拖拉机驾驶室内低频噪声控制研究

王顺 马心坦 贺明佳

摘要：为降低驾驶室内低频结构噪声，建立某拖拉机驾驶室结构有限元模型和耦合声学边界元模型，对结构进行谐响应分析，并以结构位移结果作为声场分析边界条件，基于间接边界元法对驾驶室内进行声场声振耦合频率响应分析；应用板件贡献量法计算分析得到对驾驶员耳旁声压主要峰值频率处贡献显著的板件，并进行振动抑制；对分析结果中贡献量较大的顶棚，进行形貌优化处理，对右窗和右门进行加厚处理。结果表明，车内噪声在频率20～200 Hz范围内的声压级水平得到比较明显的改善，整体噪声水平下降3.01 dB（A），有效改善驾驶室内声学环境，為同类驾驶室内低噪声设计提供案例依据。

关键词：拖拉机；驾驶室；低频噪声；耦合声学边界元；谐响应；板件贡献量

中图分类号：S219； TB533

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2024） 05-0134-06

收稿日期：2022年10月14日  修回日期：2022年12月21日*基金项目：河南省教育厅自然科学研究项目（15A460019）

第一作者：王顺，男，1994年生，河南商丘人，硕士研究生；研究方向为车辆振动噪声控制。E-mail：  1732830279@qq，com

通讯作者：马心坦，男，1972年生，河南遂平人，博士，副教授；研究方向为车辆振动噪声控制。E-mail：  631170372@qq.com

Research on control of low frequency noise in tractor cab

Wang Shun， Ma Xintan， He Mingjia

（College of Vehicle and Traffic Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang， 471003， China）

Abstract：

In order to reduce the low-frequency structural noise in the cab， a finite element model and a coupled acoustic boundary element model of the cab structure of a tractor were established， and the harmonic response of the structure was analyzed. Taking the structural displacement results as the boundary conditions of sound field analysis， the coupled frequency response of sound field and sound vibration in the cab was analyzed based on the indirect boundary element method. The plate contribution method was used to calculate and analyze the plate that contributes significantly to the main peak frequency of the drivers ear sound pressure， and the vibration was suppressed. For the ceiling with a large contribution to the analysis results， the morphology was optimized， and the right window and right door were thickened. The results show that the sound pressure level of the interior noise in the frequency range of 20-200 Hz has been significantly improved， and the overall noise level has decreased by 3.01 dB （A）， which effectively improves the acoustic environment in the cab， and provides a case basis for the low-noise design in the cab of the same kind.

Keywords：

tractors; cab; low frequency noise; coupled acoustic boundary element; harmonic response; plate contribution

0 引言

随着拖拉机行业的快速发展，人们对其舒适性提出了更高的要求，车内噪声不仅会增加驾乘人员的疲劳程度，使工作效率下降，还会严重影响安全驾驶［1， 2］。结构噪声是车内噪声主要来源之一，主要是车身在发动机、路面等激励下产生振动而辐射产生，这类噪声主要是20～200 Hz低频噪声［3-5］。在对拖拉机驾驶室内噪声研究中，驾驶室壁板振动和驾驶室耳旁噪声有直接联系，通过改进结构来减少驾驶室的振动噪声，能够提高驾驶员的舒适性［6-8］。由于车身各板件在不同频域内对驾驶室内耳旁声压的贡献量不同，所以，采用板件贡献量分析，确定对主要声压峰值贡献大的板件，进而进行结构优化，对降低驾驶室内耳旁噪声具有重要意义。

针对拖拉机驾驶室，建立驾驶室结构有限元模型和声固耦合边界元模型，分别进行模态分析，了解结构的动态特性。对驾驶室结构进行谐响应分析，并以结构位移结果作为声场分析边界条件，利用耦合声学边界元法对驾驶室耳旁位置声学特性展开研究，识别出驾驶室耳旁声压主要峰值频率。对驾驶室进行板件贡献量分析，确定主要贡献板件，对顶棚进行形貌优化，添加加强肋，提高一阶固有频率，对右窗和右门加厚处理，提高板件刚度，有效降低驾驶室内噪声。

1 驾驶室模型建立与模态分析

1.1 结构有限元模型建立及分析

以某拖拉机驾驶室为研究对象，利用Catia建立驾驶室的三维模型。考虑其结构较为复杂，为提高建模效率和缩短有限元分析计算时间，仅考虑对声场影响较大的车身结构，忽略小圆角、凸台等对驾驶室结构性能影响很小的工艺结构。

驾驶室结构采用板壳shell63，网格尺寸设置为30 mm，材料主要采用钢和玻璃，并假设门窗与结构刚性连接。在Hypermesh中建立结构有限元模型如图1所示。在Virtual.lab对车身结构进行自由模态分析，提取前8阶模态，结果如表1所示。

车辆在受到激励作用时，其结构振动是各阶模态振动的综合反映，对结构产生较大影响的主要是低阶模态振动。由表1可知，前几阶模态振型中，前窗、左门、右门出现的模态比较多，主要因为玻璃门窗的面积较大，刚度比较小，模态比较低，在低频范围内容易受到外部激励发生较强烈的振动，会对驾驶室内部声学环境造成较大的影响。

1.2 声—固耦合系统建模

驾驶室内部声腔是在驾驶室结构模型基础上建模的，边界元在声场分析时，只需要声腔表面的二维网格，相比于有限元，能够减少计算内存，节省计算时间，提高仿真效率［9］。考虑到座椅对驾驶室内声学特性影响较大，建立如图2所示的驾驶室含座椅的边界元模型，采用间接边界元法进行声学频率响应分析。

为能够准确分析驾驶室板件振动对耳旁声压的影响，应考虑结构与声腔的耦合作用，计算耦合系统模态和驾驶员耳旁声压分布，结合板件贡献度分析，找到对耳旁声压影响较大的板件。

1.3 声—固耦合模态分析

在Virtual.lab中建立车身结构模型和声腔模型的耦合面，并将耦合面上的结构网格节点和声腔网格的节点数据进行插值，实现结构和声腔的相互耦合，对耦合系统进行模态计算，提取前8阶模态，结果如表2所示。

对比表1和表2可以发现，耦合模态频率稍低于结构模态频率，模态阶次更加密集。从振型位置中可以看出，二者振型位置完全一致，耦合后没有产生新的振动形式，说明驾驶室内部空气阻尼作用较小，后期可以通过对驾驶室结构改进，降低驾驶室内噪声。

2 拖拉机驾驶室谐响应分析

基于谐响应分析，可得到駕驶室结构网格节点的位移和速度等频率响应曲线，同时找到峰值下的频率，与结构固有频率对比，避免共振。谐响应分析不仅能判断结构的力学特性，其分析得到的位移等结果还能作为车内声场分析的边界条件。

对驾驶室进行谐响应分析，找出驾驶室振动薄弱位置，为驾驶室降噪提供依据。施加边界条件如图3所示，对驾驶室4个底边节点施加全约束（图3中“Δ”），在驾驶室4个悬置处加载垂直向上，幅值为10 N的简谐激励，结合前面求得的驾驶室模型的固有模态，使用模态叠加法对结构进行谐响应分析［13］。计算频率范围20～200 Hz，载荷步为180步。

谐响应分析完成后，为了解车身板件的振动情况，在驾驶室某些板件共振集中部位选取一个节点分析位移响应，计算得到其位移响应曲线。节点位置如表3所示，位移响应曲线如图4所示。

由图4可见，表3所选节点均在52 Hz、125 Hz、135 Hz、164 Hz、187 Hz出现较大峰值。而且这些频率在驾驶室结构固有频率附近，在外界激励下产生的振动能量也比较大，这些频率是驾驶室内声学分析关注的重点对象。

3 驾驶室内部低频噪声响应分析

将驾驶室谐响应分析得到的结构位移响应结果作为声场分析的边界条件，利用间接边界元法，并考虑声固耦合作用，对驾驶室内部进行声学响应分析，得到驾驶员右耳处的声压频率响应曲线如图5所示。

对驾驶室内噪声分析时，可以将驾驶室简化成一个系统，对系统可以输入各种形式的激励，产生的声压代表了驾驶室系统与输出之间的传递关系，忽略激励形式和大小，直接反映驾驶室本身的声学特性［14， 15］。因此，将计算得到的声压与文献［15］采集声压对比如图5所示，两者虽然存在差异，但整体走势基本相似，因此可以利用该有限元模型对驾驶室内噪声进行控制研究。

由图5可见，分析频率范围内存在大量声压峰值，且驾驶室耳旁声压在100 Hz之后比100 Hz前明显提高，主要是由于一阶声学固有频率在102.59 Hz，所以，在100 Hz之后结构和声腔的耦合作用增强，使声压增高。其中，最大值峰值位于125 Hz处，达到91.43 dB（A），次级峰值位于187 Hz处，达到89.19 dB（A），因此，将125 Hz和187 Hz作为板件贡献量分析频率。声腔模态频率如表4所示。

图6和图7分别为125 Hz和187 Hz驾驶室的结构位移响应云图。125 Hz振动位移比较大的部位主要在左右门、左右窗、前窗，187 Hz振动位移比较大的部位主要在顶棚、左右门，前窗，这些部位可能会造成驾驶室内产生较大峰值声压，在驾驶室内低噪声设计时应着重考虑。

4 板件贡献量分析计算

驾驶室内噪声是由车身板件振动引起的。每块车身板件是由许多个单元组成，当驾驶室受到激励作用时，会引起板件中所有的单元产生声压，叠加后能够得到驾驶室内场点处的总声压。由于每块板件的振动情况不同，所以每块板件对驾驶室内场点声压贡献也不同。因此，为准确确定对耳旁主要峰值声压影响较大的结构，进行板件贡献量分析，进而对较大贡献量的板件结构优化，能够有效改善驾驶室内声学环境［16-18］。面板是由单元组成的，面板对场点的声学贡献是面板所包含的单元对场点所辐射声波的矢量和，如式（3）所示。

形貌优化属于结构优化其中的一种方法，能够在金属薄板结构中寻找加强肋的最优布置方式，从而提高板件刚度，改善驾驶室内声学环境［19-21］。根据驾驶室板件贡献量分析，确定了贡献显著的板件是顶棚、右门和右窗。顶棚为金属薄板结构，故可用形貌优化，确定最优加强肋分布设计。右门、右窗为玻璃结构，分别加厚1 mm处理，提高其刚度。

5.2 优化过程和结果

将顶棚单独提取出来，建立其板件壳单元网格，作为设计区域。设计目标为顶棚的一阶模态频率最大化，约束条件为只约束顶棚四周x、y、z三个方向的平动自由度。加强肋的基本参数为：起筋的最小宽度一般为平均单元尺寸的1.5～2.5倍，而单元的平均尺寸为30 mm，所以将最小起筋宽度设置为45 mm，选用60°起筋角，起筋高度为25 mm。在Optistruct进行优化计算，迭代计算17次之后收敛，最终结果如图10所示。根据形貌优化结果并综合考虑成本控制和加工工艺性原则，确定加强筋在顶棚的分布状况（图11）。

5.3 结构改进后驾驶室声学响应

对顶棚添加加强肋，右门和右窗加厚1 mm处理后，通过耦合声学边界元法重新仿真计算，得到的声压响应曲线与结构改进前的数据进行对比如图12所示。可见驾驶室耳旁声学环境有了较大改善，125 Hz处峰值由91.43 dB（A）降到74.51 dB（A），187 Hz处峰值消失，总声压从97.03 dB（A）降到94.02 dB（A），达到了良好的降噪效果。

6 结论

1）  对拖拉机驾驶室进行有限元建模，分别计算结构模态和耦合模态，利用模态叠加法对驾驶室结构进行谐响应分析，得到结构的位移响应，了解结构的动态特性。

2）  以结构的位移响应结果作为边界条件，并考虑声固耦合作用，采用间接边界元法对驾驶室内进行声学响应分析，得到驾驶室内耳旁声压主要峰值频率，结合板件贡献量分析，找到其薄弱部分，对顶棚进行形貌优化，右窗和右门加厚处理，增强了板件刚度。通过重新仿真计算，并将结构改进前后的声压曲线对比，发现125 Hz频率处声压峰值下降16.92 dB（A），187 Hz频率处声压峰值消失，总体声压下降3.01 dB（A）。说明在主要峰值声压频率处对声学贡献量较大的结构进行改进具有良好的降噪效果。

参 考 文 献

［1］ 陈永新， 张作洋， 戴茂方. SUV整车振动噪声的试验研究［J］. 汽车技术， 2005（7）： 25-28.

Chen Yongxin， Zhang Zuoyang， Dai Maofang. Experimental studies on vehicle vibration and noise of SUVs ［J］. Automobile Technology， 2005（7）： 25-28.

［2］ Surkutwar Y， Patel K， Amara S， et al. The application of the simulation techniques to predict and reduce the interior noise in bus development ［C］. Sae World Congress & Exhibition. 2012.

［3］ 張志勇， 张义波， 刘鑫， 等. 重型商用车驾驶室的结构振动噪声分析与预测［J］. 汽车工程， 2015， 37（2）： 214-218， 234.

Zhang Zhiyong， Zhang Yibo， Liu Xin， et al. Analysis and prediction on the structure-borne vibration and noise of a heavy commercial vehicle cab ［J］. Automotive Engineering， 2015， 37（2）： 214-218， 234.

［4］ 张超， 张劲松， 李帅， 等. 某型内燃机车驾驶室阻尼优化降噪分析［J］. 噪声与振动控制， 2022， 42（3）： 150-154.

Zhang Chao， Zhang Jinsong， Li Shuai， et al. Damping optimization and noise reduction analyses of a diesel locomotive cab ［J］. Noise and Vibration Control， 2022， 42（3）： 150-154.

［5］ 施斐博， 陈剑， 沈忠亮， 等. 基于ATV技术的驾驶室低频噪声优化控制［J］. 合肥工业大学学报（自然科学版）， 2016， 39（9）： 1184-1188， 1195.

Shi Feibo， Chen Jian， Shen Zhongliang， et al. Low frequency noise optimization and control of cab based on ATV approach ［J］. Journal of Hefei University of Technology （Natural Science Edition）， 2016， 39（9）： 1184-1188， 1195.

［6］ 刘志恩， 王亚磊， 柴鹏飞， 等. 挖掘机驾驶室低频结构噪声分析与优化［J］. 应用声学， 2021， 40（2）： 182-187.

Liu Zhien， Wang Yalei， Chai Pengfei， et al. Analysis and optimization of low frequency structural noise of excavator cab ［J］. Journal of Applied Acoustics， 2021， 40（2）： 182-187.

［7］ 官明超， 周以齐， 燕同同. 基于模态应变能的拖拉机驾驶室振动噪声抑制［J］. 噪声与振动控制， 2018， 38（2）： 83-86， 95.

Guan Mingchao， Zhou Yiqi， Yan Tongtong.Vibration and noise suppression of tractor cabs based on modal strain energy ［J］. Noise and Vibration Control， 2018， 38（2）： 83-86， 95.

［8］ 朱晓东， 沈忠亮， 汪一峰. 驾驶室低频噪声的声学特性分析与控制［J］. 噪声与振动控制， 2015， 35（1）： 145-150.

Zhu Xiaodong， Shen Zhongliang， Wang Yifeng.Analysis and optimization of acoustic characteristics of low-frequency noise in a cab ［J］. Noise and Vibration Control， 2015， 35（1）： 145-150.

［9］ 王彬星， 连小珉， 郑四发， 等. 重型货车车内声压级预测［J］. 汽车工程， 2016， 38（2）： 234-241.

Wang Binxing， Lian Xiaomin， Zheng Sifa， et al. Prediction on the interior sound pressure level of a heavy-duty truck ［J］. Automotive Engineering， 2016， 38（2）： 234-241.

［10］ 李偉平， 孙攀， 管加团， 等. 矿车驾驶室低频结构噪声分析与优化［J］. 计算机仿真， 2018， 35（4）： 88-93.

Li Weiping， Sun Pan， Guan Jiatuan， et al.Analysis and optimization of low-frequency structure noise in mine truck cab ［J］. Computer Simulation， 2018， 35（4）： 88-93.

［11］ 王欢， 庄超， 苏俊收. 重型卡车驾驶室怠速噪声分析及控制［J］. 噪声与振动控制， 2021， 41（1）： 118-121.

Wang Huan， Zhuang Chao， Su Junshou. Analysis and control of idling noise of a heavy-duty truck cab ［J］. Noise and Vibration Control， 2021， 41（1）： 118-121.

［12］ 朱再胜， 朱建新， 刘强， 等. 挖掘机驾驶室内部结构噪声分析与控制［J］. 噪声与振动控制， 2020， 40（3）： 131-136.

Zhu Zaisheng， Zhu Jianxin， Liu Qiang， et al. Analysis and control of structural noise in excavator cabs ［J］. Noise and Vibration Control， 2020， 40（3）： 131-136.

［13］ 叶芳， 徐中明， 翟喜成. 全地域机动车驾驶室声学特性分析［J］. 现代制造工程， 2020（2）： 88-93.

Ye Fang， Xu Zhongming， Zhai Xicheng. Analysis of acoustic characteristics of the all-terrain vehicle cab ［J］. Modern Manufacturing Engineering， 2020（2）： 88-93.

［14］ 袁培佩. 乘用车声固耦合有限元模态分析［D］. 西安： 长安大学， 2014.

Yuan Peipei. Element modes analyses of the acoustic and structure coupling system ［D］. Xian： Changan University， 2014.

［15］ 朱凯， 马心坦， 徐维维. 拖拉机驾驶室结构噪声改进研究［J］. 中国农机化学报， 2022， 43（2）： 98-103.

Zhu Kai， Ma Xintan， Xu Weiwei. Research on improvement of structural noise in tractor cabs ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2022， 43（2）： 98-103.

［16］ Citarella R， Federico L， Cicatiello A. Modal acoustic transfer vector approach in a FEM-BEM vibro-acoustic analysis ［J］. Engineering Analysis with Boundary Elements， 2007， 31（3）： 248-258.

［17］ 张超， 张劲松， 万雳， 等. 某型内燃机车驾驶室噪声分析［J］. 科学技术与工程， 2021， 21（30）： 12860-12865.

Zhang Chao， Zhang Jinsong， Wan Li， et al. Cab noise analysis of a certain type of diesel locomotive ［J］. Science， Technology and Engineering， 2021， 21（30）： 12860-12865.

［18］ 潘坤， 陈剑， 杜选福. 驾驶室结构噪声优化设计［J］. 合肥工业大学学报（自然科学版）， 2018， 41（10）： 1320-1325.

Pan Kun， Chen Jian， Du Xuanfu. Optimization design of cab structure noise ［J］. Journal of Hefei University of Technology （Natural Science Edition）， 2018， 41（10）： 1320-1325.

［19］ 杨年炯， 陈果， 石胜文， 等. 基于传递路径法的车辆驾驶室噪声优化——以某商用车为例［J］. 中国农机化学报， 2019， 40（5）： 98-103.

Yang Nianjiong， Chen Guo， Shi Shengwen， et al. Optimization of cab noise in a commercial vehicle based on transfer path analysis ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（5）： 98-103.

［20］ 韓波， 周以齐， 李瑞. 拖拉机驾驶室的模态声学贡献度分析［J］. 江苏大学学报（自然科学版）， 2018， 39（6）： 634-639.

Han Bo， Zhou Yiqi， Li Rui. Modal acoustic contribution analysis of tractor cab ［J］. Journal of Jiangsu University （Natural Science Edition）， 2018， 39（6）： 634-639.

［21］ 王德海， 周以齐， 燕同同. 拖拉机驾驶室模态分析与耳旁噪声控制［J］. 噪声与振动控制， 2018， 38（S2）： 397-401.

Wang Dehai， Zhou Yiqi， Yan Tongtong. Modal analysis and near-ear noise control of tractor cabs ［J］. Noise and Vibration Control， 2018， 38（S2）： 397-401.