一种基于Moore响度的发动机结构设计方法

本发明涉及汽车发动机振动和噪声的分析和控制领域，尤其涉及一种基于moore响度的发动机结构设计方法。

背景技术：

1、发动机的nvh(noise，vibration，harshness)性能是消费者购买汽车考虑的关键因素，对乘客的乘坐舒适性有着十分重要的影响。发动机的结构振动主要指在各种激励下发动机壳体表面的振动加速度。发动机结构辐射噪声是指在发动机在的激励下，发动机缸体、缸盖、油底壳等结构件产生的结构振动，通过结构表面辐射出来的噪声。

2、对发动机的nvh性能的评估一般是从结构振动和辐射噪声两个角度进行的。发动机结构振动指的是表面振动速度和加速度响应。辐射噪声一般由a计权声压级和声功率级来评估。为了考虑人对噪声的主观感受，也可以采用客观声品质模型评价发动机的噪声，常用的声品质参量有响度、锐度等。声品质评价模型能建立声品质客观参量与声品质主观评价的关系，因此借助评价模型可以在不需要人参与的情况下模拟声品质主观评价。传统的a计权发动机辐射噪声评价体系，一方面对于频率尺度上声音强度相对大小的描述不够突出，不能准确的体现各频率成分声音强度的差异；另有一方面没有考虑人的心理学特性，不能准确地评估人对发动机噪声的主观感受。

3、常用的减振降噪手段有两种：一种是减少激励源，从源头上解决噪声问题；另一种是修改结构形式，从振动噪声的传递路径上解决噪声问题。由于发动机系统结构复杂，工作激励源多，难以从激励源的角度去解决问题。而第二种方法操作简单，通过修改发动机的结构来提高结构的局部刚度，改变结构的模态参数，避开激励源的频率。最终实现降低发动机的辐射噪声水平，改善发动机的声品质特性的目的。

4、中国发明公开专利cn106250602a中提供了“一种发动机油底壳nvh的结构优化方法”，能够对发动机油底壳nvh的结构进行优化，但是该方案存在以下缺陷：(1)仅仅对油底壳单独进行优化分析，没有将油底壳和发动机整机装配成一个整体，孤立的油底壳模型边界条件可能与实际装配体有偏差，从而导致计算结果的不准确；(2)通过振动计算得到的油底壳激励，振动计算模型没有通过试验验证，激励数据的准确性无法保证；(3)优化目标为振动速度，与声音无关，无法直接反映油底壳产生的噪声大小，采用与声音相关的参量评估油底壳的噪声能更直接更准确的反映出油底壳的优化效果。

技术实现思路

1、本发明为了考虑了人对噪声的主观感受，提供一种基于moore声品质的发动机结构设计方法。利用建立的发动机有限元模型，计算出发动机壳体的模态参数；根据多柔体动力学模型和基波技术方法，分别计算出发动机壳体表面振动加速度和发动机自由声场场点声压级；根据moore响度计算方法，计算出发动机的erb级、听觉滤波器的输出激励、最终得到发动机的moore特征响度；结合壳体模态参数、壳体表面振动加速度和moore特征响度，对发动机壳体结构进行重新设计，改变壳体结构的固有频率，降低发动机的结构辐射噪声，提升发动机的声品质。

2、为了实现本发明目的，本发明提供的一种基于moore声品质的发动机结构设计方法，包括以下步骤：

3、(1)计算发动机的模态参数：建立发动机壳体总成、曲轴总成、平衡轴的有限元模型，计算壳体总成1600hz内的固有频率和振型。

4、(2)计算壳体表面振动响应：对发动机壳体总成、曲轴总成、平衡轴的有限元模型进行缩减变换，建立发动机的多柔体动力学模型，采用迭代法计算出缩减模型的解，即缩减后发动机壳体表面节点振动响应，通过缩减反变换，得到发动机壳体表面振动速度。

5、(3)计算发动机的前端、进排气侧和顶部的声压级(spl)和四点平均声压级：首先，采用基波技术方法建立发动机的自由声场模型，以多柔体动力学计算的壳体表面振动速度为边界条件，计算了发动机的前端、进气侧、排气侧和顶部这4个场点声压级；其次，计算发动机的这四个场点的平均声压级，计算公式为：

6、

7、式中，pi分别为四个场点的声压级结果。

8、(4)外耳和中耳分别对声音有增强作用和衰减作用，首先利用外耳传递函数和中耳传递函数对场点声音的声压级进行修正，其次，声音到达内耳耳蜗后，计算每一个等效矩形带宽(equivalent rectangular bandwidth,erb)内所有发动机噪声信号的能量和，即erb级，记为lerb，计算公式为：

9、

10、式中，fi为中心频率(有效频率)，en为中心频率对应的等效矩形带宽，p0为参考声压(2×10-5pa)；pj为修正后的第j个有效频率的声压值；wa(j)为第j个有效频率的权函数，表示频带内各有效频率对erb级的贡献程度；式中各参数的计算公式如下：

11、wa(j)＝(1+pjgj)exp(-pjgj) (3)

12、gj＝|fj-fi|/fi (4)

13、pj＝4fj/en (5)

14、en＝24.673(0.004368fi+1) (6)

15、(5)计算听觉滤波器的输出激励，计算公式为：

16、

17、式中，e0为参考激励，表示自由场中频率为1khz、声压级为0db的纯音在中心频率为1khz的听觉滤波器输出激励值。wb(j)为滤波器的形状函数，式中各参数的计算公式如下：

18、wb(j)＝(1+pijgij)exp(-pijgij) (8)

19、

20、

21、(6)计算关注频率范围内发动机的moore响度：其中，moore特征响度为：

22、

23、式中，ni’为第i个听觉滤波器的特征响度，ethrq为单耳可听阀能量级，g为耳蜗放大器在特定频率下的低能级增益，c＝0.046871，a是与频率有关的常量，α是激励转换为响度的指数关系，与频率有关，各参数的取值可根据ansi响度计算标准获得。

24、总响度通过对特征响度在频域上进行积分获得。

25、(7)根据计算出来的moore特征响度，观察特征响度曲线峰值所对应的频带范围，结合步骤(1)的壳体模态参数和步骤(2)的壳体表面振动加速度。确定曲线峰值由壳体共振产生。

26、(8)发动机结构重新设计：通过修改发动机的结构形式来提高结构的局部刚度，改变结构的模态参数，避开激励源的频率。最终实现降低发动机的辐射噪声水平，改善发动机的声品质特性的目的。改进的结构必须满足两个要求：ⅰ进行结构设计时，必须保证设计区域的加强筋不与发动机内部零部件发生干涉；ⅱ为了实现轻量化、经济性的目的，必须控制整机质量，改进后整机质量增量不超过0.5kg。

27、(9)振动和噪声声品质计算：重新按照步骤(2)～(6)进行计算，最终得到发动机的moore特征响度，若发动机整体特征响度满足在峰值处降低程度大于10％的预定目标，则确定该方案为最终的设计方案。

28、本发明与现有技术相比，至少具有以下优点：

29、1)在多柔体动力学模型中，考虑了飞轮端传动轴的惯量和扭转刚度，将传动轴等效为弹性联轴器、中间轴和电机轴三个部分，并采用参数化建模的方法对传动轴进行建模；针对剪刀齿的结构形式提出了剪刀齿的建模方法，利用非线性弹簧阻尼模型来等效剪刀主齿和剪刀副齿的连接关系。该建模方法有效的提高了模型的精度，为带平衡轴的发动机系统提供建模参考支持。

30、2)所述自由声场的场点声压级根据基波技术理论计算得出，相比测试方法，能提高研究效率和降低成本。

31、3)moore响度评价指标充分考虑了人耳对不同频率声音的敏感程度，将声压信号转换成特征响度来评价噪声的声品质，能反映不同频率成分声能量的相对大小；相比于传统的a计权声压级评价指标，moore响度评价指标与主观评价结果一致，对发动机辐射噪声的评价更准确。

32、4)一种基于moore响度的发动机结构设计方法通过改变发动机壳体的结构形式来改变壳体的固有频率，避免壳体产生共振；发动机结构改进后整机质量增量不超过预设值，发动机整体特征响度降低程度大于10％。该方法过程简单，满足发动机轻量化要求，且有效地降低了发动机的结构辐射噪声水平。

33、5)本发明采用一种结构设计方法对油底壳和正时罩重新设计。