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摘要： 薄板件共振是发动机常见的噪声问题，本文通过频谱分析、声源定位试验、仿真分析的方式锁定了导致排气隔热罩共振噪声突出的原因，通过对隔热罩进行形貌优化，降低了模态密度，提高了模态频率，降低了产生共振噪声的风险，最终降低了发动机的噪声，提升了发动机的声品质。
Abstract： The resonance of thin plate is a common noise problem of engine. Through spectrum analysis， sound source location test and simulation analysis， locks the cause of the prominent resonance noise of Heat Shield， by optimizing the shape of the Heat Shield， the modal density is reduced， the modal frequency is increased， the risk of resonance noise is reduced， the noise of the engine is reduced， and the sound quality of the engine is improved.
關键词： 频谱分析;形貌优化;共振噪声
Key words： spectrum analysis;shape optimization;resonance noise
中图分类号：U263.14 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0055-02
0 引言
随着客户对整车舒适要求的不断提高，推动了发动机NVH水平的不断提升。结构共振噪声是发动机最常见的共振类问题，而根据共振噪声产生的机理，发生部位的不同可采用不同的方式进行优化。如薄壁件的共振噪声是由于受到外部激励引起了自身模态激起而产生的噪声，此类噪声一般可采用形貌优化或者改善自身的阻尼特性来解决[1]。针对排气隔热罩的设计，常用的设计方式为单层钢板或双层钢板，这两种方式工艺简单，成本较低，可以满足隔热和可靠性的要求，但缺点是薄板模态较为集中，容易受到排气歧管振动激励产生共振辐射噪声，成为发动机突出的噪声源。
1 薄板件振动噪声产生机理
根据空气介质的连续条件，假设振动表面任一点的法向振动速度为V（x，ω），如果振动表面为薄板大平面，其辐射声压p（y，ω）可由瑞利积分得到[2]
r为平面的点x和噪声观测点y之间的距离。
根据薄板件的振动噪声产生机理可知，薄板件的辐射面积、表面振动和噪声之间有着密切的关系。辐射面积越大，辐射声压越大;表面振动越大，辐射声压越大。所以针对薄板件的设计，要尽量避免大平面，可采用加筋的方式将大平面分割为较多的小平面，同时薄板件局部模态要尽量和系统的模态要避开，避免共振加剧。
2 发动机排气隔热罩频谱特征
某发动机加速噪声测试时排气侧噪声最大，如图1所示，排气频谱分析显示，320-700Hz共振带共振能量突出，拆除隔热罩后噪声降低2-5dB，共振带基本消失，所以排气隔热罩产生了320-700Hz多条共振噪声，隔热罩声学效果较差。
3 噪声源识别
3.1 声源定位试验 采用基于Beamforming声源识别法，截取320-700Hz频带噪声进行声源定位分析，如图2所示，320-700Hz频带噪声主声源在排气隔热罩附近，通过以上分析可知共振带来自排气隔热罩。
3.2 仿真分析 采用仿真分析，进一步锁定问题源。首先要建立排气隔热罩及排气歧管的仿真模型。使用Abaqus仿真软件计算前13阶模态。如图3所示，分析表明800Hz以下存在13个模态，且存在局部大平面臌胀模态，与试验问题频段较吻合，结合试验结果确定导致发动机排气侧噪声较大的主要原因是排气隔热罩模态被激起导致。
4 CAE仿真分析及优化
如图4所示，根据薄板件的设计原则，将大平面机构改为凹面结构[3]。
4.1 模态分析 原状态排气隔热罩800Hz以内存在13个模态，且存在局部臌胀模态，形貌优化后800Hz以下模态频率显著提升，总模态数从原来的13个模态降低到7个，模态密减低了46%，同时解决了中间局部臌胀模态。
4.2 声学响应分析 在支架中间位置施加1m/s2单位激励来计算隔热罩的声学响应，结果显示中心频率为300-700Hz噪声降低约10dB（A），优化效果明显。
5 优化验证
将安装有新隔热罩的发动机上消声室台架进行最终的验收测试。如图7、图8优化后800Hz以下共振带基本消失，排气侧噪声有近0-5dB（A）的降低，发动机声品质较优化前有明显的提升。
6 结语
仿真与试验相结合的采用可快速锁定噪声问题的根源，提高了优化设计的效率。针对薄板件振动噪声问题可首先从模态频率、模态密度、声学响应等方面进行优化，确定有优化效果的前提下再进行试验验证，缩短了试验验证周期，提高了工作效率，降低了优化成本。
参考文献：
[1]赵俊男，赵世来，等.基于有限元的排气歧管隔热罩的振动分析与噪声验证[J].汽车实用技术，2018（3）：82-85.
[2]陈浩杰，周期阻尼薄板结构声辐射特性研究[D].湖北：湖北工业大学，2013.
[3]范习民，钱德猛，等.某汽油机排气歧管隔热罩优化分析[J].机械工程师，2014（11）：208-210.
Abstract： The resonance of thin plate is a common noise problem of engine. Through spectrum analysis， sound source location test and simulation analysis， locks the cause of the prominent resonance noise of Heat Shield， by optimizing the shape of the Heat Shield， the modal density is reduced， the modal frequency is increased， the risk of resonance noise is reduced， the noise of the engine is reduced， and the sound quality of the engine is improved.
關键词： 频谱分析;形貌优化;共振噪声
Key words： spectrum analysis;shape optimization;resonance noise
中图分类号：U263.14 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0055-02
0 引言
随着客户对整车舒适要求的不断提高，推动了发动机NVH水平的不断提升。结构共振噪声是发动机最常见的共振类问题，而根据共振噪声产生的机理，发生部位的不同可采用不同的方式进行优化。如薄壁件的共振噪声是由于受到外部激励引起了自身模态激起而产生的噪声，此类噪声一般可采用形貌优化或者改善自身的阻尼特性来解决[1]。针对排气隔热罩的设计，常用的设计方式为单层钢板或双层钢板，这两种方式工艺简单，成本较低，可以满足隔热和可靠性的要求，但缺点是薄板模态较为集中，容易受到排气歧管振动激励产生共振辐射噪声，成为发动机突出的噪声源。
1 薄板件振动噪声产生机理
根据空气介质的连续条件，假设振动表面任一点的法向振动速度为V（x，ω），如果振动表面为薄板大平面，其辐射声压p（y，ω）可由瑞利积分得到[2]
r为平面的点x和噪声观测点y之间的距离。
根据薄板件的振动噪声产生机理可知，薄板件的辐射面积、表面振动和噪声之间有着密切的关系。辐射面积越大，辐射声压越大;表面振动越大，辐射声压越大。所以针对薄板件的设计，要尽量避免大平面，可采用加筋的方式将大平面分割为较多的小平面，同时薄板件局部模态要尽量和系统的模态要避开，避免共振加剧。
2 发动机排气隔热罩频谱特征
某发动机加速噪声测试时排气侧噪声最大，如图1所示，排气频谱分析显示，320-700Hz共振带共振能量突出，拆除隔热罩后噪声降低2-5dB，共振带基本消失，所以排气隔热罩产生了320-700Hz多条共振噪声，隔热罩声学效果较差。
3 噪声源识别
3.1 声源定位试验 采用基于Beamforming声源识别法，截取320-700Hz频带噪声进行声源定位分析，如图2所示，320-700Hz频带噪声主声源在排气隔热罩附近，通过以上分析可知共振带来自排气隔热罩。
3.2 仿真分析 采用仿真分析，进一步锁定问题源。首先要建立排气隔热罩及排气歧管的仿真模型。使用Abaqus仿真软件计算前13阶模态。如图3所示，分析表明800Hz以下存在13个模态，且存在局部大平面臌胀模态，与试验问题频段较吻合，结合试验结果确定导致发动机排气侧噪声较大的主要原因是排气隔热罩模态被激起导致。
4 CAE仿真分析及优化
如图4所示，根据薄板件的设计原则，将大平面机构改为凹面结构[3]。
4.1 模态分析 原状态排气隔热罩800Hz以内存在13个模态，且存在局部臌胀模态，形貌优化后800Hz以下模态频率显著提升，总模态数从原来的13个模态降低到7个，模态密减低了46%，同时解决了中间局部臌胀模态。
4.2 声学响应分析 在支架中间位置施加1m/s2单位激励来计算隔热罩的声学响应，结果显示中心频率为300-700Hz噪声降低约10dB（A），优化效果明显。
5 优化验证
将安装有新隔热罩的发动机上消声室台架进行最终的验收测试。如图7、图8优化后800Hz以下共振带基本消失，排气侧噪声有近0-5dB（A）的降低，发动机声品质较优化前有明显的提升。
6 结语
仿真与试验相结合的采用可快速锁定噪声问题的根源，提高了优化设计的效率。针对薄板件振动噪声问题可首先从模态频率、模态密度、声学响应等方面进行优化，确定有优化效果的前提下再进行试验验证，缩短了试验验证周期，提高了工作效率，降低了优化成本。
参考文献：
[1]赵俊男，赵世来，等.基于有限元的排气歧管隔热罩的振动分析与噪声验证[J].汽车实用技术，2018（3）：82-85.
[2]陈浩杰，周期阻尼薄板结构声辐射特性研究[D].湖北：湖北工业大学，2013.
[3]范习民，钱德猛，等.某汽油机排气歧管隔热罩优化分析[J].机械工程师，2014（11）：208-210.