一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法技术

本发明专利技术公开的一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法，属于动力机械领域。本发明专利技术利用CAD软件、有限元软件和振动声学仿真软件分析内燃机各部件的声功率级贡献量，由场点声压信号的有效值功率谱计算声压级频谱；根据响度计算模型，利用数值计算软件，结合声场的类型，模拟外中耳传声特性，对内耳的频率选择特性、频域掩蔽效应进行滤波计算，得到关注频段内辐射噪声特征响度曲线；根据特征响度曲线在不同频段的幅值大小和变化特点，结合整机结构模态、动态响应、辐射声功率级等分析结果，制定振声优化方案进行降噪改进，直至满足预设降噪要求。本发明专利技术具有缩短研发周期，提高优化效率，降低试验成本等优势，为内燃机振声优化提供可靠依据。

A simulation and evaluation method for radiated noise of internal combustion engine considering human auditory characteristics

The invention discloses a simulation and evaluation method for radiating noise of internal combustion engines, which takes into account the ear auditory characteristics, and belongs to the field of power machinery. This invention uses the CAD software, the finite element software and the vibration acoustic simulation software to analyze the contribution of the sound power level of each component of the internal combustion engine, and calculates the sound pressure level spectrum from the effective value power spectrum of the field point sound pressure signal. The frequency selection and frequency domain masking effect of the inner ear are filtered, and the characteristic loudness curve of the radiation noise in the frequency band is obtained. According to the analysis results of the amplitude and change of the amplitude of the characteristic loudness curve in different frequency bands, combined with the structural mode, dynamic response and the radiation power level of the whole machine, the optimization scheme of vibration sound is formulated. The noise reduction is improved until the preset noise reduction requirements are met. The invention has the advantages of shortening the development cycle, improving the optimization efficiency and reducing the test cost, and providing reliable basis for the optimization of the internal combustion engine's vibration and sound.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法
本专利技术涉及一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法，属于动力机械领域。
技术介绍
随着内燃机向高速、大功率、轻量化方向发展，其振动噪声问题日益突出。由于仿真分析可在内燃机的研发阶段对其振声性能进行预测，为优化工作提供依据，因此成为动力机械领域的研究热点。内燃机振声仿真通常包括三维实体建模，有限元网格划分，振动响应计算，辐射噪声计算、噪声特性评价五个部分。由于人是声音优劣，即声品质的评价主体，因此评价方法对听觉过程的模拟精度，决定了其预测结果的可靠性。常用的噪声评价指标有声压级、辐射声功率级和A声级。前两者只是客观表示声音压强和能量的物理量，没有体现人的听音主观性，参考价值有限。A声级利用40方等响曲线的反曲线设计滤波器，对不同频率的声音分别加强或减弱，模拟人耳对低频声音迟钝，高频声音敏感的特点。图1所示为三条等响曲线(ISO226-2003)以及相应的A计权频率响应反曲线，可以看出各等响曲线的形状有明显不同，而A计权只是对40方等响曲线的粗略模拟，因此A声级不能真实地反映人耳的听音特性，导致出现声音的A声级较低但使人感觉很烦躁等现象。
技术实现思路
为了解决现有内燃机辐射噪声仿真评价未充分体现人耳听觉特性的问题，本专利技术公开的一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法，通过考虑声场类型差异，人耳传声过程，频率选择特性和声音掩蔽效应，得到所关注频段的内燃机辐射噪声特征响度曲线，提高内燃机辐射噪声仿真评价的听觉主观性；具有缩短研发周期，提高优化效率，降低试验成本等优势，为内燃机振声优化提供可靠依据。本专利技术的目的通过下述技术方案实现。本专利技术公开的一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法，利用CAD软件建立内燃机三维实体模型，在有限元软件中完成网格划分，然后导入振动声学仿真软件中进行动力学响应及辐射噪声计算，分析内燃机各部件的声功率级贡献量，由场点声压信号的有效值功率谱计算声压级频谱；根据响度计算模型，利用数值计算软件，结合声场的类型，模拟外中耳传声特性，对不同频率的声音进行加强或减弱，针对内耳的频率选择特性、频域掩蔽效应进行滤波计算，得到关注频段内的内燃机辐射噪声特征响度曲线；根据特征响度曲线在不同频段的幅值大小和变化特点，结合整机结构模态、动态响应、辐射声功率级等分析结果，制定考虑人耳听觉特性的降低内燃机辐射噪声的振声优化方案。根据优化方案对内燃机进行降噪改进，并重复上述的仿真评价方法验证改进效果，直至内燃机辐射噪声评价结果满足预设降噪要求。本专利技术公开的一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法，包括如下步骤：步骤一、利用CAD软件建立内燃机的三维实体模型并进行装配，然后将整机模型导入有限元软件中划分有限元网格。接着在振动声学仿真软件中对有限元模型施加激励，定义边界条件，利用自动匹配层AML技术进行辐射声场计算，分析内燃机各部件的声功率级贡献量，通过所关注场点的噪声信号有效值功率谱计算各频率分量的声压级，为噪声评价提供数据。步骤一所述的CAD软件优选Pro/E软件、CATIA软件或UG软件。步骤一所述的有限元软件优选Hypermesh软件、ANSYS软件或Patran软件。步骤一所述的振动声学仿真软件优选Virtual.lab软件或Actran软件。步骤二、根据响度计算模型，通过数值计算软件，对步骤一仿真得到的噪声声压级频谱进行处理，计算出关注频段内的特征响度曲线。步骤二所述的数值计算软件优选MATLAB软件或Python软件。步骤二所述的响度计算模型包括斯蒂文森模型、茨维克模型或摩尔模型，优选茨维克模型或摩尔模型。当选用茨维克模型时，步骤二具体实现方法如下：根据茨维克(ISO532B)响度模型，在数值计算软件中依次实现以下步骤：步骤1-2.1：对得到的噪声声压级频谱进行1/3倍频程滤波，依照等响曲线分别修正第1至6,7至9,10至11频带的声压级，然后分别合并，修改后的1/3倍频带为特征频带。步骤1-2.2：在各特征频带声压级中加入人耳传声因数，若声场为混响场，需再根据混响场与自由场的传声特性差异进行激励级修正。步骤1-2.3：在各特征频带中加入临界频带补偿系数，根据茨维克模型的主响度计算公式(如式(1))，求得各特征频带的主响度，其中，LTQ为安静状况下听阈对应的激励，LE为被计算声音对应的激励。取N′0＝0.08时，s＝0.5，k＝0.23；N′0＝0.0635时，s＝0.25，k＝0.25。步骤1-2.4：由特征频带的主响度值，判断是否被掩蔽，若被掩蔽则加入斜坡响度，斜坡响度的斜率由主响度和特征频带数决定，最后得到所关注频段内的特征响度曲线。为了进一步提高响度计算模型的精度，选用摩尔模型，步骤二具体实现方法如下：根据摩尔(ANSIS3.4-2007)响度模型，在数值计算软件中依次实现以下步骤：步骤2-2.1：根据声场是自由场或混响场，将噪声信号各有效频率成分的声压级分别通过自由场外耳，或混响场外耳传递函数，然后通过中耳传递函数，以上函数值均为分贝值。步骤2-2.2：将到达耳蜗的各频率声压级值转化为有效值功率，由式(2)计算相应频率处的输入激励级。其中ERBLo表示某一频率成分的输入激励级，ERBo表示由该频率成分决定的求和带宽，其值由式(3)确定，fo表示该频率成分的频率值。Pi2表示第i个包含在这一ERB(EquivalentRectangularBandwidth)频带内且为有效频率成分的有效值功率，P0＝2×10-5(Pa)为参考声压。Wi为第i个频率成分的权重函数，其值由式(4)确定，其中pi＝4×fi/ERBo，gi＝|fi-fo|/fo。ERBo＝24.673(0.004368fo+1)……(3)步骤2-2.3：在所关注频段对应的等效矩形频带范围内，以0.1ERB为间隔划分多个耳蜗滤波器，各滤波器的中心频率fc可由式(5)得到，其中erbc为ERB数。权重函数Wj决定耳蜗滤波器的形状，由式(6)确定，pj的计算方法为：(1)当fj≤fc时，pj＝4fc/ERBc-0.35[(4fc/ERBc)/30]·(ERBLj-51)；(2)当fj＞fc时，pj＝4fc/ERBc。gj的计算方法为：(1)当|fj-fc|/fc≤1时,gj＝|fj-fc|/fc；(2)当1＜|fj-fc|/fc≤4时，gj＝1；(3)当|fj-fc|/fc＞4时，gj＝4。其中，ERBc为耳蜗滤波器中心频率对应的等效矩形带宽，fj为ERBc范围内的有效频率成分，ERBLj为频率j处对应的输入激励级。步骤2-2.4：将上面得到的耳蜗滤波器作用于所关注频段内各频率对应的有效值功率，由式(7)计算耳蜗滤波器的输出激励。其中，Ec为滤波器的输出激励，P0＝2×10-5(Pa)为参考声压，为频率j处的有效值功率，E0表示强度为0dB声压级的1000Hz纯音在中心频率也为1000Hz的耳蜗滤波器的输出激励值。步骤2-2.5：按激励的大小分类计算单耳特征响度：(1)当Ec≤ETHRQ时，(2)当ETHRQ＜Ec＜1010时，N′＝C[(GEc+A)α-Aα]；(3)当Ec≥1010时，其中常数C＝0.046871，ETHRQ为单耳听阈激励，在5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、利用CAD软件建立内燃机的三维实体模型并进行装配，然后将整机模型导入有限元软件中划分有限元网格；接着在振动声学仿真软件中对有限元模型施加激励，定义边界条件，利用自动匹配层AML技术进行辐射声场计算，分析内燃机各部件的声功率级贡献量，通过所关注场点的噪声信号有效值功率谱计算各频率分量的声压级，为噪声评价提供数据；步骤二、根据响度计算模型，通过数值计算软件，对步骤一仿真得到的噪声声压级频谱进行处理，计算出关注频段内的特征响度曲线；步骤三，根据步骤二得到的特征响度曲线在不同频段的幅值大小和变化特点，结合整机结构模态、动态响应、辐射声功率级等的分析结果，制定根据人耳听觉特性降低内燃机辐射噪声的内燃机振声优化方案；步骤四，根据步骤三的优化方案对内燃机进行降噪改进，并重复步骤一至步骤三，直至内燃机辐射噪声评价结果满足预设降噪要求。

【技术特征摘要】
1.一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、利用CAD软件建立内燃机的三维实体模型并进行装配，然后将整机模型导入有限元软件中划分有限元网格；接着在振动声学仿真软件中对有限元模型施加激励，定义边界条件，利用自动匹配层AML技术进行辐射声场计算，分析内燃机各部件的声功率级贡献量，通过所关注场点的噪声信号有效值功率谱计算各频率分量的声压级，为噪声评价提供数据；步骤二、根据响度计算模型，通过数值计算软件，对步骤一仿真得到的噪声声压级频谱进行处理，计算出关注频段内的特征响度曲线；步骤三，根据步骤二得到的特征响度曲线在不同频段的幅值大小和变化特点，结合整机结构模态、动态响应、辐射声功率级等的分析结果，制定根据人耳听觉特性降低内燃机辐射噪声的内燃机振声优化方案；步骤四，根据步骤三的优化方案对内燃机进行降噪改进，并重复步骤一至步骤三，直至内燃机辐射噪声评价结果满足预设降噪要求。2.如权利要求1所述的一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法，其特征在于：步骤一所述的CAD软件优选Pro/E软件、CATIA软件或UG软件；步骤一所述的有限元软件选Hypermesh软件、ANSYS软件或Patran软件；步骤一所述的振动声学仿真软件选Virtual.lab软件或Actran软件。3.如权利要求1或2所述的一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法，其特征在于：步骤二所述的数值计算软件选MATLAB软件或Python软件；步骤二所述的响度计算模型包括斯蒂文森模型、茨维克模型或摩尔模型，优选茨维克模型或摩尔模型。4.如权利要求3所述的一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法，其特征在于：当选用茨维克模型时，步骤二具体实现方法如下：根据茨维克(ISO532B)响度模型，在数值计算软件中依次实现以下步骤：步骤1-2.1：对得到的噪声声压级频谱进行1/3倍频程滤波，依照等响曲线分别修正第1至6,7至9,10至11频带的声压级，然后分别合并，修改后的1/3倍频带为特征频带；步骤1-2.2：在各特征频带声压级中加入人耳传声因数，若声场为混响场，需再根据混响场与自由场的传声特性差异进行激励级修正；步骤1-2.3：在各特征频带中加入临界频带补偿系数，根据茨维克模型的主响度计算公式(如式(1))，求得各特征频带的主响度，其中，LTQ为安静状况下听阈对应的激励，LE为被计算声音对应的激励。取N′0＝0.08时，s＝0.5，k＝0.23；N′0＝0.0635时，s＝0.25，k＝0.25；步骤1-2.4：由特征频带的主响度值，判断是否被掩蔽，若被掩蔽则加入斜坡响度，斜坡响度的斜率由主响度和特征频带数决定，最后得到所关注频段内的特征响度曲线。5.如权利要求3所述的一种考虑人耳听觉特性的内燃机辐射噪声仿真评价方法，其特征在于：为了进一步提高响度计算模型的精度，选用摩尔模型，步骤二具体实现方法如下：根据摩尔(ANSIS3.4-2007)响度模型，在数值计算软件中依次实现以下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨征葳，冯慧华，田静宜，朱乘军，牟小龙，匡宇宵，李杰贵，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11