Simulacija buke u unutrašnjosti vozila uzrokovane vanjskim izvorom zvuka koristeći metodu konačnih elemenata (MKE)

master's thesis

• Title (english): Simulation of the vehicle interior noise generated by an exterior sound source by using finite element method (FEM)
• Author: Martina Šimag
• Mentor: Neven Alujević (mentor)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2019-05-17, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering

Abstract

Proizvođači automobila postaju sve svjesniji da razina buke u unutrašnjosti vozila uvelike utječe na odluku kupca o kupnji. To se osobito odnosi na osobna vozila visoke klase. Stoga, poboljšanje vibroakustičke kvalitete osobnih vozila postaje važan i neizbježan predmet razvoja i istraživanja u automobilskoj industriji. Za inženjere koji se bave bukom i vibracijama vrlo je važno moći točno predvidjeti zvuk u unutrašnjosti vozila u ranoj fazi konstruiranja. Na taj način izbjegavaju se znatno veći troškovi u kasnijim fazama razvoja novih modela vozila.
U ovom radu, razvijena je metoda za proračun buke u unutrašnjosti osobnog vozila u programskom paketu ACTRAN. Programski paket se temelji na metodi konačnih elemenata (MKE). Ovaj programski paket jedan je od zastupljenijih numeričkih alata za vibroakustičke analize u suvremenoj europskoj automobilskoj industriji.
U prvom dijelu rada, razvijen je model koji uključuje slobodno oslonjenu deformabilnu pravokutnu ploču, kojom se modelira vatronepropusni zid između prostora motora s unutrašnjim izgaranjem i putničkog prostora, potpuno spregnutu s pravokutnom akustičkom šupljinom kojom se modelira putnički prostor automobila. Preostalih 5 zidova akustičke šupljine pretpostavljeni su krutima. Dimenzije modela izabrane su tako da približno odgovaraju dimenzijama stvarnog vozila. Počevši s diferencijalnim jednadžbama gibanja posebno za ploču i akustičku šupljinu, metodom modalne dekompozicije izvedena je matrična jednadžba za potpuno spregnuti vibro-akustički model. Također, izrađen je i analogni numerički model pomoću programskog paketa ACTRAN. Uspoređujući karakteristične rezultate dobivene analitičkom i numeričkom metodom, određene su prikladne veličine konačnih elementa i maksimalna frekvencija kod koje se razina buke u unutrašnjosti vozila dade odrediti s dovoljnom točnošću.
U drugom dijelu rada razvijena je numerička metoda za proračun zvuka u unutrašnjosti stvarnog vozila koristeći ACTRAN. Proučavaju se tri najvažnija izvora buke kod vozila: buka koju proizvodi motor s unutrašnjim izgaranjem, buka koja nastaje kotrljanjem kotača po podlozi te buka koju proizvodi ispušni sustav. Geometrija primjera vozila odgovara geometriji jedne luksuzne limuzine. Razvijena metoda temelji se na pristupu koji se sastoji od tri koraka, a primijenjena je u frekvencijskom rasponu od 100 Hz do 1600 Hz. U prvom koraku kreira se numerički simulacijski model koji opisuje radijaciju zvuka iz izvora smještenih izvan vozila. Navedeni model služi za računanje raspodjele zvučnog tlaka na krutoj ovojnici karoserije vozila. Zvučno polje nastaje uslijed zvuka narinutog iz akustičkih izvora karakteristične volumne brzine (engl. "volume velocity source"). Izvori zvuka smješteni su na četiri karakteristična mjesta: kod lijevog stražnjeg kotača, kod lijevog prednjeg kotača, u prostoru motora te kod ispušnog lonca. U drugom koraku, polje kompleksnog akustičkog tlaka izračunato po površini krute ovojnice vozila projicira se na pojedine dijelove karoserije. U trećem koraku, izračunato polje akustičkog tlaka se koristi kao uzbuda za deformabilne dijelove karoserije (tzv. konfiguracija "body-in-blue"). Na kraju, izračunate su funkcije frekvencijskog odziva između akustičkog tlaka u šest karakterističnih točaka unutrašnjosti vozila i volumne brzine izvora sa četiri navedene lokacije. Također, izračunata je, prikazana i diskutirana raspodjela akustičkog tlaka u cijelom putničkom prostoru.

Abstract (english)

Vehicle manufacturers are becoming more and more aware that the interior sound quality of a vehicle greatly affects the customer's decision to make a purchase. This is especially true with passenger cars in the upper market segment. Therefore, improving noise, vibration and harshness (NVH) quality of passenger vehicles has become an increasingly important topic in the automotive industry. As such, it is of great interest for noise and vibration engineers to be able to accurately predict the interior sound of a car in the early stage of the vehicle design. This is necessary to avoid substantially increased costs in the later vehicle development stages.
In this thesis, a methodology to predict the interior sound field in a passenger road vehicle is developed using a commercial Finite Element (FE) software ACTRAN. This piece of software is a current state-of-the-use in the European car manufacturing industry.
In the first part of the thesis, a simply supported flexible rectangular plate, which represents the firewall between the engine compartment and the passenger space, is fully coupled to a box-shaped acoustic cavity having the other five walls rigid. The model geometry is chosen such that it roughly approximates a real car. Starting from separate differential equations of motions for the plate and the acoustic cavity, a fully coupled vibro-acoustic model is developed using the modal decomposition technique. An equivalent numerical model is also built in ACTRAN. By comparing some characteristic results obtained using the analytical model and the numerical model, the FE size and the maximum frequency where the interior sound pressure levels can still be accurately predicted are determined.
In the second part of the thesis a numerical, FE-based methodology to predict the interior noise due to three principal sound sources in an example road vehicle is developed using ACTRAN. The three noise sources are: the engine noise, the tyre-rolling noise, and the exhaust noise. The geometry of the example vehicle corresponds to a real luxury sedan. The methodology developed is based on a three-step procedure applied in the frequency range of interest from 100 Hz to 1600 Hz. In the first step, the finite element exterior acoustic model is built in order to calculate the surface pressure distribution on the rigid exterior wrap of the vehicle. The acoustic medium is excited by exterior volume velocity sound sources at four characteristic locations. The four locations are chosen at the left rear wheelhouse, at the left front wheelhouse, in the engine compartment and at the exhaust. In the second step, the complex acoustic pressure distribution on the rigid exterior wrap of the structural parts of the vehicle is calculated. It is used in the third step to excite the flexible "body-in-blue" vehicle. Frequency Response Functions (FRFs) between the volume velocities of the four characteristic exterior sound sources and the acoustic pressures at six characteristic interior locations are calculated. Also the whole distribution of the sound pressure in the vehicle interior is computed, presented and discussed.

• Keywords: Sound; Vibration; Vibroacoustics; Vehicle interior noise; Automotive NVH; FEM
• Keywords (english): Zvuk; Vibracije; Vibro-akustika; Buka u unutrašnjosti vozila; Vibroakustička kvaliteta vozila; Metoda konačnih elemenata
• Language: english
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:638314
• Study programme: Title: Mechanical Engineering; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva (magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2019-05-23 00:47:01