声腔模态定义及形式-汽车车身噪声与振动控制书

1.声腔模态的定义

车身壁板围成了一个封闭的空间，即车内空间，里面充满了空气。一个结构体（如白车身）存在着其固有的模态振型和模态频率，同样，对于一个空气组成的封闭空间（如车内空间），也存在着模态形式和模态频率。由封闭空气而形成的模态被称为声腔模态。结构体在外力的作用下产生振动，而封闭空间受到外界的扰动时，压力发生变化，从而产生声音。封闭空间内的空气受到外界扰动有两种：一种是板结构的振动；一种是声波的扰动。

第一种扰动是板结构（如前壁板振动、顶棚振动等）的振动。这种扰动使车内空间的空气体积发生微小的变化，并产生很大的声音。轿车的车内空间大约为3m³，如果车内空气体积变化0.002m³，那么车内的声压将达到1.4Pa，或者94dB。板振动扰动了封闭空间内的空气，就像是扬声器发出声音。图3-14表示前壁板振动，壁板推动空气，从而改变了车内空气体积，这时前壁板就是一个扬声器。

图3-14 前壁板与扬声器运动类比

第二种扰动是声波的直接扰动，外界的声音（如排气尾管声音）穿过车身，直接传递到车内，推动空气运动。这些声源就是一个个扬声器，推动车内封闭空气运动而使空气体积变化。如果声源频率与声腔模态频率一致，就产生了车内轰鸣。另外，车内的一些声源（如鼓风机的声音）会直接作用在车内封闭空气上，推动它运动。

声腔在外界的作用下，各处的压力均发生变化，因此，声压是描述声腔模态的一个特征量。结构体的模态分布是用位移来表征的，而封闭空间的模态分布是用压力来表征的。结构模态和声腔模态有相似的地方，表3-7给出了两者的比较。

表3-7 结构模态和声腔模态的比较(www.xing528.com)

2.声腔模态的形式

车内空间的声腔模态是客观存在的，可以通过测试或CAE分析得到。一个连续结构体有很多模态，如第一阶弯曲模态、第二阶扭转模态等。一个封闭的空气体也有许多模态，被称为一阶声腔模态、二阶声腔模态等。

图3-9给出了某车身的第一阶声腔模态图，模态形状体现出压力的变化。图中的颜色表示压力的大小，车身不同位置的压力是不一样的，有的地方的压力为零。压力为零的地方的连线称为声腔模态的节线，这类似于结构模态的节点。在这个声腔模态图中，压力变化的分布基本上是沿着汽车的纵轴向，即前后方向或x方向。在横向（y方向）和垂向（z方向）上，压力的变化很小。

图3-15 某车身的第三阶 声腔模态图（见彩插）

车身的每一阶声腔模态有特定的形状，即特定的声压分布。比如图3-15为同一个车身的第三阶声腔模态，它与图3-9的第一阶模态不一样。它的形态在纵向（x方向）的变化很小，在垂向（z方向）有些变化，但主要变化是在横向（y方向）。随着模态阶次增加，模态形状越来越复杂，高阶模态形状在x、y和z三个方向都有较大变化。本节后续材料将详细介绍一些声腔模态的形状。