Page 15 - 《应用声学》2021年第2期

第 40 卷 第 2 期 刘志恩等： 挖掘机驾驶室低频结构噪声分析与优化 183

0 引言

随着挖掘机行业的快速发展，人们不仅仅满足
于挖掘机的工作性能，对其舒适性能提出了更高的
要求，尤其是挖掘机的噪声、振动、舒适性 (Noise,
Vibration, Harshness, NVH) 特性。在挖掘机 NVH
特性研究中，驾驶室的振动和驾驶员耳旁的噪声有
直接的关系，减小驾驶室的振动噪声，可以提高驾驶
员的舒适性和工作效率，故对挖掘机驾驶室的噪声
研究和分析具有重要的意义 [1] 。 图 1 白车身有限元模型
驾驶室的噪声分为结构声和空气声，而研究表 Fig. 1 Finite element modal of BIW
明，当驾驶室密封效果较好时，内部噪声主要以结
构声为主 [2] 。结构声主要是由于发动机的激励通过
回转平台传递到驾驶室，引起驾驶室壁板振动并向
车内辐射噪声，这类噪声主要是 20∼200 Hz 的低频
噪声 [3] 。
本文基于某小型液压挖掘机驾驶室，通过噪声
传递函数 (Noise transfer function, NTF) 分析对驾
驶室低频噪声进行研究。首先建立驾驶室有限元模
型，计算各工况下驾驶室噪声传递函数分析，运用统
计学方法确定主要噪声峰值频率及相应工况；通过
模态声学贡献度计算，确定危险工况下噪声贡献量
图 2 驾驶室结构有限元模型
较大的模态阶数，参照模态振型确定驾驶室振动变
Fig. 2 Finite element modal of cab structure
形最大的车身板件；并对该板件进行形貌优化处理，
提高其一阶固有频率，有效降低了驾驶室的噪声传 2 噪声传递函数分析
递函数在危险频率下的峰值。
2.1 噪声传递函数模型建立
1 驾驶室有限元模型的建立 噪声传递函数也称为灵敏度，指在结构上输入
的单位激励和噪声响应之间的关系，可以真实地反
有限元模型的准确建立是仿真分析的基础。首 应系统的固有特性，使声压频率更加清晰 [4] 。挖掘
先建立驾驶室白车身(Body in white, BIW)的有限 机驾驶室的 NTF分析基于结构与声腔组成的声-固
元模型。将驾驶室的三维数模导入 Hypermesh 软 耦合有限元模型，在悬置上施加单位激励得到驾驶
件，对几何模型进行清理。驾驶室白车身多为板件 员耳旁的声压级响应，进而识别出噪声的峰值频率。
结构，采用尺寸为 8 mm 的四边形壳单元划分，然 进一步划分驾驶室声腔网格。提取驾驶室内表
后建立相应的连接，驾驶室围板之间多为点焊和缝 面，补上大的孔和缝隙，使其形成封闭的空腔，然后
焊，分别采用 ACM 单元和 RBE2 单元模拟，得到白 进行声腔网格的划分。声学单元的理想尺寸 L 是每
车身有限元模型如图1所示。 个波长至少6个单元，故L应满足 [5] ：
在白车身模型的基础上，添加车门、门窗玻璃 v
L 6 , (1)
和地板等结构，车门和驾驶室之间通过 RBE2 连接 6f
来模拟门锁，玻璃和板件之间采用胶粘连接，最 式(1)中：v 是声速，f 是求解的最大频率。
后，得到驾驶室结构有限元模型如图 2 所示，其中 该挖掘机所关注的是 20∼200 Hz 的低频噪声，
壳单元共 282634 个，三角形单元 3888 个，实体单元 故声腔网格尺寸 L 6 283 mm，考虑到计算精度
50796个。 的影响，取 L 为 50 mm，得到的声腔网格模型如