基于有限元和边界元的噪声分析

基于有限元法的车内声学传递函数分析杨晋田冠男李明江徐有忠(奇瑞汽车有限公司乘用车研究院CAE部)摘要:本文介绍了一种应用有限元方法在LMS.VirtualLab软件平台上进行乘用车驾驶员右耳旁声压传递函数的分析方法。

该分析方法是预测乘用车车内噪声水平的重要手段，同时提供了降低车内车身结构噪音的解决方向，在工程应用上具有重要的指导意义。

关键词:NVH 有限元方法声振耦合声学灵敏度Abstract: Applying the theory of finite element analysis, the paper focused on the vibration of steering system.A CAE method to prevision the steering system NVH performance has been accessed, the evaluation was given at the same time. As a result, the optimization of the structure design of the whole system was discussed with an example. The study has some importance in improving the NVH level of a kind of passenger car.Key words:NVH, FEM, Sound Pressure, Acoustic Sensitivity1.概述汽车NVH水平是客户在选择产品时关心的重点问题，汽车的舒适性能如振动和噪声是区分汽车品牌好坏的重要因素之一。

如何提高噪声振动性能是各大汽车厂商在开发车型时考虑的重要问题。

汽车噪声按照频率高低，可分为低频（20-250Hz）、中频（250-500Hz）、高频（500Hz以上）。

由于低频噪声对人的集中力、睡眠等有诸多负面影响[1,2,3]，交通系统产生的低频噪声问题已经引起了较多的关注[4,5]。

最近，越来越多的学者开始研究桥梁的低频噪声问题[6-10]，这是因为相对高频噪声而言，低频噪声很难通过声屏障等措施得到有效的控制。

为了降低桥梁结构噪声，首先要提出有效的噪声预测方法。

很多学者采用三维边界元（Boundary element method，以下简称BEM）技术来进行桥梁结构噪声分析。

Kawatani[8]通过结合时域车桥耦合振动计算和频域三维边界元声学计算来研究钢桥的辐射噪声。

该三维边界元方法后来被运用到预测高架和铁路桥梁的结构噪声[9,11]。

由于车桥耦合振动是一个时变过程[12,13]，早期也有一些学者通过时域声学计算来研究低频桥梁噪声[14,15]，但是采用的振动和声学计算模型都较为简单；而对于较为复杂的模型，采用时域声学计算效率不高。

Li[7]提出了采用声模态传递向量的方法预测混凝土桥梁结构噪声，适合对不同车辆和车速下的桥梁振动辐射噪声进行参数分析。

但是，用三维边界元进行声模态传递向量计算非常耗时，以文献[7]中30m 跨径的U形梁为例，计算200Hz以下的声模态传递向量需24小时。

对于更长的桥梁或者更高的声学分析频率，三维边界元计算时间将更长。

2.5维方法适用于截面沿某一方向均匀的问题，通过对一系列二维声压方程的解进行傅里叶变换得到三维声学方程的解[16-20]。

Duhamel[16]最早采用2.5维边界元方法对截面均匀的声屏障进行声学分析，后来这一方法运用到诸多领域。

Salonmons等[17]在研究交通噪声时，用2.5维边界元方法作为标准来验证射线模型的准确性。

Hornikx 和Forssén[18]将这一方法扩展到城市街道噪声的研究，并考虑了空气的吸声效应。

最近Pereira等[19]采用2.5维边界元方法来研究具有多层流体基底的水下声波的传播问题。

【边界元法】声学有限元法与声学边界元法边界元法话题：边界元法休闲阅读计算方法边界1. 声学有限元法有限元法(FEM)是根据变分原理来求解数学物理问题的一种数值计算方法，其基础是结构离散和分片插值，对于分析复杂形状腔体内的声场特性有着显著的优点，可以真实地模拟声场的低频波动特征，也适用于声-结构界面阻抗非均匀分布的情况，但数据准备工作量大。

用声学有限元法求解Helmholtz 方程，首先需要把计算的声场V 离散成一定数量的小声场eV ，每个小声场称为单元(Element)，单元之间通过一定数量的节点(Node)相互连接。

定义好单元内任意点的声压与节点声压的关系(这种关系称为形函数(ShapeFunction)或者权重函数(Weighted Function))，则每个单元内的声场由属于这个单元的节点上的声压确定。

关于如何运用有限元法来求解Helmholtz 方程的具体理论过程详见文献。

2.声学边界元法边界元法(BEM)是在有限元的离散技术基础上，通过转化Helmholtz 方程边值问题为边界积分方程发展而来的。

边界元法克服了有限元法中的某些缺点，有限元法是在整个求解域上进行离散，而边界元法只在求解域的边界上进行离散；有限元法是全域数值方法，而边界元法在域内采用了物理问题或弹性力学的基本解和一些积分运算，数值计算只在边界上进行，它属于半解析半数值方法。

同其他方法相比，边界元法的优越性在于：在区域内部不需要求未知量，从而大大减少了划分单元模型的工作量和求解方程的个数，减少了数据量和计算时间；适合求解带无穷边界条件的开放域问题。

因此边界元法在结构振动辐射声场计算中具有使分析问题降维、适用于复杂结构以及无限域问题等优点，可用来计算已知表面振速结构的声辐射，也可与有限元法相结合解决较复杂的三维流体结构耦合的声辐射问题。

边界元法基本思想是将微分方程转化为在边界上定义的边界积分方程，并将边界离散化，使积分方程成为只含有边界节点未知量的代数方程组，通过求解获得边界节点的参数，并进一步求得分析域内部的参数。

一种基于有限元分析优化EPB 噪音的方法作者：文/ 杨树汪爱军李姮秦勇孙守保来源：《时代汽车》 2020年第19期杨树1 汪爱军2 李姮2 秦勇2 孙守保１1.万向钱潮（上海）汽车系统有限公司上海市 201300 2．上汽通用五菱汽车股份有限公司广西柳州市 545007摘?要：随着时代的不断发展，人们对于汽车的实际需求在不断提升，除开汽车本身的质量之外，汽车的舒适度、使用性能等逐渐受到重视。

因此，为了更好地满足人们提出的要求，本文主要对EPB噪音优化的方法进行具体的分析、探讨，希望利用这样的方式降低噪音，为人们提供一个舒适、安逸的行车环境。

关键词：EPB噪音有限元分析优化A Method of Optimizing EPB Noise Based on Finite Element AnalysisYang Shu，Wang Aijun，Li Heng，Qin Yong，Sun ShoubaoAbstract：With the continuous development of the times, people's actual demand for cars is constantly improving. In addition to the quality of the car itself, the comfort and performance of the car are gradually being valued. Therefore, in orderto better meet the requirements of people, this article mainly analyzes and discusses the methods of EPB noise optimization, hoping to use this method toreduce noise and provide people with a comfortable driving environment.Key words：EPB noise, finite element analysis, optimization本文涉及一种噪音优化方法，具体地说主要涉及一种基于有限元分析优化EPB噪音的方法。

基于有限元和边界元的噪声分析有限元和边界元是两种常用的数值分析方法，可用于进行噪声分析。

这两种方法在噪声分析中的应用非常广泛，可以对噪声产生的原因和传播路径进行详细的研究。

在有限元和边界元中，噪声问题通常被建模为声学波动问题，其中声场的传播和散射被描述为弹性波动方程或亥姆霍兹方程。

这些方程可以用于计算声场的传播和散射路径，并分析噪声的产生和传播机制。

有限元方法是一种广泛应用于结构力学和声学问题求解的数值方法。

它将一个连续域的问题离散化为一个有限数量的元素，并通过求解元素的局部方程来得到整个问题的近似解。

在噪声分析中，有限元方法可以用于计算噪声源在结构中产生的振动场，并进一步用于计算振动场在空气中产生的声场。

通过在结构上放置传感器，还可以用有限元方法进行噪声源的识别和定位。

边界元方法是一种将问题边界作为主要求解域的数值方法。

在边界元方法中，问题的边界被分割为一系列小的面元，然后使用边界元方程来求解问题。

在噪声分析中，边界元方法可以用于计算声源在结构表面产生的辐射声场，并进一步用于计算声场的传播路径和辐射效果。

通过在结构表面放置传感器，还可以用边界元方法进行声源的识别和定位。

无论是有限元方法还是边界元方法，真实问题的准确建模是非常重要的。

在噪声分析中，需要考虑到声源的特征和位置、结构的几何形状和材料特性、周围环境的声学特性等方面的信息。

同时，还需要合理选择网格大小和离散化方案，以保证计算结果的准确性和可靠性。

此外，有限元和边界元方法还可以与其他数值方法相结合，例如模态分析、频域分析等。

这些方法可以进一步扩展噪声分析的应用范围，并提供更加全面的结果。

总结起来，基于有限元和边界元的噪声分析方法在建筑、机械、航空航天等领域有广泛的应用。

它们可以用于分析噪声源的产生和传播路径，评估噪声对结构和环境的影响，并为噪声控制和优化提供技术支持。

随着计算机技术的不断发展，有限元和边界元方法在噪声分析中的应用将得到更加广泛和深入的发展。

基于边界元计算的船舶机械设备水下辐射噪声分析 1. 引言机械设备是中低航速下船舶水下辐射噪声的主要噪声源，也是影响船舶舒适性的主要振源，为此在特种船舶、军船上主要的设备都采取了诸如浮筏、双层隔振、单层隔振等在内的多种减振降噪措施[1]。

减振对于降低机械设备的水下辐射噪声的好处是毋庸置疑的，但机械设备辐射噪声是多少，在总体辐射噪声总所占份额是多少，需不需要采取减振降噪措施以及采取什么程度的措施在船舶的方案设计阶段尚不清晰。

本文针对上述现状开展某科考船主要设备刚性及弹性两种安装状态下引起的水下辐射噪声数值计算分析研究，可以为船舶的减振降噪设计提供参考。

2. 机械设备引起的水下辐射噪声计算理论及计算流程根据振动传递理论[2]，机械设备机脚p 点施加载荷则引起船体外板l 点振动响应可以表示为：n pi li pi li lp i 1i i i i X H F F a j a j ****=⎧⎫⎡⎤••⎪⎪==+⎢⎥⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩⎭∑ψψψψ（ω）（ω-λ）（ω-λ） （1） 上式中，lp H (ω）为设备机脚到船体外板的传递函数，F 为设备激励载荷，i λ为复模态频率，i ψ为复振型，i a 为结构的复模态质量。

从式（1）可看出船体外板的振动响应与激励载荷、船体结构等参数有关。

得到船体外板的振动响应后，根据经典的结构声辐射理论[3]，船体结构的辐射声功率可以用下式表示： 22R rad rad W R c =<>=ρ<>υS συ （2）上式中，ρ为流体密度，c 为流体中声速，υ为船体结构表面振动速度，rad σ为船体结构的辐射效率，S 为船体与流体接触的湿表面面积。

根据辐射声功率和声压的关系，可以推导出距离声源r 米处的声压P 为[4]：P =（3）结合上述理论，机械设备水下辐射噪声数值计算流程如图1所示，本文中设备、船体、流体及频率响应分析采用有限元软件进行建模，直接边界元及远场水声计算采用LMS Sysnoise。

用有限元/边界元方法计算结构体振动辐射声场柯　兵　谭林森(华中科技大学,武汉430074)摘　要:利用有限元软件ANSY S和边界元程序对结构体的受激振动与辐射声场进行分析;先在ANSY S软件中计算结构体在受点力激励时外表面的法向位移,然后利用ANSY S二次开发工具(APD L,UPFs,ANSY S数据接口,UI D L)等提取模型单元网格数据和外表面的法向位移,并传递给边界元程序,再用边界元计算结构体表面声压及外场声压;以板结构的振动与声辐射为例计算分析,并与用远场Rayleigh积分计算所得结果进行比较,研究了激励力作用位置对板结构声辐射的影响,并验证ANSY S二次开发技术和自编边界元程序的准确性和可靠性。

关键词:结构声辐射;边界元法;奇异积分Abstract:The numerical analyses of vibration and s ound radiation from a elastic plate have been carried out by using FE M s oftware ANSY S and BE M programs.Sur face s ound pressure and the normal velocity are given when the plate is excit2 ed by point force s ource.Numerical exam ples of the analyses of acoustic radiation of plate are given to test and to com pare with the results using Rayleigh integral in the far field.K ey w ords:strurcture acoustic radiation;BE M;singular integral1　引言弹性结构的振动与声辐射问题一直受到人们的关注,其分析方法可分为解析法和数值法,前者一般适用于结构及几何形状比较简单和规则的弹性结构,如球壳,无限长圆柱壳,椭球壳等等。

基于有限元的噪声预测方法研究作者：柳跃雷来源：《科学大众》2019年第02期摘; ;要：文章对噪声控制的方法进行分析，对噪声分析方法的优缺点进行阐述，提出通过有限元模型进行结构噪声控制研究。

对有限元法在辐射噪声中的计算预测方法进行了叙述，可通过有限元模型建立、网格划分、模态计算、谐响应分析和辐射噪声的计算，利用这些步骤进行噪声预测，从而在设计阶段就能达到良好的减振降噪效果。

关键词：噪声控制;有限元法;谐响应分析;振动分析噪声问题已经引起了社会和国家的普遍关注，它同空气污染、水污染和固体废弃物污染一起构成了当今世界的四大公害[1]。

结构噪声是噪声的一个重要来源，对于一些薄壁结构、板筋结构来说，在工作时的振动是噪声的主要来源，如飞机壁板、箱体等机械部件。

对于薄壁结构的模型而言，结构辐射噪声的分析方法一般有3类，分别是解析方法、数值方法和实验方法，而其中的解析方法主要用于简单的模型，否则计算过于复杂。

实际工程应用的是以测试为主的实验测量方法和以计算机模拟为主的数值方法。

实验测量方法主要对声场中某点能量的大小和方向进行测试，获得辐射声功率。

测试结果精度较高，噪声改进的针对性强。

但是需要反复制作样机进行测试，导致实验时间过长、成本过高。

依托于计算机的高速发展对于数值计算方法的支持，有限元法、边界元法、统计能量法等一系列数值计算方法应用越来越广泛。

本文所介绍的有限元法在辐射噪声中的计算预测方法，主要有以下步骤。

1; ; 有限元计算模型的建立建立准确的计算模型是得出准确结果的基础。

有限元方法计算结果准确与否主要由两方面所决定：（1）计算模型与实际模型之间的区别，与实际模型越吻合，最终的计算结果与实际越接近。

（2）网格划分的方法，网格划分方法不同和网格划分精度高低也是影响结果的重要因素。

在建立模型的时候，尽量与实际模型相契合，但是要建立和实际一样的模型也有困难。

首先，是会花费极多的时间建模。

另外，模型过于复杂会导致计算时间大大增加。

用有限元 /边界元方法计算结构体振动辐射声场柯兵谭林森(华中科技大学 , 武汉 430074摘要 :利用有限元软件 ANSY S 和边界元程序对结构体的受激振动与辐射声场进行分析 ; ANSY S 软件中计算结构体在受点力激励时外表面的法向位移 , 然后利用 ANSY S 二次开发工具 (APD L S 数据接口 ,UI D L 等提取模型单元网格数据和外表面的法向位移 ,面声压及外场声压 ; 以板结构的振动与声辐射为例计算分析 ,较 , 研究了激励力作用位置对板结构声辐射的影响 ,和可靠性。

关键词 :Abstract :s ound radiation from a elastic plate have been carried out by using FE Sur face s ound pressure and the normal velocity are given when the plate is excit 2 ed by s Numerical exam ples of the analyses of acoustic radiation of plate are given to test and to com pare with the results using Rayleigh integral in the far field.K ey w ords :strurcture acoustic radiation ; BE M; singular integral1引言弹性结构的振动与声辐射问题一直受到人们的关注 , 其分析方法可分为解析法和数值法 , 前者一般适用于结构及几何形状比较简单和规则的弹性结构 , 如球壳 , 无限长圆柱壳 , 椭球壳等等。

而后者一般适用于比较复杂弹性结构。

常用的数值方法有 :有限元法、有限元 +边界元、有限元 +无限元法等等。

其中 , 有限元 +边界元法是工程中常用的方法 , 该方法原则上可求解具有任意表面形状复杂弹性结构的振动和声辐射问题。

船舶噪声控制技术的研究进展在现代航运业中，船舶噪声问题日益受到关注。

过大的噪声不仅会影响船员的工作和生活质量，还可能对船舶的设备运行和结构安全产生不利影响，甚至对海洋生态环境造成一定的破坏。

因此，船舶噪声控制技术的研究具有重要的现实意义。

船舶噪声的来源较为复杂，主要包括机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声等。

机械噪声通常由主机、辅机、各种泵和通风系统等设备的运转产生。

这些设备在工作时，由于部件的摩擦、撞击以及振动等，会向外辐射噪声。

螺旋桨噪声则是由于螺旋桨在旋转过程中与水流相互作用而产生的，包括空泡噪声、叶频噪声等。

水动力噪声则与船舶在水中的运动有关，如水流经过船体表面时产生的摩擦噪声等。

为了有效地控制船舶噪声，研究人员在多个方面取得了显著的进展。

在声源控制方面，通过优化机械设计来降低设备本身的噪声水平是一个重要的途径。

例如，对于船舶主机，可以采用先进的燃烧技术、优化气门正时和喷油策略等，以减少燃烧过程中的冲击和振动。

对于辅机和各种泵，可以选用低噪声的型号，或者通过改进安装方式和增加减震措施来降低其振动和噪声传递。

在螺旋桨的设计上，通过改进叶片的形状和分布，提高螺旋桨的加工精度，以及采用新型的螺旋桨材料，可以有效地降低螺旋桨噪声。

在噪声传播途径控制方面，采用隔振和吸声材料是常见的方法。

隔振技术可以将振动源与船体结构隔离，减少振动的传递。

例如，在主机和辅机的安装位置设置弹性支座或减震器，可以有效地降低振动向船体的传播。

吸声材料则可以吸收声波的能量，从而降低噪声的强度。

在船舶的舱室内部，使用吸音棉、泡沫塑料等吸声材料，可以改善舱内的声学环境。

此外，采用隔声结构也是一种有效的手段。

通过在船体结构中设置隔声层，如双层钢板中间填充隔音材料，可以阻挡噪声的传播。

在主动噪声控制技术方面，近年来也取得了一定的突破。

主动噪声控制是指通过电子设备和算法，产生与噪声相位相反的声波，从而实现噪声的抵消。

这种技术在船舶上的应用虽然还处于研究和试验阶段，但具有很大的发展潜力。

航天器结构声振耦合问题的有限元-边界元方法数值仿真研究冯金龙;王宏宏;赵营;王一楠;杜骊刚【摘要】针对高超声速、结构轻量化带来的航天器复杂结构声振耦合动力学环境难以精准预示问题,提出一种基于有限元-边界元(FEM-BEM)方法的声振耦合问题数值仿真方法.分析国内外求解声振耦合问题的主要数值仿真方法,从影响航天器性能设计的低中频声振耦合动力学特性入手,采用有限元-边界元方法,以航天器典型结构截锥壳为研究对象,开展混响噪声作用下的声振耦合研究.建立了声振耦合模型,获得了主体结构、主要支撑结构及设备的声振耦合响应.提出的数值仿真方法和仿真分析过程,为航天器声振耦合分析提供了理论基础和仿真手段.【期刊名称】《装备环境工程》【年(卷),期】2018(015)011【总页数】7页(P37-43)【关键词】航天器;声振耦合;数值仿真;有限元-边界元方法【作者】冯金龙;王宏宏;赵营;王一楠;杜骊刚【作者单位】北京机电工程总体设计部,北京 100854;北京机电工程总体设计部,北京 100854;北京机电工程总体设计部,北京 100854;北京机电工程总体设计部,北京100854;北京机电工程总体设计部,北京 100854【正文语种】中文【中图分类】V416声振耦合环境是航天器飞行过程中遇到的主要动力学环境之一，尤其是高超声速飞行器，声振耦合环境更加恶劣，精准的动力学环境预示越发困难，但更迫切。

声振耦合环境其主要效应是激起航天器主次结构共振响应以及局部动力响应过大，造成结构破坏、局部失稳、电子元器件等敏感组件发生故障。

如何准确地预示在外声场作用下飞行器的内声场以及由此引起的其结构上的振动响应，对于航天器上的仪器设备、结构本身以及有效载荷具有十分重要的意义[1]。

结构轻量化的要求使得薄壁结构和轻质材料得到了广泛的采用。

随着结构越来越薄，声振耦合响应变得越来越剧烈。

新型材料的应用，增加了声振耦合问题研究的难度。

与此同时，航天器正在向功能多样化，结构复杂化发展。