【摘要】相對于傳統(tǒng)動力汽車，高頻噪聲是電動汽車主要的NVH 問題，而統(tǒng)計能量方法是目前解決高頻問題的主要手段。文章以某電動車為例，對其車內(nèi)高頻噪聲問題進行了研究，首先建立了電動車的整車統(tǒng)計能量模型，進行了聲學包裝零件吸聲、隔聲性能測試，對車輛加速的工況下的聲載荷進行了測試，將聲載荷測試結(jié)果加載至整車模型中，實現(xiàn)了車內(nèi)高頻噪聲的計算。計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果對比表明，文章提出的方法可以較好的進行電動汽車車內(nèi)高頻噪聲分析。

【關(guān)鍵詞】電動汽車；車內(nèi)噪聲；高頻；統(tǒng)計能量方法
【作者】郝耀東，李洪亮，冷永剛，顧燦松，董俊紅
【單位】天津大學，中國汽車技術(shù)研究中心有限公司
【來源】科技創(chuàng)新與應用、萬方數(shù)據(jù)


0  引言

伴隨著全球能源（特別是石油資源）危機、環(huán)境污染問題的日益嚴重，在汽車行業(yè)政策的推動下，新能源汽車快速發(fā)展。相對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機車，新能源汽車車內(nèi)高頻噪聲問題更加突出。沒有了發(fā)動機噪聲及其掩蔽效應，一些噪聲源如電動機/發(fā)電機、其他電子器件及輔助設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲便凸顯出來，雖然車內(nèi)噪聲整體水平低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機車，但是電動汽車車內(nèi)會產(chǎn)生大量的令人煩擾的高頻噪聲，給駕乘人員帶來不一樣的主觀感受[1]。因此，行業(yè)關(guān)注點向高頻區(qū)域轉(zhuǎn)移，針對車內(nèi)高頻噪聲控制及優(yōu)化技術(shù)日益引起各大汽車廠商、科研單位的重視。車內(nèi)聲學性能是汽車舒適性最重要的組成部分之一，根據(jù)頻率的高低，可以分為低頻問題（20~200Hz）、中頻問題（200~500Hz）和高頻問題（>500Hz）。其中，不同于解決中低頻問題的有限元方法和邊界元方法，國際上普遍采用統(tǒng)計能量方法（SEA）進行高頻噪聲問題的分析和計算。

統(tǒng)計能量分析（Statistical Energy Analysis，SEA）方法是目前解決高頻噪聲問題的一種有效方法[2-4]。2001年，王震坡等人介紹了建立汽車SEA模型的方法和國產(chǎn)，并對兩款車型駕駛艙的噪聲特性進行了預測和對比[5]。2009年，吉林大學的王登峰[6]等人建立了某國產(chǎn)車型的SEA 模型，分析預測了車內(nèi)噪聲的1/3倍頻程頻譜，并與試驗結(jié)果進行了比較。賀巖松[7]等人研究了內(nèi)損耗因子的變化對SEA子系統(tǒng)間能量傳遞的影響，使用三種不同的方案添加阻尼材料，預測了駕駛員頭部聲腔聲壓級的變化趨勢。

本文首先建立了整車統(tǒng)計能量模型，包括結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、聲腔子系統(tǒng)、聲學包裝以及子系統(tǒng)之間的連接。其次，并根據(jù)試驗結(jié)果對聲學包裝的吸聲性能和隔聲性能進行了定義。再次，對勻速工況和加速工況下車輛聲載荷進行了測試。最后，將聲載荷測試結(jié)果加載至整車模型上，進行了車內(nèi)高頻噪聲分析，并將分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比。

1  整車統(tǒng)計能量模型建立

將整車有限元模型導入VA One 軟件中，劃分子系統(tǒng)，選擇能夠描述子系統(tǒng)形狀特征的節(jié)點，簡化子系統(tǒng)模型，創(chuàng)建子系統(tǒng)SEA模型。建立好的整車結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)SEA模型如圖1，共包括1172個平板子系統(tǒng)。


根據(jù)車身結(jié)構(gòu)及車內(nèi)空間分布，建立車內(nèi)車外聲腔子系統(tǒng)，檢查并修正車內(nèi)外聲腔子系統(tǒng)。為了準確的分析聲音的傳遞路徑和能量傳遞，根據(jù)座椅的位置將樣車車內(nèi)聲腔劃分為前排、二排、后備箱三部分，坐標平面XZ 把聲腔再次劃分成左右兩部。為了能更準確反映駕駛員頭部能量變化和能量傳導路徑，將前排、二排、后備箱聲腔劃分為上中下三層，分別對應頭部、胸部、腿部空間。建立車內(nèi)聲腔SEA模型如圖2所示，共包含80個聲腔子系統(tǒng)。


在外聲腔周圍增加5 個半無限流體，并與外聲腔連接。結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)建立后，通過VA One 軟件的自動連接功能將各子系統(tǒng)連接。

將各個子系統(tǒng)進行連接，完成整車模型的創(chuàng)建，包括板件與板件之間，板件與聲腔之間，聲腔與聲腔之間，保證能量在各子系統(tǒng)之間的傳遞。

根據(jù)整車板件結(jié)構(gòu)屬性和聲學包的物理屬性，將相應的物理屬性賦予板件，并將聲學包性能賦予對應結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)參數(shù)的定義包括車身結(jié)構(gòu)鈑金材料屬性定義（材料彈性模量、泊松比、密度、結(jié)構(gòu)厚度）、聲腔特性定義、聲包材吸聲系數(shù)、插入損失及子系統(tǒng)的模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子等。其中，聲學包材料的吸聲系數(shù)和插入損失需要通過試驗測試的方法獲得。

整車SEA 模型的準確性是進行聲學包優(yōu)化設(shè)計的前提，為了使整車SEA 模型更加完善、車內(nèi)噪聲預測結(jié)果更為準確，測量了車內(nèi)聲學包裝材料的吸隔聲特性，并將其加入到所研究的整車SEA模型中。

2  聲學包吸隔聲性能定義

整車SEA 模型的準確性是進行聲學包優(yōu)化設(shè)計的前提，為了使整車SEA 模型更加完善、車內(nèi)噪聲預測結(jié)果更為準確，測量了車內(nèi)聲學包裝材料的吸隔聲特性，并將其加入到所研究的整車SEA模型中。

對防火墻、地板、行李箱地板等主要車身部件的聲學包材料，在體積為9m3的混響室內(nèi)進行了吸聲測試，其中測試樣件的尺寸為1m 1.2m，如圖3所示。


采用聲強法在由相連的混響室、消聲室構(gòu)成的測試環(huán)境中進行部件隔聲性能試驗。試驗過程中，在混響室（聲源室）窗口右側(cè)墻角處放置無指向聲源，在離窗口1 米的距離處放置4 個聲壓傳感器測量混響室的平均聲壓級。其中，4個傳聲器間距為30cm，第一個傳聲器與左側(cè)墻壁距離為195cm，傳聲器布置高度從左到右依次為150cm，160cm，170cm，180cm。在消聲室內(nèi)安裝聲強探頭，測量試件測量面的平均法向聲強級，需要強調(diào)的是消聲室內(nèi)各測點分布在一個假想的、將測試樣件覆蓋的半球形包絡(luò)面上。對防火墻、地板、行李箱地板、前車門、后車門等主要車身部件鈑金及粘附聲包材料后進行了隔聲量測試，如圖4所示。



將試驗測得的聲學包零件的吸聲系數(shù)曲線和插入損失曲線定義至整車SEA模型中。


3  聲載荷測試

傳對所研究樣車進行整車聲載荷測試，以獲取不同工況下車身外側(cè)聲激勵分布與車內(nèi)噪聲響應，從而為整車SEA模型車內(nèi)聲響應預測提供載荷輸入，通過SEA模型預測聲響應結(jié)果與試驗結(jié)果對比，就可以驗證整車SEA模型的準確性。

根據(jù)噪聲載荷分布特點和車身結(jié)構(gòu)SEA 子系統(tǒng)劃分規(guī)則，將車身劃分為不同的聲腔。然后將麥克風布置于車身各區(qū)域表面，每個區(qū)域布置不少于3 個傳聲器，與車身之間的距離為5cm。聲載荷測試時過程中麥克風布置如圖5所示。



在整車半消聲室轉(zhuǎn)鼓上進行聲載荷測試，采用兩驅(qū)轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓面選擇標準噪聲路面。通過數(shù)據(jù)采集前端和傳聲器，分別記錄怠速、加速、勻速工況下車輛各測點位置傳聲器的聲壓級。對處于同一聲腔中的傳聲器測試數(shù)據(jù)進行能量平均，計算得到的數(shù)據(jù)即為對應聲腔位置的聲載荷數(shù)據(jù)。

4  車內(nèi)高頻噪聲分析與對標

通過建立好的整車SEA 模型，計算將全負荷加速WOT 工況下的車內(nèi)噪聲，轉(zhuǎn)速變換范圍為1000~8000rpm。切片提取5000rpm 工況下測得的車身外表面的聲壓數(shù)據(jù)施加于整車SEA模型對應的外聲腔空間子系統(tǒng)。聲載荷通過面連接向車內(nèi)傳遞引起車內(nèi)聲響應，進行車內(nèi)噪聲響應分析，并與試驗結(jié)果進行對標，如圖6 所示。由圖6 可知，基于SEA 模型的駕駛員右耳旁1/3 倍頻帶聲壓級譜的預測結(jié)果與試驗結(jié)果整體趨勢一致，誤差可控制在3dB 以內(nèi)，具有較高的精度。



5  結(jié)論

本文采用統(tǒng)計能量方法對電動汽車車內(nèi)高頻噪聲進行了分析。建立了整車SEA模型，通過吸聲系數(shù)試驗和插入損失試驗測量了聲學包的吸隔聲特性；在整車SEA模型中加載測試得到的聲載荷激勵，實現(xiàn)了整車高頻噪聲的計算。仿真和試驗結(jié)果對比表面，本文建立的整車SEA模型具有較高的準確性，可以較為精確實現(xiàn)車內(nèi)高頻噪聲的計算。

參考文獻:
[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動：理論與應用[M].北京理工大學出版社，2006.
[2]劉濤，顧彥，等.統(tǒng)計能量分析在汽車車內(nèi)噪聲分析中的應用[J].噪聲與振動控制，2006，26（2）：66-69.
[3]Chadwyck Musser.Prediction of Vehicle Interior Sound Pressure Distribution with SEA[C].SAE Paper，2011.
[4]Liangyu Huang，Pamkumar Krishnan. Development of a luxury vehicle acoustic package using SEA full vehicle model [C]. SAE Paper，2003.
[5]王震坡，何洪文.統(tǒng)計能量方法用于汽車振動噪聲的分析研究[J].汽車科技，2001（6）：10-12.
[6]王登峰，陳書明，曲偉，等.車內(nèi)噪聲統(tǒng)計能量分析預測與試驗[J].吉林大學學報（工），2009（s1）：68-73.
[7]賀巖松，張輝，等.基于FE-SEA混合法的車身板件降噪分析[J].振動與沖擊，2016，35（23）：234-240.