摘要： 建立了薄板振动与声辐射的数学分析模型，利用SYSNOISE 计算出振动薄板的表面声压、场点声压和声辐射功率级。研究了不同约束和不同激励点位置对薄板声辐射的影响，比较了加筋板与光板的声辐射功率，得到了一些抑制薄板结构振动和声辐射的方法，从而为汽车设计及其减振降噪提供了可靠的措施。
关键词：声辐射、SYSNOISE、声功率
1. 引言
车身壁板结构厚度小、质量轻，特别容易产生振动并且辐射噪声，因此计算汽车车身薄板受到外部激励时的振动和声辐射特性是十分必要的，然而在大多数工程实际问题中，结构振动引起的声辐射常常是无法用解析解的形式予以解决，SYSNOISE是国际著名振动和声学测试分析软件公司LMS（Leuven Measurement System International）研发的大型声学计算分析软件[1-3]，能快速地进行声学计算分析。本文利用振动声学软件SYSNOISE，对不同约束和不同激励点位置条件下薄板声辐射进行研究，比较了加筋板与板的声辐射功率级，得到一些抑制薄板结构振动和声辐射的方法，从而为汽车车身设计及减振降噪提供了可靠的预报和措施。
2. 薄板结构振动和声辐射的理论
2.1 声辐射功率的计算
机械噪声大部分是由结构振动而辐射的，结构声辐射功率表示了声辐射系统向外辐射噪声的能力，它不仅与振动弹性物体固有的物理特性有关，还与激励力大小、频率以及辐射声环境有关[4]。根据空气介质的连续条件，认为邻近振动表面一层的振动速度就是振动表面的速度。振动表面任一点的振动速度为，如果振动表面为平面，设振动表面任意一点的振动声压为V (x,ω ) p( y,ω)，则由瑞利积分得
式中 r 为表面上任意两点x 和y 之间的距离。于是可以得到振动表面声强为
由表面声强就可以得到结构辐射功率为
3. 仿真研究
以受垂向激励的矩形金属薄板振动声辐射为例进行仿真计算。板长 2287mm，宽600mm，厚1.2mm，材料密度 ρs = 7850 kg/m3 ，弹性模量E = 2.1×1011 N m2 ，泊松比μ = 0.3，空气密度ρ = 1.21kg/m3 ，空气中
声速c = 343m/s。加强筋与薄板材料相同。考虑到在实际工程中，薄板受到正弦激励是不常见的，因此选择随机激励，激励的方向垂直于薄板表面，激励带宽为50～1000Hz。将ANSYS 生成的薄板网格模型导入到SYSNOISE 软件中，在薄板激励位置加上随机激励，进行各种薄板表面声压和空间场点声辐射声压及其声辐射功率的计算。
3.1 不同边界约束条件对声辐射的影响
在同样的随机激励下，分别计算薄板在简支边界约束和固支边界约束条件下的声辐射情况。图1 分别为简支和固支状态下薄板在随机激励下的表面声压和空间平面场点的声压。图2 为不同边界约束条件下声辐射功率级的比较。
图 1 简支（左）和固支（右）状态下薄板在随机激励下的表面声压和空间平面场点的声压比较图
图 2 简支（左）和固支（右）状态下薄板声辐射功率级比较图
表 1 不同约束状态下光板声学计算
 从表1 可以得出：与简支相比，固支约束薄板能降低薄板噪声辐射能力。
3.2 不同激励点位置对声辐射的影响
图 3 为分别在薄板P1(0.16,0.56)、P2(0.16,0.1.12)、 P3(0.28,0.56)和 P4(0.28,1.12)四点对薄板随机激励下的声辐射比较图。从图3 可知在不同位置同样的激励下，薄板表面声压最大值和空间平面场点的最大声压值是不同的，难以评价激励点位置对薄板声辐射能力的影响情况。但从图4 的薄板表面声功率的比较图上看，尽管激励点位置不同，但是对于同一薄板，其辐射的声功率几乎是不变的。也就是说，同一薄板其声辐射功率不受激励点位置改变而改变。这也就是后面对对加筋薄板进行声辐射能力评价时用声辐射功率为主、声压为辅进行评价的主要原因。
图 3 不同位置激励下薄板的表面声压和空间平面场点的声压比较图
图 4 不同位置激励下薄板声辐射功率级比较图
3.3 加筋对薄板声辐射的影响
给薄板布置加强筋后，同样在中心点 P (0.28,1.12)进行随机激励，图5 为加筋薄板与光板表面声压和空间平面场点声压比较图。从图5 很容易看出：加筋后的薄板其表面声压最大值和空间平面场点的最大声压值都远远小于光板的声压。图6 是不同加筋薄板与光板表面辐射功率级的比较图，从图6 非常清楚地看到：加筋后的表面辐射声功率小于光板的，这主要是因为加筋后薄板刚度提高，抗振性增强，从而抑制了噪声辐射。通过这个仿真，得出加筋薄板辐射噪声能力比光板小，但是何种加筋方式能相对最有效地降低薄板噪声辐射，限于文章篇幅，这里就不展开讨论了。
图 5 不同加筋薄板表面声压和空间平面场点的声压比较图
图 6 加筋板与光板声辐射功率级比较图
4. 结论
本文利用声振软件 SYSNOISE 对振动薄板进行了声辐射研究与分析，计算了在不同状态下薄板的表面声压、场点声压和声辐射功率。数值计算结果表明：边界约束对薄板的声辐射能力产生影响，固支约束比简支约束的声辐射功率小；对于光板，激励点位置对声压的影响比较大，对声辐射功率影响不大；加上加强筋的薄板其辐射噪声能力比光板辐射噪声的能力小得多。
参考文献
1) SYSNOISE5.5 user manual
2) 华宏星, 沈荣瀛. 国际著名振动与声软件系列介绍之一LMS 声学软件SYSNOISE. 噪声与振动控制.1999,1:44-46
3) 杨德庆, 郑靖明, 王德禹等. 基于SYSNOISE 软件的船舶振动声学数值计算. 中国造船. 2002,43(4):32-37
4) 伊岗, 陈花玲, 陈天宁. 薄板低频声辐射效率的研究. 西安交通大学学报. 1999,33(3):108-110
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