Vibro-acoustic modeling of a commercial vehicle to reduce the interior noise level

Abstract

Araç sürücü kabinindeki ses, yapıdan kaynaklanan ve havadan kaynaklanan ses olmak üzere ikiye ayrılır. Bu çalışmada, aracı çevreleyen panellerin titreşmesi nedeniyle oluşan yapıdan kaynaklanan ses türü araştırılmıştır. Motordan gelen tahrik panellerin rezonans frekanslarında titremesine neden olmakta ve bu titreyen paneller kabin içinde ses basınç seviyelerinde değişikliğe sebep olarak istenmeyen ses türünü ortaya çıkarmaktadır. Kabindeki ses basınç seviyesini iyileştirmek için, araç dinamiğini anlamak, daha da önemlisi kabindeki hava ile nasıl ilişkilendiğini anlamak çok önemlidir. Motordan gelen tahrikin etkisi altında kabindeki ses basınç seviyelerini incelemek için iki farklı yöntemin birleşimi kullanılmıştır. Bu yöntemler, yapısal model için Sonlu Elemanlar Metodu (FEM) ve akustik model için Sınır Elemanlar Metodudur (BEM). Birleşik FEM-BEM metodu Akustik transfer vektörleriyle panel hızlarını birleştiren Modal Akustik Transfer Vektör (MATV) algoritmasından yararlanmaktadır. Bu algoritma her bir yapısal modun ses basınç seviyesine olan katkısının hesaplanmasına olanak sağlar. Ayrıca vektör çarpımını kullanması nedeniyle oldukça verimlidir. Akustik Transfer Vektör kavramını kullanan bir diğer analiz ise Panel Akustik Katkı analizidir (PACA). Bu analiz, kabini çevreleyen her bir panelin kabin içi ses seviyesine olan katkısını hesaplanmasına olanak sağlar. MATV ve PACA analizlerinin her ikisi de kritik yapısal modların ve titreşen panellerin ses seviyesine olumsuz etkisini yok ederek kabin tasarımının iyileştirilmesinde kullanılabilir. Ayrıca, Helmholtz rezonatörünün ses basınç seviyesini azaltmak amacıyla kullanılması araştırılmıştır. Aracın orta paneline Helmholtz rezonatörü işlevi görmesi amacıyla bir delik açılmıştır. Deliğin yeri ve büyüklüğü değiştirilerek ses basınç seviyesi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Deliğin optimum yeri ve büyüklüğünü saptamak için, analiz ilk önce basit bir dikdörtgen modelde yapılmış, daha sonra araba modelinde tekrarlanmıştır. Sonuçlar, aracın orta paneline yerleştirilen deliğin Helmholtz rezonatörü gibi davrandığını ve belli frekanslarda ses basınç seviyesini iyileştirdiğini göstermektedir. Fakat delik ek bir akustik mod yarattığı için diğer frekanslardaki ses seviyesinde kötüleşme görülmüştür.

The interior noise inside the passenger cabin of automobiles can be classified as structure borne or airborne. In this study, the structure-borne noise which is mainly caused by the vibrating panels enclosing the vehicle was investigated. Excitation coming from the engine causes the panels to vibrate at their resonance frequencies and these vibrating panels cause a change in the sound pressure level (SPL) and undesirable booming noise. In order to improve the SPL in the cabin, it is critical to understand the dynamics of the vehicle and more importantly how it couples with the air inside the cabin. A combined usage of two methodologies was adopted in order to predict the sound pressure level inside the passenger cabin of a commercial vehicle under the effect of engine disturbances. Those methodologies are the Finite element method (FEM) for the structural analysis and the Boundary Element Method (BEM) for the acoustic analysis. The adopted FEM-BEM approach takes advantage of the Modal Acoustic Transfer Vector (MATV) algorithm that combines the Acoustic Transfer Vectors (ATV) with the normal structural velocity boundary conditions. MATV algorithm allows the calculation of acoustic contribution of each individual structural mode. This procedure uses a vector product to calculate the sound pressure and it is computationally very efficient. Another analysis which uses the ATV concept is Panel Acoustic Contribution Analysis (PACA). PACA enables the user to determine the contribution rate of each radiating panel to the noise level inside the cabin. The results of MATV and PACA analysis can be utilized to improve the design of the cabin components to eliminate the critical structural modes and also to reduce the contribution of the radiating panels to the interior noise level. Finally, the idea of using a Helmholtz resonator in the cabin was studied to reduce the sound pressure levels. A hole is placed on the bulkhead of the vehicle to make it behave as a Helmholtz resonator. The location and size of the hole were altered to see the effect of the hole dimensions and position. First, the analysis was performed on a simple rectangular box to determine the optimum location and size of the hole. Then, the analysis was repeated on the vehicle model that was used throughout this thesis. The results show that the hole on the bulkhead behaves as a Helmholtz resonator and improves the SPL at certain frequencies. However, it introduces another cavity mode and this additional mode can make the SPL worse at other frequencies.