0 引 言

目前噪声污染问题日益引起人们的重视，尤其在民用领域，随着环境法规对于噪声污染的限制日益严格以及客户越来越苛刻的低噪声需求，众多汽车、飞机制造商以及零部件供应商都投入了大量的人力物力研究封闭舱室的噪声控制问题[1]。在国防工业领域，如何控制装甲车、坦克等装备内的噪声，以提高乘员的舒适性和战斗效率也是迫切需要解决的问题。

封闭空腔中的薄壁结构与可压缩流体的声固耦合问题长期以来一直是国内外学者研究的热点之一[2-3]。由流体动态载荷引起的其环绕结构的振动噪声问题在日常生活和工作中经常遇到。近年来，随着环保节能的要求以及新材料的应用，结构的轻量化设计的大量应用也使得声固耦合问题显得尤为突出。更轻薄的结构加强了声固耦合效应，特别是在封闭舱室内，典型的结构如车辆、飞机的舱室[4-5]。彻底理解声固耦合系统特性，对于做好结构声学设计、预估噪声等级及噪声的主被动控制等都有重要的意义[6]。

对载重汽车驾驶室的结构进行设计，采用有限元技术对其结构和声学模态进行分析，研究室内声场的耦合特性，为驾驶室结构的合理化设计提供理论支持。

车开出一段路程，深思父母的艰苦创业。他们的成就给亲戚们带来很多幸福，叔叔和婶婶自然很关心我。从车窗向外一望，高架下远近住着许多萧索的街区。我坐在车里，聆听父亲的评语：“今天你表现很好，但和堂妹很生疏，大概性格爱好不同吧。”车从高架急遽地滑下去，遇到马路上庄严的红灯，突然停下来，旁边有轿车的喇叭声，可是那声音单调，周围的空气似乎很沉闷。

1 载重汽车驾驶室结构和腔室有限元模型

载重汽车驾驶室几何结构设计为：整体结构长为2 290.0 mm(X向)、宽为2 090 mm(Z向)、平均高度为2 047.2 mm(Y向)。其中驾驶室的外部结构主要包括有钢板和玻璃，除两侧的两对窗玻璃和前方挡风玻璃外，其余全是钢板；驾驶室内部还有两把座椅，焊接在驾驶室地板上。钢板和玻璃的材料属性见表1。

 

表1 驾驶室结构材料属性

  

材料弹性模量(N/mm2)泊松比密度(tonne/mm3)厚度(mm)钢2.06×1050.37.80×10-95玻璃7.60×1040.32.50×10-93

采用Hypermesh进行有限元网格划分，其中钢板和玻璃板采用壳单元，座椅采用三维实体单元。驾驶室钢板结构和座椅网格划分结果如图1(a)所示。驾驶室钢板、玻璃以及座椅所围成的封闭空腔即为驾驶室腔室，腔内声介质为室温下的空气，密度为1.225 kg/m3，声速为340 m/s，忽略阻尼和声导纳系数。选取四面体单元进行网格划分，腔室声学有限元模型如图1 (b)所示。由图可见，网格类型全为四面体网格。最小单元长度为6.2 mm，单元总数为52 421，节点总数为85 068。

  

图1 驾驶室结构和腔室有限元模型

2 载重汽车驾驶室模态分析

2.1 驾驶室结构模态分析

(1) 驾驶室内噪声场主要受结构模态和声腔模态所影响，结构-声耦合效应不明显，即结构和声腔没有产生共振。

为求取驾驶室结构的频率及振型，设置频率分析步，采用兰索斯法(Lanczos)进行结构模态计算。驾驶室的结构振型如图2所示。由于高阶模态振型对结构动态性能影响不大，因此文中主要研究低阶模态振型。第1、2阶振动频率都为7.8 Hz，主要为座椅的振动，第1阶振型为左侧座椅前后振动，见图2(a)；第2阶振型为右侧座椅前后振动(面向车前进方向)，见图2(b)；第3阶固有频率为7.9 Hz，振型为后围壁板和侧壁的耦合振动，以后围壁板振动为主，见图2(c)；第4阶固有频率为9.9 Hz，振型为侧壁同向振动，见图2(d)。汽车驾驶室结构主要为壁板结构，刚性小，频率低且分布密集。低阶振型主要为驾驶室整体结构的局部振动，高阶振型主要是各局部振型的组合振动以及耦合振动，难以实现正确的模态识别。

[2] Cui H F, Hu R F, Chen N. Modeling and analysis of acoustic field in a rectangular enclosure bounded by elastic plates under the excitation of different point force[J]. Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control, 2017, 36(1): 43-55.

在进行模型网格划分时，需要分别对各个组件进行划分，并将所有部件装配到一起再进行连接处理。由于钢板和玻璃之间以及钢板和座椅之间的连接均为刚性连接，所以对于各部件之间的连接模拟采用Abaqus中的Tie连接处理。前挡风玻璃及窗玻璃与钢板的连接模拟采用点域对点域的连接(NodeRegion-NodeRegion)，玻璃板网格与钢板网格连接节点一一对应，其运动可保持连续性。驾驶室钢板与座椅连接模拟采用面对面的连接(Surface-surface)。座椅与钢板的连接为壳单元与三维实体单元的连接，网格也一一对应。另外，载重汽车驾驶室受到底盘的约束作用，故在驾驶室底部平面四个角落区域分别施加6个自由度的固定约束，以模拟底盘的作用。

理想的相机模型是一个针孔模型,若以齐次坐标的形式表达,世界坐标系中的点(x,y,z,1)与图像中的无畸变对应点(u,v,1)间存在以下关系

  

图2 驾驶室的前4阶结构振型

2.2 驾驶室腔室声学模态分析

利用LMS virtual lab13.3软件中的分块兰索斯法(Block Lanczos)对驾驶室空腔进行声学模态计算。前4阶驾驶室声学模态振型如图3所示。

  

图3 驾驶室的前4阶声学模态振型

(3) 通过有限元对驾驶室进行模态分析，预测室内声场，为驾驶室声学设计提供理论依据。

近年来，我国原油剩余可采储量的变化可分为两个阶段：2006～2014年从200069万吨上升到251988万吨，年增率为2.9%。其后缓慢下降，到2017年为246587万吨，年增率为-0.7%。这使2017年大致与2012年相当。笔者着重指出，2014年国际油价仍达98美元/桶，油价下半年开始下跌也未能直接导致该年国内勘探开发投资及相关政策变化。剩余可采储量拐点的出现主要原因应为新增可采储量走低而产量却还处于升势致使储量补充系数小于1。

3 驾驶室内耦合声场特性分析

在Abaqus中采用Tie连接实现声场波动和结构振动两个计算域参数的相互传递，以模拟声固耦合；采用Lanczos对驾驶室结构和声腔的耦合模态进行计算。驾驶室内空气体积模量为1.39×105 Pa。

绝大多数声固耦合模态振型与相应结构模态振型十分接近，因限于篇幅本文仅提取前4阶声固耦合模态振型，如图4所示，其中，POR表示声压。由图可见，前4阶耦合模态振型与相应结构模态振型十分接近，因此耦合模态主要受结构壁板振动的影响，在结构振动幅值较大的地方，声压也较大。

  

图4 驾驶室内前4阶声固耦合模态振型

另外，小部分的耦合模态振型和声学模态振型十分相似，比如第61、82、108和116阶的耦合模态振型分别与第1、2、4和5阶声学模态振型相似，见图5。上述耦合模态和声模态的频率也相同，因此耦合模态主要受声模态所影响，结构壁板振动对其影响较小。

由上分析可知，对声固耦合起主导作用的是结构模态或声模态，即结构模态和声模态之间并没有产生强烈的耦合效应，室内声场主要受结构模态或者声模态的影响。以上主要讨论模态振型与驾驶室内声场之间的关系，下面分析模态频率对室内声场的影响。

结构、声腔和耦合模态频率随阶数变化曲线如图6所示，并分别取其前300阶模态。由图可知，驾驶室结构固有频率分布比较密集和均匀，相邻阶数之间的频率值相差不超过6.0 Hz，最低频率为7.8 Hz，而第300阶固有频率为268.5 Hz；驾驶室声腔频率随着阶数的增加曲线趋于平缓，即低阶声腔频率分布比较分散，相邻阶数之间的频率差值较大，而高阶声腔频率分布较密集，相邻阶数之间的频率差值较小；声-固耦合模态频率与结构模态频率十分接近，前100阶频率几乎重合，大于100阶的模态频率，前者略低于后者。耦合模态频率和结构模态频率都远小于声腔模态频率，因此结构模态和声腔模态之间不会产生强烈的耦合效应，腔内声场主要受结构模态所影响，这与从模态振型来分析室内声场特性所得结论是一致的，也验证了所设计的驾驶室结构是合理的。

  

图5 声固耦合模态振型

  

图6 结构、声腔和耦合模态频率

4 结 论

应用有限元技术研究复杂封闭空腔-载重汽车驾驶室内声场特性，预测驾驶室结构设计的合理性。通过仿真研究发现：

采用Abaqus对驾驶室结构进行模态计算，步骤包括：将划分好的网格模型导入Abaqus，进行装配连接处理(即预处理)；设置计算步、给定边界条件并选定网格类型；模态仿真计算及结果处理。

(2) 绝大多数耦合模态频率等于或接近结构模态频率，即耦合频率由结构模态所主导，声模态对耦合频率影响较小。

第1阶声学模态振型为前后方向的波动，具有一个接近零声压的节面，法线方向与车前进方向平行，见图3 (a)；第2阶声学模态振型为左右方向的波动，具有一个接近零声压的节面，法线方向与侧壁面垂直，见图3 (b)；第3阶声学模态振型为上下方向的波动，具有一个接近零声压的节面，法线方向与侧壁面平行，见图3 (c)；第4阶声学模态振型具有两个在顶棚处相互交错的接近零声压的节面，可视为第1阶振型和第2阶振型的耦合波动，见图3 (d)。随着阶数的增加，零声压节面数量随之逐渐增多，有些较高阶模态振型可视为较低两阶、三阶甚至是多阶模态振型的耦合。而阶数越高，声学模态振型也越复杂，零节面也不再清晰，而呈现出的是错综复杂的零声压线。

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参考文献：

[1] 滕 增,唐鹏轩.基于Acoustics的工程机械驾驶室结构噪声分析[J].农业装备技术,2017,43(5):47-50.

答辩结束后，由8位答辩专家对实验班整体的教学效果进行评价，大多数专家认为实验班的授课方式较好，有助于培养学生的科研能力，培养团队精神。少数专家认为学生的科研能力仍需加强。其教学效果评价情况见（表2）所示。

[3] Yuki Noguchi,Takashi Yamamoto,Takayuki Yamada,Kazuhiro Izui,Shinji Nishiwaki. A level set-based topology optimization method for simultaneous design of elastic structure and coupled acoustic cavity using a two-phase material model[J]. Journal of Sound and Vibration, 2017(404): 15-30.

[4] 张代胜,庄隽涛.客车车内噪声声固耦合分析与优化[J].合肥工业大学学报,2014,37(1):10-13.

[5] 欧 键,刘美志,杨鄂川,等.某特种车车内低频噪声分析与改进[J].噪声与振动控制, 2016,36(2):121-125.

[6] 张频捷,张立军,梦德建,等.汽车车内噪声主动控制系统扬声器与麦克风布放优化方法[J].振动与冲击,2017,36(5):169-175.

防治效果=[1-(空白对照施药前病指×药剂处理施药后病指)/空白对照施药后病指×药剂处理施药前病指)]×100%

生姜是姜科多年生草本植物姜的根茎，别名有姜根、百辣云、鲜生姜、蜜炙姜等。生姜中含有的挥发油、姜辣素、姜黄素等能抗溃疡、镇吐、增加胃液分泌、调节胃肠运动、保肝利胆、兴奋循环和呼吸系统，同时还能降血脂等。其中所含的姜辣素（Curcumin）具有明显的抗氧化、抗衰老、降血脂等功能，对心脏和血管运动中枢有直接的兴奋作用，可使心跳加速、血管扩张，血行旺盛而使脉络通畅，进而实现改善体表循环的保健功能[3-6]。