1.车辆噪声分析的目的和意义
  随着车辆市场竞争的日益激烈和人们对车辆性能的要求越来越高，车辆设计技术得到了飞速的发展。乘客对车辆乘坐舒适性的要求不断提高，促使设计工程师越来越重视在产品设计 的早期解决预测车辆内部的噪声，以及车辆辐射噪声引起的声环境污染。这样就可以避免将噪声问题延伸到产品开发的后期，从而最大限度的减少人力、时间和物力的浪费。同时虚拟设计、虚拟试验的产品开发方法在车辆工程中的应用日益广泛，使利用仿真技术在新产品方案设计的优化设计得以实现。

  目前车辆的声学特性已经成为衡量车辆舒适性的重要指标，在设计方案确定后，利用有限元软件 ACTRAN可以预测车内及车外的声压、声强的频率响应特性，分析各个噪声源对声音作用效果的贡献，各种不同装饰件和装饰方案对隔音效果，不仅可以预测现有方案的声学性能，而且可以让设计工程师迅速找到领先的隔音减振设计方案。

  国外先进的车辆设计机构已经广泛利用 ACTRAN分析车辆的舱室噪声及噪声辐射，典型用户包括庞巴迪、西门子等。

2.ACTRAN功能特性
  在过去用能量统计法和边界元法分析时，工程师们必须对模型做出很多简化。这些模型大多忽略了车辆内部中很多重要的因素及参数，如：车辆内部的精确外形、结构材料的非均质性、隔音层材料的非均质性、多层窗结构、加强筋、地板等。这将导致模拟过程更多的依赖于试验。
  基于有限元法的声学计算软件 ACTRAN，为工程师深入细致研究这些真实模型中的复杂因素提供了可能。经过 FFT(Free FieldTechnologies)公司在有限元/无限元技术上持续开发和投入，以及在世界领先机车、汽车和飞机制造商的实际工程应用，使 FFT公司在对车舱内振动噪声模拟方面，无论是软件技术还在建模经验都处于行业领先水平。下文将对 ACTRAN的功能特性进行详细介绍。

2.1单元库 

  ACTRAN支持流体有限元与无限元、结构实体单元、实体壳单元、梁单元、薄壳单元等。下文将详细介绍一些特殊单元应用。
  2.2.1加强筋单元
  在真实车辆内部中，加强筋和梁是加在铝蒙皮上的结构，它们一般也是铝制的。这些加强筋结构可以用ACTRAN中的1D梁单元或2D加强筋单元（STIFFENER单元）进行模拟。这样做的好处是能够模拟使用加强筋的多层结构，并减小模型的规模从而降低对硬件需求。从振动的角度分析，使用ACTRAN的加强筋单元建模，可以得到与真实加强筋同样的力学性能。在众多工程项目中，ACTRAN的2D加强筋单元已经得到了有效的验证。

2.2.2壳单元、梁单元 
  ACTRAN支持使用二维网格描述板壳结构，厚度项在 ACTRAN里定义，建模更方便快捷。

  对于壁板结构中的加强筋，ACTRAN支持使用 1D梁单元模拟，综合使用壳单元、梁单元，可以模拟多层加强筋的板壳结构。

2.3材料库 

ACTRAN提供最丰富的材料库，支持所有工业界使用的材料类型，包括金属材料、各项同性材料、各项异性材料、横向各项同性材料、流体材料等， ACTRAN具有特别优势的材料类型如下所示：

2.3.1多孔材料

为了提高舱壁的隔声性能，舱壁设计中通常加入一层多孔介质材料，如玻璃棉。这种用于绝热处理的材料对车辆内部隔绝外部噪音有着重要影响，因此对此材料的精确模拟是极为重要的。玻璃棉在模型中和铝蒙皮层连接，玻璃棉层也可能在不同位置有不同的厚度。 
 ACTRAN支持常见的多孔弹性材料与多孔硬质材料，并增加提供对 LUMPED多孔材料以及 DELANY_BAZLEY多孔材料模型的支持。 ACTRAN持之以恒的对声学材料的研究与发展，能够帮助企业更好的模拟工程上使用的各种材料。

2.3.2压电材料 
  ACTRAN是领先的支持压电材料的噪声仿真软件，支持对噪声主动控制技术中普遍使用的压电陶瓷材料的模拟。 ACTRAN通过定义材料的密度、弹性矩阵、压电矩阵以及电介质矩阵等参量模拟压电材料的物理属性。ACTRAN对压电材料的支持，使得众多企业将ACTRAN应用于噪声的主动控制研究。

2.3.3复合材料
  复合材料具有质量轻、力学性能不输于金属材料的特点，在工业界被广泛使用。一般复合材料由多层弹性或纤维材料交替构成，ACTRAN支持对多层复合材料的模拟。

2.3.4粘热流体材料
  声波在狭小管道内或门窗缝隙内传播时，声波的传播存在粘热损失效应。 ACTRAN支持粘热流体材料，能够精确的模拟声波的粘热损失效应。

2.4激励方式 
  ACTRAN支持声学、力学以及运动学激励，除此以外ACTRAN还支持随机激励方式。ACTRAN支持的激励方式如下所示：声学：声压、点声源、平面波、线声源、管道模态激励；力学：点力、分布载荷、结构分析软件导入载荷；运动学：位移、速度、加速度；随机激励：扩散声场（模拟混响室条件）、湍流边界层、δ相关随机激励。对于各种随机激励，ACTRAN除了可以得到统计平均量，还能自动计算标准偏差等统计信息。 
  ACTRAN可以定义多种载荷工况，计算完成后ACTRAN将提供各激励作用的结果，帮助工程师分析噪声传递路径以及噪声源的作用。除此以外， ACTRAN还能提供各载荷工况共同作用下的声学响应。基于有限元数值分析方法的优势，多载荷工况并不会明显增加计算时间。

2.5预加应力结构
  结构预加应力对系统的振动声学特性有明显影响。在ACTRAN中，预加应力的效果可以通过以下两个步骤实现： 
1) 领先的步：对结构加载分布载荷，计算出结构静态位移。 
2) 第二步：将上一步得到的结构静态位移结果以导入到振动声学响应计算中。ACTRAN将基于结构静态位移来计算结构中的初始预加应力，并基于初始应力来修改结构刚度。
  这样得到的振动、声学结果即是考虑到了预加应力效应的结果。一般来讲，由于预加应力的效果，结构的刚度会加强。预加应力模型结构分析可以帮助工程师了解预加应力如何影响系统的振动声学特性。

2.6与结构、流体 CAE技术的配合
  由于有限元方法的共同性，因此 ACTRAN软件能够更好的与结构、流体 CAE分析结果联合。在声学仿真方面减少工程假设，在边界条件、激励、结构类型、材料等各方面均能更好的模拟实际物理问题。

2.6.1气动噪声与声源插值技术 
  ACTRAN在气动声学仿真具有压倒性优势。声源处理方面，ACTRAN提供 Lighthill与M.hring声类比技术，将流场信息转换为噪声源。在声源插值技术方面， ACTRAN更新原有的插值技术，提供目前领先的积分插值方法，能够在使用稀疏网格的条件下获得精确结果，降低气动声学计算对网格量的需求，加速求解速度。

2.6.2非均质流体 
  ACTRAN支持流体介质中存在温度梯度、密度梯度、流速分布等非均质现象，可以将流场的背景流动直接插值入声学网格上，计算声波在非均质流体中的传播。

2.6.3结构分析计算结果的导入 
ACTRAN支持将结构分析结果作为激励输入，结构-声学分析能够有机结合。 ACTRAN支持的结构分析软件包括ABAQUS、NASTRAN、ANSYS、IDEAS等。

  ACTRAN软件提供先进的投射技术，结构分析软件计算得到的结果可以非常方便的映射到声学网格上。

2.6.4模态坐标系求解技术
  使用ACTRAN在物理坐标系下进行振动声学模拟的方法已经广泛地被试验及理论结果所验证。ACTRAN丰富的材料库、单元库及加载方式为工程师们提供了广泛的建模可能，使工程师对问题的研究达到非常细致的层面。在物理坐标系下的数值模拟也存在一个限制，如对于大型问题受到CPU能力和内存大小的限制。
  为了克服这个数值模拟的限制，Free Field Technologies开发了模态坐标下的振动声学组件。在模态坐标下进行振动声学数值模拟，模拟可以达到更高的频率（对于一个细节丰富的车辆内部模型，可以很轻松达到2000Hz以上的频率）。 
  ACTRAN支持将ABAQUS、NASTRAN、ANSYS、IDEAS等结构分析软件的模态结果导入，并基于模态坐标系下求解结构的动态响应和空间的声学响应。

2.6.5物理坐标与模态坐标混合求解方法
  对高阻尼或多孔部件的模拟（这些部件一般被称为Trim部件）。这些部件可以通过ACTRAN在物理坐标下进行模拟，并和整体结构的模态模型进行耦合。 ACTRAN提供独有的物理坐标与模态坐标混合求解方法。对于整车分析，车内声空间与车身刚体结构使用结构软件提取模态，对于高阻尼与吸声材料，使用物理坐标建模。ACTRAN软件能够建立物理坐标与模态坐标的混合模型，极大的拓展了有限元使用的频率范围与求解规模。
  该技术可以帮助工程师研究车内吸声材料与阻尼的布置，对于多工况（不同阻尼布置）问题，求解时间与单工况相比只略微增加。

2.6.6超单元的应用 
  ACTRAN支持将结构软件计算的动态响应，利用超单元技术转换为分析部件的边界条件。利用超单元技术，能够极大的缩小求解问题的规模，并且可以尽可能避免仿真分析中边界条件的工程简化假设。

3.案例参考

3.1车辆内部舱室噪声模拟方案
  本文所提供的思路并不是进行车辆内部振动噪声分析领先的的方法，但其思路可以为使用ACTRAN进行车辆内部分析的工程师所参考。
3.1.1基本模型的建立
考虑到研究问题的复杂性，提议采用以下思路对问题分步研究。首先可以先建立一个相对基本的模型，在此模型中，考虑以下参数及因素： 
. 车辆舱内真实形状 
. 蒙皮铝结构及其非均质性 
. 加强筋、梁 
. 绝热、隔音材料（玻璃棉）及其非均质性 

·多层结构窗 

. 舱内部空气 

. 使用扩散声场对舱室进行加载此模型可以被称为“基本模型”，它虽然是对车辆内部的简化模型，但是所

  有被考虑到的因素（如结构形状，材料性质等）均使用真实数据。建立这个基本模型可以达到以下两个目的：
1）基本模型可以帮助工程师了解车辆内部的整体声学特性；
2）可以随后在这个基本模型中分步加入在基本模型中没有被考虑到的因素，并通过对比来研究这些因素对车辆内部振动声学特性的影响。
3.1.2复杂模型的建立
  在基本模型的基础上，可以加入的因素包括： 
1) ·车辆内部壁中加入的声衬 
2) ·结构的预加应力效应 
3) ·更真实的气动激励，使用湍流边界层对结构进行激励

  上面所列的因素并没有包含所有的可能性，由于各种车辆内部结构的区别，对于不同的设计，可考虑到的因素也随之不同。这些因素可以相继独立的或同时的加入到基本模型中，这样可以对车辆内部的振动声学特性的影响逐一研究。

3.2车辆辐射噪声计算方案
  车辆辐射噪声的计算是将车辆内部舱室计算所获得的振动作为激励，计算车厢外的辐射噪声。

3.2.1噪声源的确定根据车辆外部噪声的计算要求，在计算时考虑以下声源激励： 
1） 车辆蒙皮等结构的振动激励，振动激励来自上一步车厢内部噪声分 
析所获得的表面振动激励；  
2） 轮轨振动激励，轮轨噪声激励是辐射噪声最重要的激励声源，轮轨 振动激励需要用户提供。

3.2.2几何模型的确定
  在计算车辆的辐射噪声时，计算域从车厢的表面直到隧道的内表面，车辆如果在隧道外部，在计算域的边界延伸 2米，在车厢底部延伸至地面位置，车辆前部和后部采用对称边界，既在车厢的前端和后端不需要延伸。
3.2..3边界条件的确定
（1）在隧道的进口和出口方向采用无限元，允许声音向出口方向和进口方向自由辐射，并且可以观测隧道进口方向和出口方向任意位置的声压频谱响应；
（2）当车辆在隧道外部时，计算域延伸的最外层表面定义为声学无限元，允许声音向无穷远处自由辐射，并可以计算离车厢任意远处的声学响应；
（3）隧道壁面和地面定义为刚性壁面条件，当声音传播到隧道壁面和地面时没有吸收，声音将被反射。可以通过设定表面声阻抗的方式模拟地面和隧道壁面的吸收特性；
（4）声障板：声障板采用无厚度刚性壁面模拟。 

3.3车辆气动噪声计算方案
  使用 CFD软件与 ACTRAN结合可以对车辆的气动噪声进行分析。分析步骤如下所示：
（1）建立 CFD分析模型，利用 k-e模型进行定常流动分析；
（2）定常流动收敛后，利用 URANS、LES或 DES方法进行非定常流场计算；
（3）建立 ACTRAN声学分析模型，利用 ACTRAN/iCFD命令，将 CFD基本量转换为气动噪声源 Lighthill应力张量，并使用积分法插值入声学网格；
（4）利用 ACTRAN/iCFD命令对声源进行傅里叶转换，将时域信号转换为频域；
（5） ACTRAN计算气动噪声的传播，导出预设场点的声场云图和声压频响函数；
（6）在ACTRAN/VI中查看结果，可以获得计算域内的声场分布信息以及远场的声学响应。

4.典型车辆内部算例的计算规模
  FFT公司完成了几十个型号车辆内部噪声模拟，以下是常见的车辆内部问题的计算规模。
         典型模型 1：
         物理坐标
         随机漫射声场激励
         模型有效至1000Hz
         单元数：95,000；自由度数： 200,000
         CPU数：1
         内存： 7500 MB

  每个计算频率所需CPU时间（在较新式服务器上）：小于1小时

典型模型 2：

物理坐标

随机漫射声场激励

模型有效至2000Hz

单元数：220,000；自由度数：450,000

CPU数：1

内存： 15500 MB

每个计算频率所需CPU时间（在较新式服务器上）：1小时至3小时

典型模型 3:

模态坐标

随机漫射声场激励

模型有效至2000Hz

单元数：130,000；自由度数：320,000

CPU数：16

内存： 1700 MB（每个CPU）
      每个计算频率所需 CPU时间（在较新式服务器上，考虑并行计算）：小于 5分钟