基于SYSNOISE軟件的薄板振動(dòng)聲輻射數(shù)值仿真研究

1、基于SYSNOISE軟件的薄板振動(dòng)聲輻射數(shù)值仿真研究作者：劉先鋒 薛偉飛 陳進(jìn)摘要： 建立了薄板振動(dòng)與聲輻射的數(shù)學(xué)分析模型，利用SYSNOISE 計(jì)算出振動(dòng)薄板的表面聲壓、場(chǎng)點(diǎn)聲壓和聲輻射功率級(jí)。研究了不同約束和不同激勵(lì)點(diǎn)位置對(duì)薄板聲輻射的影響，比較了加筋板與光板的聲輻射功率，得到了一些抑制薄板結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲輻射的方法，從而為汽車設(shè)計(jì)及其減振降噪提供了可靠的措施。 關(guān)鍵詞：聲輻射、SYSNOISE、聲功率 1. 引言 車身壁板結(jié)構(gòu)厚度小、質(zhì)量輕，特別容易產(chǎn)生振動(dòng)并且輻射噪聲，因此計(jì)算汽車車身薄板受到外部激勵(lì)時(shí)的振動(dòng)和聲輻射特性是十分必要的，然而在大多數(shù)工程實(shí)際問(wèn)題中，結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的聲輻射常常是無(wú)

2、法用解析解的形式予以解決，SYSNOISE是國(guó)際著名振動(dòng)和聲學(xué)測(cè)試分析軟件公司LMS（Leuven Measurement System International）研發(fā)的大型聲學(xué)計(jì)算分析軟件1-3，能快速地進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算分析。本文利用振動(dòng)聲學(xué)軟件SYSNOISE，對(duì)不同約束和不同激勵(lì)點(diǎn)位置條件下薄板聲輻射進(jìn)行研究，比較了加筋板與板的聲輻射功率級(jí)，得到一些抑制薄板結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲輻射的方法，從而為汽車車身設(shè)計(jì)及減振降噪提供了可靠的預(yù)報(bào)和措施。 2. 薄板結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲輻射的理論 2.1 聲輻射功率的計(jì)算 機(jī)械噪聲大部分是由結(jié)構(gòu)振動(dòng)而輻射的，結(jié)構(gòu)聲輻射功率表示了聲輻射系統(tǒng)向外輻射噪聲的能力，它不僅與振動(dòng)

3、彈性物體固有的物理特性有關(guān)，還與激勵(lì)力大小、頻率以及輻射聲環(huán)境有關(guān)4。根據(jù)空氣介質(zhì)的連續(xù)條件，認(rèn)為鄰近振動(dòng)表面一層的振動(dòng)速度就是振動(dòng)表面的速度。振動(dòng)表面任一點(diǎn)的振動(dòng)速度為，如果振動(dòng)表面為平面，設(shè)振動(dòng)表面任意一點(diǎn)的振動(dòng)聲壓為V (x, ) p( y,)，則由瑞利積分得 式中 r 為表面上任意兩點(diǎn)x 和y 之間的距離。于是可以得到振動(dòng)表面聲強(qiáng)為 由表面聲強(qiáng)就可以得到結(jié)構(gòu)輻射功率為 3. 仿真研究 以受垂向激勵(lì)的矩形金屬薄板振動(dòng)聲輻射為例進(jìn)行仿真計(jì)算。板長(zhǎng) 2287mm，寬600mm，厚1.2mm，材料密度 s = 7850 kg/m3 ，彈性模量E = 2.1×1011 N m2 ，泊松

4、比 = 0.3，空氣密度 = 1.21kg/m3 ，空氣中 聲速c = 343m/s。加強(qiáng)筋與薄板材料相同?？紤]到在實(shí)際工程中，薄板受到正弦激勵(lì)是不常見的，因此選擇隨機(jī)激勵(lì)，激勵(lì)的方向垂直于薄板表面，激勵(lì)帶寬為501000Hz。將ANSYS 生成的薄板網(wǎng)格模型導(dǎo)入到SYSNOISE 軟件中，在薄板激勵(lì)位置加上隨機(jī)激勵(lì)，進(jìn)行各種薄板表面聲壓和空間場(chǎng)點(diǎn)聲輻射聲壓及其聲輻射功率的計(jì)算。 3.1 不同邊界約束條件對(duì)聲輻射的影響 在同樣的隨機(jī)激勵(lì)下，分別計(jì)算薄板在簡(jiǎn)支邊界約束和固支邊界約束條件下的聲輻射情況。圖1 分別為簡(jiǎn)支和固支狀態(tài)下薄板在隨機(jī)激勵(lì)下的表面聲壓和空間平面場(chǎng)點(diǎn)的聲壓。圖2 為不同邊界約束

5、條件下聲輻射功率級(jí)的比較。 圖 1 簡(jiǎn)支（左）和固支（右）狀態(tài)下薄板在隨機(jī)激勵(lì)下的表面聲壓和空間平面場(chǎng)點(diǎn)的聲壓比較圖圖 2 簡(jiǎn)支（左）和固支（右）狀態(tài)下薄板聲輻射功率級(jí)比較圖表 1 不同約束狀態(tài)下光板聲學(xué)計(jì)算 從表1 可以得出：與簡(jiǎn)支相比，固支約束薄板能降低薄板噪聲輻射能力。 3.2 不同激勵(lì)點(diǎn)位置對(duì)聲輻射的影響 圖 3 為分別在薄板P1(0.16,0.56)、P2(0.16,0.1.12)、 P3(0.28,0.56)和 P4(0.28,1.12)四點(diǎn)對(duì)薄板隨機(jī)激勵(lì)下的聲輻射比較圖。從圖3 可知在不同位置同樣的激勵(lì)下，薄板表面聲壓最大值和空間平面場(chǎng)點(diǎn)的最大聲壓值是不同的，難以評(píng)價(jià)激勵(lì)點(diǎn)位置對(duì)

6、薄板聲輻射能力的影響情況。但從圖4 的薄板表面聲功率的比較圖上看，盡管激勵(lì)點(diǎn)位置不同，但是對(duì)于同一薄板，其輻射的聲功率幾乎是不變的。也就是說(shuō)，同一薄板其聲輻射功率不受激勵(lì)點(diǎn)位置改變而改變。這也就是后面對(duì)對(duì)加筋薄板進(jìn)行聲輻射能力評(píng)價(jià)時(shí)用聲輻射功率為主、聲壓為輔進(jìn)行評(píng)價(jià)的主要原因。 圖 3 不同位置激勵(lì)下薄板的表面聲壓和空間平面場(chǎng)點(diǎn)的聲壓比較圖圖 4 不同位置激勵(lì)下薄板聲輻射功率級(jí)比較圖3.3 加筋對(duì)薄板聲輻射的影響 給薄板布置加強(qiáng)筋后，同樣在中心點(diǎn) P (0.28,1.12)進(jìn)行隨機(jī)激勵(lì)，圖5 為加筋薄板與光板表面聲壓和空間平面場(chǎng)點(diǎn)聲壓比較圖。從圖5 很容易看出：加筋后的薄板其表面聲壓最大值和空

7、間平面場(chǎng)點(diǎn)的最大聲壓值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光板的聲壓。圖6 是不同加筋薄板與光板表面輻射功率級(jí)的比較圖，從圖6 非常清楚地看到：加筋后的表面輻射聲功率小于光板的，這主要是因?yàn)榧咏詈蟊“鍎偠忍岣?，抗振性增?qiáng)，從而抑制了噪聲輻射。通過(guò)這個(gè)仿真，得出加筋薄板輻射噪聲能力比光板小，但是何種加筋方式能相對(duì)最有效地降低薄板噪聲輻射，限于文章篇幅，這里就不展開討論了。 圖 5 不同加筋薄板表面聲壓和空間平面場(chǎng)點(diǎn)的聲壓比較圖圖 6 加筋板與光板聲輻射功率級(jí)比較圖4. 結(jié)論 本文利用聲振軟件 SYSNOISE 對(duì)振動(dòng)薄板進(jìn)行了聲輻射研究與分析，計(jì)算了在不同狀態(tài)下薄板的表面聲壓、場(chǎng)點(diǎn)聲壓和聲輻射功率。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：邊界約束對(duì)薄板的聲輻射能力產(chǎn)生影響，固支約束比簡(jiǎn)支約束的聲輻射功率小；對(duì)于光板，激勵(lì)點(diǎn)位置對(duì)聲壓的影響比較大，對(duì)聲輻射功率影響不大；加上加強(qiáng)筋的薄板其輻射噪聲能力比光板輻射噪聲的能力小得多。 參考文獻(xiàn) 1) SYSNOISE5.5 user manual 2) 華宏星, 沈榮瀛. 國(guó)際著名振動(dòng)與聲軟件系列介紹之一LMS 聲學(xué)軟件SYSNOISE. 噪聲與振動(dòng)控制.1999,1:44-46 3) 楊德慶