量接近实际的振源。
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（a）
(b)
(c)
(d)
图 7.计算的模态形状
6. 结论
要避免乘坐室的低频共鸣，首先应避开第一阶纵向频率。一般轿车的第一阶纵向模态频率为 40-80Hz, 落在路面激励和发动机振动激励范围内，很容易被路面或发动机振动激励出来而产生低频轰鸣声，使车内 声学特性变坏，这是最应加以关注的。