统计能量分析(SEA)

NVH研究及评价方法蒋鑫青岛理工大学，青岛，中国，266520******************【摘要】噪声、振动与声振粗糙度,是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。

业界将噪声、振动与舒适性的英文缩写为NVH（Noise、Vibration、Harshness），统称为车辆的NVH问题，研究汽车的NVH特性首先必须利用CAE技术建立汽车动力学模型，已经有几种比较成熟的理论和方法。

车辆NVH 特性已越来越受厂家和客户的重视，因此如何开展NVH 的评价、诊断对于解决NVH问题非常关键，它也在产品开发过程中的标杆研究和产品定型、积累设计数据起非常重要的作用。

【关键词】NVH；研究方法；评价标准About NVH Research and Evaluation MethodsJiang XinQingdao Technological University Qingdao.China.266520******************Abstract:Noise, sound vibration and harshness is a comprehensive measure of the quality of the car manufacturing to car users feel is the most direct and the surface. The industry will be noise, vibration and comfort abbreviation for NVH collectively referred to as the vehicle NVH issues the research vehicle.NVH characteristics must first be using CAE technology vehicle dynamics model has several mature theory and method. Vehicle NVH characteristics have become more and more attention by the manufacturers and customers, and how to carry out the NVH evaluation, diagnosis is crucial for solving NVH problems, it is also the benchmark in the product development process and product styling, design data isaccumulated important role.Key words:NVH; research method; evaluation criterion第一章绪论1.1 NVH简介汽车在使用一段时间之后，一些元件(如传动系的齿轮、联轴节、悬架中的橡胶衬套、制动器中的制动盘等)的磨损将对整车的NVH特性产生重要影响，它们的强度、可靠性和灵敏度分析是研究整车特性的重要工作，这也就是所谓高行驶里程下汽车NVH特性的研究。

振动声学解决方案1．概述ESI集团旗下的振动噪声系列解决方案是全球技术最领先、最完善的解决方案，包括全频段振动噪声模拟软件VA One，高频冲击响应分析软件SEA Shock，声学材料解决方案Foam-X/Nova。

2．全频段振动噪声模拟软件VA OneVA One是法国ESI集团于2005年推出的全频段振动噪声分析的模拟环境，代表着ESI集团在振动噪声模拟、分析和设计方面的最新技术，被业界专家评为振动噪声工程近二十年来最重大的突破。

VA One把有限元分析（FEA），边界元分析（BEM），统计能量分析（SEA）及其混合分析集中于一个易于进行模拟的环境。

同时，VA One提供有限元、边界元和统计能量分析一种严格的耦合形式，能够统一而可靠地进行全频谱范围的求解。

从2004年以来，汽车，航空和铁路领域的一些世界性企业参与了ESI集团的结构噪声共同体（SBNC- Structure-borne Noise Consortium）项目，对发展和验证VA One方案做出了重要的贡献。

联盟成员包括：空中客车德国部（Airbus Deutschland GmbH），波音商业飞机（Boeing Commercial Airplanes），庞巴迪运输（Bombardier Transportation），欧洲航空防务及航天公司研发中心（EADS CRC Research Centre GmbH），本田汽车（Honda Motor Co），三菱电机（Mitsubishi Motor Co），英国QinetiQ Ltd，立达汽车系统（Rieter Automotive Systems），大众汽车（Volkswagen AG）等。

VA One包含有一系列的内部求解器，从而可以满足对振动噪声分析的需要。

另外，这一工具软件还包括有与外部求解器的接口，以确保与目前振动噪声分析和设计过程的兼容性。

VA One具有很大的灵活性，可以让用户选择基于成本、时间和计算资源的最佳模拟方案。

瞬态统计能量分析法中动态响应误差分析瞬态统计能量分析法（Transient Statistical Energy Analysis，简称TSEA）是一种常用的动态响应分析方法。

它能够通过计算系统中的能量传递与损耗来分析系统的动态响应。

在响应分析中，误差分析是非常重要的一部分，本文将对TSEA中的动态响应误差进行分析。

TSEA是一种基于有限元法（FEM）和统计能量分析法（SEA）的方法，用于分析复杂、大规模的动态系统。

在TSEA中，系统的能量变化可以通过一个RLC电路网络来建模，该网络包含了所有与系统动态响应相关的传递路径和损耗路径。

根据能量传递和损耗路径的不同，TSEA将传递路径分为结构传递路径和压力传递路径，将损耗路径分为内部损耗路径和界面损耗路径。

在TSEA分析中，误差来源主要来自两方面：模型误差和计算误差。

模型误差是由于对系统建模时所做的假设和简化造成的误差。

例如，当将某个结构建模成一个均匀材料时，忽略了材料内部的复杂结构，从而可能导致模型误差。

计算误差是由于计算方法及其参数设置引起的误差。

例如，将时间步长设置过大可能会导致计算误差。

根据TSEA的特点，动态响应误差主要来自于模型误差。

因此，在进行TSEA分析之前，应仔细分析建模过程中的每一个假设和简化，并评估它们对分析结果的影响。

如果在建模和分析过程中遇到问题，就应该适时调整模型并重新进行分析。

另外，在进行TSEA分析时还需要注意计算误差。

计算误差的大小取决于所用的计算方法及其参数设置。

对于TSEA，计算误差主要来自于时间步长的设置和数值积分方法的选择。

如果时间步长过大，将导致计算结果的精度下降。

因此，在进行TSEA分析时，应该根据实际需要选择合适的时间步长，并考虑使用高精度数值积分方法，以提高计算结果的精度。

总之，在进行TSEA分析时，动态响应误差分析是非常重要的。

了解误差来源及其影响对于提高分析结果的精度和可靠性至关重要。

因此，在分析过程中应注意模型误差和计算误差，并加以控制和减小误差的影响，以获得更准确的分析结果。

关于复杂频声辐射精度方法目前,声振系统声辐射预测主要有两类方法:数值法(有限元、边界元、无限元等)和统计法(统计能量法、能量有限元法等)。

这两类方法有其各自的适用范围和局限性。

有限元分析在高频段计算时计算代价大,求解变得非常困难。

其次,基于能量的方法(如统计能量法(SEA)[1,2]),可以克服上述缺陷,但经典的统计能量法是建立在不相关激励、保守弱耦合、激励源不相干等假设下,特别是在中频段,统计能量分析面临模态密度不足导致不满足基本假设的问题,另外,如何获得实际结构的内损耗因子(DLF)和耦合损耗因子(CLF)一直没有完善的办法,从而使统计能量分析的应用受到极大限制。

近年来,在模糊结构理论基础上发展起来的混合有限元-统计能量分析(FE-SEA)方法(以下简称混合法)[3~5],集合了有限元分析和统计能量分析的优点,为结构宽频振动响应分析提供了一种有效手段[4~6]。

然而,该方法目前仅应用梁、板等简单结构。

对于飞行器、水下航行器等运载工具来说,其典型结构为复杂圆柱结构。

已有大量研究针对该结构振动及声辐射的低频及高频计算,对于中频的结构响应计算也展开了一定的研究[8,9],但普遍计算精度不高,很难成为实际工程的参考。

本文中利用FE-SEA混合法,研究白噪声激励下该结构的声辐射特性。

混合法的使用改变了有限元法对模型大量节点自由度要求,仅需要少量自由度数目,大大降低了计算量。

并针对复杂结构的声辐射预测中,实际测量耦合损耗因子的方法费时、操作复杂的问题,采用有限元-边界元(FEM-BEM)方法计算辐射效率的方法来修正模型中板子系统与声腔子系统的耦合损耗因子。

从而解决了混合FESEA法中耦合损耗因子求解精度不高的问题,使得该方法成为一种计算高效、快速、准确且更符合实际结构响应的分析方法。

1混合法基本原理及耦合损耗因子修正方法混合方法混合法将计算低频的FE与计算高频的SEA结合起来,形成FE-SEA混合法。

该方法根据结构中传播的波是否反射将波场分成直接场和混响场,其中激励产生的波,即入射波,称为“直接场”;经一次以上反射的波的叠加,称为“混响场”。

车内中频噪声FE-SEA混合建模及分析方法车内中频噪声是指频率范围在100 Hz到10 kHz之间的噪声，主要来源于引擎、变速箱和底盘。

为了减少车内中频噪声对人体健康的影响，需要采用建模和分析方法来预测和优化车内中频噪声水平，其中FE-SEA混合建模及分析方法是一种有效的方法。

FE-SEA混合建模技术是有限元和统计能量分析相结合的一种方法。

它通过将车辆结构分成有限元网格，并考虑分布在结构表面上的机械振动源的振幅、相位和入射角等参数，然后使用统计能量分析方法来估计噪声传递路径对车内声压水平的贡献。

具体来说，该方法可以分为以下步骤：1.有限元建模：对车辆结构进行有限元建模，将车辆结构分成小单元，每个单元的振动特性可以通过有限元分析进行计算。

2.机械振动源建模：将机械振动源视为点源，并估计其振幅、相位和入射角等参数。

3.传递路径建模：通过分析车辆结构的机械振动源和有限元模型中的弯曲、扭曲和屈挠等模态，确定声波传播路径以及各传递路径的贡献。

4.统计能量分析：将传递路径的声波能量汇总，并计算其对车内声压的贡献。

5.结果分析：对计算得到的结果进行分析，包括识别主要的车体振动模态和传递路径、确定主要噪声源和传递路径、分析各传递路径的贡献以及提出优化措施等。

FE-SEA混合建模技术具有以下优点：1.可以考虑模态交叉项对声压的贡献，以及车辆结构的频率响应特性。

2.能够较准确地预测车内噪声水平，为优化车辆结构提供指导。

3.可以在优化车辆结构前进行多种方案的评估，节省优化设计的时间和成本。

4.为了进一步提高该方法的预测精度，可以添加实测数据用于校准计算结果。

综上所述，FE-SEA混合建模及分析方法是一种有效的方法，可以对车内中频噪声进行预测和优化。

通过该方法，可以识别和定位主要的噪声源，确定主要传递路径，提供优化车辆结构的指导，从而提高行驶舒适性和充分保护人体健康。

FE-SEA混合建模技术在汽车行业中的应用非常广泛。

什么是NVH？NVH是指Noise(噪声)，Vibration(振动)和Harshness(声振粗糙度)。

由于以上三者在机械振动中是同时出现且密不可分，因此常把它们放在一起进行研究。

声振粗糙度是指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客观测量方法来度量。

由于声振粗糙描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉，因此有人称Harshness为不平顺性。

又因为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应，因此也有人称Harshness为冲击特性。

举个例子，当汽车通过接缝或凸包时将产生瞬态振动（Harshness），它包括冲击和缓冲两种感觉。

系统刚度越大，车身瞬态振动的幅值越大，冲击越严重，同时固有频率增加使振动衰减变快，缓冲的效果变好。

同时它还给出了利用多元回归模型得到的冲击和缓冲方面感觉等级的经验公式。

总的说来，声振粗糙度描述是振动和噪声共同产生的使人感到极度疲劳的感觉。

简单地讲，乘员在汽车中的一切触觉和听觉感受都属于汽车NVH特性研究的范畴，此外，还包括汽车零部件由于振动引起的强度和寿命等问题。

从NVH的观点来看，汽车是一个由激励源（发动机、变速器等）、振动传递器（由悬挂系统和边接件组成）和噪声发射器（车身）组成的系统。

汽车传动系统NVH特性研究是以汽车传动系统作为研究对象的，是属于于汽车整车NVH特性研究的子系统。

目前的研究来看，汽车传动系统NVH特性研究主要是研究由发动机作为一个激励源产生的或汽车处于某种工况下的传动系统NVH特性。

国外对动力传动系振动特性的研究起步较早，国外先进的汽车厂家从80年代以来已经将汽车结构的动态特性纳入产品开发的常规内容。

尤其是20世纪90年代以来，丰田（Toyota）、通用（GM）、福特(Ford)、克莱斯勒（Chrysler）等大汽车公司的工程研究中心专门设立了NVH分部，集中处理汽车的噪声（Noise）、振动（Vibration）和来自路面接触冲击的噪声声振粗糙度（Harshness）。