Design, simulation and testing of a coupled plate-cavity system targeted for vehicle interior noise analysis and control

Nowadays, people are paying more and more attention to the acoustic comfort of vehicles, as well as the health issues caused by noise. The various types of vehicles including automobiles, trains, aircrafts and ships are all being requested for a better acoustic design, where the vehicle interior noise analysis and control are important. Computer-Aided Engineering (CAE) tools are now popularly used for these purposes, but engineers are always doubtful about their reliabilities. Besides, the currently available vibroacoustic methods are still far from satisfactory in terms of capability, accuracy or efficiency, especially for the analyses in mid-frequency range. New methods and codes are continuously developed, but they are hard to find suitable benchmark cases for assessment and validation. Therefore, to facilitate the CAE analysis of vehicle interior noise, this thesis presents a benchmarking and testing tool called Noise-Box. The Noise-Box includes the test equipment and its numerical models, so that it can provide both reference measurements and reference computations. The test equipment, designed as a plate-cavity system that is easy to model and analyse, can perform vibroacoustic tests that can be accurately reproduced by numerical models. Its ability to measure sound transmission loss and test noise control measures is also considered. The numerical models that simulate the test equipment, should accurately predict its behaviour. Three numerical methods are used in order to cover a wide frequency range. While Finite Element Method (FEM) and Statistical Energy Analysis (SEA) are respectively for the low- and high- frequency ranges, Wave Based Method (WBM) is applied and developed for its potential to fill the mid-frequency gap. Commercial software is used for the FEM, and self-developed codes are provided for the SEA and the WBM. Concerning the demand for 2D benchmark cases in developing new numerical techniques, validated 2D models of FEM and WBM are provided for the additional reference results. To obtain such a tool, this work designs, constructs and characterizes the test equipment, and builds, validates and updates the numerical models. It is a big challenge to reach the agreement between the numerical models and the test system, and this thesis has overcome the difficulties through the following efforts: (1) When the plate-cavity coupled Noise-Box is designed towards the ideal conditions, its modelling considers the uncertainties in materials, manufacture and assembly. Especially, the plate edge conditions are modelled by elastic restraints to handle the uncertainty, where the stiffnesses can be updated based on test results. (2) The Noise-Box is comprehensively and accurately characterized through experiments. Experiments are performed to the plate, the cavity and the plate-cavity system, respectively, covering different issues. Particularly, the modal parameters of the three situations are all precisely estimated through Experimental Modal Analysis (EMA), so that they can be the reliable reference for FE model updating, where the plate edge conditions are characterized. (3) The numerical modelling techniques are strictly verified. Since the FEM results are important reference, both for updating the physical parameters of the real system and for validating the self-developed codes of WBM, the FE modelling techniques are first validated by benchmark cases, removing any doubt in element types, mesh control and boundary conditions. Then, the FE models are updated, and the updated models match well with the test system. Based on the FEM results, the WB models are also validated, during which the efficiency of WBM is demonstrated. The SEA models are built for the Noise-Box system to investigate the structure-borne noise and the airborne noise, respectively, and their validations are based on the open source software “SEAlab”. Finally, with its characteristics well-informed and its matched numerical models prepared, the benchmarking and testing tool Noise-Box, is ready for application. The thesis lastly has an initial test on this tool for structure-borne and airborne noise investigations, where the solutions from the test equipment and the numerical models are presented and compared. It is considered that this dissertation has the following innovative contributions: • Proposes a modified weighted residual formulation to WBM, extending the availability of the method for elastically restrained plates; • Introduces a way to employ EMA for vibroacoustic systems, through which the modal parameters of both plate- and cavity-controlled modes are identified with good accuracy; • Presents a novel benchmarking and testing tool that can benchmark different techniques for vibroacoustic analysis and test the measures for interior noise control.

Al giorno d'oggi, si presta sempre più attenzione al comfort acustico dei veicoli, nonché ai problemi di salute causati dal rumore. I vari tipi di veicoli tra cui automobili, treni, aerei e navi richiedono quindi una migliore progettazione acustica, dove l'analisi e il controllo del rumore interno al veicolo sono importanti. Gli strumenti di Computer-Aided Engineering (CAE) sono ora comunemente usati per questi scopi, ma gli ingegneri restano comunque ancora scettici sulla loro affidabilità. Inoltre, i metodi vibroacustici attualmente disponibili sono ancora poco soddisfacenti in termini di capacità, accuratezza o efficienza, soprattutto per le analisi a medie frequenze. Nuovi metodi e codici vengono continuamente sviluppati, ma è difficile trovare casi di riferimento adatti per la loro validazione e valutazione. Pertanto, per facilitare l'analisi CAE del rumore interno ai veicoli, questa tesi presenta uno strumento di benchmarking e test chiamato Noise-Box. L’attività svolta sulla Noise-Box include sia prove sperimentali sia modelli numerici, in modo che si possano fornire sia misure di riferimento che calcoli di riferimento. Grazie al banco prova realizzato, progettato come un sistema piastra-cavità facile da modellare e analizzare, si possono eseguire prove vibroacustiche che possono essere accuratamente riprodotte da modelli numerici. Inoltre, il banco può essere utilizzato per misure di transmission loss e per testare diverse strategie di controllo del rumore. I modelli numerici sviluppati riproducono in modo accurato il comportamento vibroacustico del banco. Sono stati utilizzati tre diversi metodi numerici per coprire un'ampia gamma di frequenze: il metodo degli elementi finiti (FEM) e la Statistical Energy Analysis (SEA) sono stati adottati rispettivamente per gli intervalli di bassa e alta frequenza, mentre il Wave Based Method (WBM) è stato applicato per colmare il divario alle medie frequenze. Per il FEM è stato utilizzato un software commerciale, mentre SEA e WBM sono stati implementati in codici sviluppati autonomamente. Per rispondere alla richiesta di casi di riferimento 2D nello sviluppo di nuove tecniche numeriche, vengono forniti modelli validati sia FEM che WBM. In questo lavoro si è progettato, si è costruito e si è caratterizzato il banco prova. Inoltre, sono stati implementati e validati diversi modelli numerici. Nello specifico: (1) Il sistema accoppiato piastra-cavità, Noise-Box, è stato progettato per condizioni ideali; la sua modellazione considera le incertezze nei materiali, nella fabbricazione e nell'assemblaggio. In particolare, le condizioni al contorno della piastra sono modellate da vincoli elastici per gestire l'incertezza, dove le rigidezze possono essere aggiornate in base ai risultati dei test. (2) La Noise-Box è stata caratterizzata in modo completo e accurato attraverso prove sperimentali. Sono stati eseguiti esperimenti rispettivamente sulla piastra, sulla cavità e sul sistema accoppiato piastra-cavità. I parametri modali per le tre configurazioni sono stati stimati mediante Analisi Modale Sperimentale (EMA), in modo che questi parametri possano essere un riferimento affidabile per l'aggiornamento del modello FEM e, nello specifico, per l’identificazione delle condizioni al contorno della piastra. (3) Le tecniche di modellazione numerica sono state rigorosamente verificate. Poiché i risultati FEM sono un riferimento importante, sia per l'aggiornamento dei parametri fisici del sistema reale che per la validazione dei codici auto-sviluppati del WBM, le tecniche di modellazione a elementi finiti sono state prima convalidate tramite casi di riferimento, rimuovendo ogni dubbio su tipi di elementi, controllo della mesh e condizioni al contorno. Quindi, sono stati messi a punto i modelli FEM del sistema Noise Box. Sulla base dei risultati FEM, sono stati validati anche i modelli WB, dimostrandone l'efficienza. I modelli SEA, implementati per il sistema Noise-Box, studiano rispettivamente il rumore structure-borne e airborne e la validazione di questi modelli si basa su un software open source “SEAlab”. Infine, note le sue caratteristiche e validati i modelli numerici, lo strumento di benchmarking e di test (Noise-Box) è pronto per l'applicazione. In conclusione, la tesi riguarda la progettazione, la simulazione e la caratterizzazione sperimentale di un banco prova dedicato a indagini sul rumore airborne e structure-borne. Si ritiene che questa tesi fornisca i seguenti contributi innovativi: • propone una formulazione modificata del WBM ai residui pesati, estendendo la disponibilità del metodo per piastre vincolate elasticamente; • introduce un modo per impiegare l'EMA per i sistemi vibroacustici, attraverso il quale i parametri modali dei modi controllati sia dalla piastra che dalla cavità sono identificati con buona accuratezza; • rende disponibile un nuovo strumento di benchmarking e test che permette di confrontare diverse tecniche per l'analisi vibroacustica e testare diverse strategie per il controllo del rumore interno.