汽车车身结构设计及声学分析

汽车车身形成一定形状的封闭空腔，因此会发生与封闭管道类似的共振现象，这称为空腔共鸣。它具有增强车内噪声的效果。车内空腔共鸣的特征由空腔的声学模态决定。

所谓声学模态，是指用波动声学方法处理封闭声场时引入的概念，即用“模态叠加法”分析封闭空间声场。封闭空间声场的计算方法有统计声学法和波动声学法。

当外界振动激励频率或声激励频率与车身声腔固有频率相等时，车身内部将产生空腔共鸣，使得车内噪声增强。

车辆车厢形成的封闭空腔尺寸一般都不大，在低频段可以采用波动声学法。车厢的结构、形状、大小、材料等决定了声学模态。

由于实际车身内部形状复杂，声学模态的计算只能采用数值法，如有限元法、差分法等。

1.封闭空腔声学模态

对车身内部噪声测试数据进行分析可知，车厢内部噪声级中有强烈的低频成分。尽管车身结构所使用的钢板属于差的声辐射体，对低频有滤波效应，但是在汽车的实际使用中，车厢内部的低频成分仍然表现突出。原因之一是车厢内的声学模态对低频噪声频率起到了加强作用。根据声学理论，对于立方体空间，其声学模态的固有频率计算公式如下

式中，c为空气中的声音传播速度（m/s）；A，B，C为整数，等于1，2，3，…；x，y，z为空间声学尺寸（m）。

对于现代乘用车，车厢的最大声学尺寸就是驾驶人的搁脚点与后风窗之间的距离。这个尺寸一般要略长于汽车轴距，约为2.5 m。因此，车厢最低频率处的声学模态［（1，0，0）模态，即A=1，B=0，C=0］在驾驶人放脚的搁脚点和后风窗处有声压最大值（反节点），并在轴距的中间位置有声压最小值。假设x=2.5m，最低频率出现在69Hz。值得注意的是，驾驶人头部位置通常位于轴距中点之后，因此其很少能够享受到恰在节点位置的好处。（1，0，0）模态通常期望出现在65～75Hz的频率范围内。69Hz的估计值等于四缸四冲程发动机工作在2070r/min转速时的点火频率。欧洲四缸汽车通常在2000～2500r/min转速范围内激起（1，0，0）模态，表现出低频噪声峰值（称作内部轰鸣声或车体轰鸣声）。

第二阶纵向模态（2，0，0）出现在约138Hz处。对于道路车辆，该模态经常出现在较低频率处。

如果假设横向声学尺寸等于典型的乘用车轮距（1.4m），则第一阶横向模态（0，1，0）出现在约123Hz处，（0，2，0）模态出现在约246Hz处。

如果假设垂向声学尺寸等于典型的乘用车高度（1.2m），则第一阶垂直模态（0，0，1）出现在约143Hz处，（0，0，2）模态出现在约286Hz处。

四缸四冲程发动机的点火频率位于33～200Hz，对应的转速范围为1000～6000r/min。在这个范围内，用以上相当简化的计算式（8—39），可合理估计以下车身轰鸣声

·（1，0，0）约出现在70 Hz/2100（r/min）。

·（0，1，0）约出现在120 Hz/3600（r/min）。(www.xing528.com)

·（2，0，0）约出现在140 Hz/4200（r/min）。

·（0，0，1）约出现在140 Hz/4200（r/min）。

·（1，1，0）约出现在140 Hz/4200（r/min）。

·（2，1，0）约出现在185 Hz/5550（r/rain）。

针对某型轿车，利用声学边界元方法进行车内声学模态的分析，所得到的计算结果如图8-15所示。根据计算得到的车身空腔声模态及振型调整动力总成、悬架、车身等各系统的频率，避免在这些系统的激励下产生空腔共鸣，引起让人不适的轰鸣声。

图8-15 某型轿车空腔声学模态

通常3600 r/min左右的轰鸣声最为恼人。不过低速轰鸣声只是瞬时的，汽车会很快通过。由于驾驶人不会使发动机长时间运行在4000 r/min以上的转速，因此高速轰鸣声很少会成为问题。一般来说，当驾驶人第一次听到这样的轰鸣声后，会选择较高的挡位行驶。但是在高速公路上行驶时，由于不得不在高挡位的3600r/min转速下行驶，因此必须承受恼人的轰鸣声。当乘客习惯坐在车厢的两侧时，他们将处于（0，1，0）模态反节点的轰鸣声中，并且承受声压的最大值。

对于大多数模态，纵向、侧向和垂直（即其他非对角模态）相对于前排乘员，大多数汽车的后排乘员承受声压最大值。因此，与驾驶位置的噪声级和质量相比，后排噪声质量通常是一个更为重要的需考虑的因素。

2.风振现象

高速行驶时打开一车窗，车室相当于一个亥姆霍兹共振腔。该共振腔共振频率（Hz）为

式中，t为窗框厚度（m）；A为窗开启面积（m2）；V为车室容积（m3）；c0为空气中的声速（m/s）。

当汽车行驶所产生的涡流和窗框相冲击所产生的压力波动频率与f w相等时，车室内就会产生空气共振，称为风振。风振的产生与汽车的外形尺寸、车窗大小、车窗开启面积以及车速等有关。风振幅度取决于车身特性和涡流与窗框冲击的强度。当车速增加时，这种冲击强度及频率上升。由上述计算公式可知，增加开窗面积，则共振频率增大。在一个车窗开启的条件下，小客车风振车速为80～100 km/h，风振频率为15～20 Hz，这是令驾乘人员感到不适的声音。