汽車的輕量化一直是產(chǎn)品研發(fā)永恒追求的目標(biāo)；對于傳統(tǒng)汽車而言，汽車輕量化技術(shù)由于可有效減少污染物和降低碳排放，研究表明，汽車質(zhì)量每下降10%，油耗下降約8%，排放下降約4%，節(jié)能減排效果非?？捎^！對于新能源汽車，輕量化的效益更是不言而言，能夠有效提高續(xù)航里程，緩解用戶的里程焦慮。

由于車身在整車重量占比最大，所以主要的減重目標(biāo)就是在它身上，目前重點(diǎn)的發(fā)展方向是高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金或塑料等新材料的技術(shù)應(yīng)用。比如奧迪A8和特斯拉電動(dòng)車就采用了全鋁車身，其他主機(jī)廠都花大力氣在輕量化研發(fā)上下功夫。

當(dāng)然作為車身上一個(gè)重要的聲學(xué)降噪套裝——聲學(xué)包裝，也能為整車減重貢獻(xiàn)一部分，雖然不多，也是能摳一點(diǎn)是一點(diǎn)的。據(jù)我們統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，大部分汽車的聲學(xué)包裝重量一般在20-30kg，如果能降低10%，那也是3kg的貢獻(xiàn)。不同的重量對應(yīng)不同級別的性能，性能與重量之間的比值也是衡量聲學(xué)包設(shè)計(jì)水平的一個(gè)指標(biāo)。如何高效的利用每一克重量，發(fā)揮最大的的降噪效果也是一個(gè)重要的研究課題。



下面就以三個(gè)方面來介紹下如何進(jìn)行汽車的聲學(xué)包裝輕量化設(shè)計(jì)。

·  聲學(xué)包裝設(shè)計(jì)輕量化的數(shù)學(xué)解釋

·  輕量化設(shè)計(jì)的思路和策略

·  電動(dòng)汽車的輕量化設(shè)計(jì)

聲學(xué)包裝設(shè)計(jì)輕量化的數(shù)學(xué)解釋

根據(jù)隔聲理論，零件的隔聲量跟單位面積質(zhì)量成正相關(guān)，滿足質(zhì)量定律（mass law）：單位面積質(zhì)量增加一倍，其隔音量增加6dB。對于雙層板，增加的斜率會更高，增加12-18dB。
STL=20log（m*f）-42.5 m-單位面積質(zhì)量；f-頻率

可以看到如果要增加零件的隔聲性能，必須要要增加質(zhì)量，不存在一個(gè)輕量化的方案，還能提升性能的，簡直是天方夜談！就在這里性能工程師就跟重量工程師結(jié)下了恩怨！

在前面如何進(jìn)行汽車聲學(xué)包的正向設(shè)計(jì)中，我們介紹了聲學(xué)包裝工程師應(yīng)該具有系統(tǒng)思考的能力，在這里就派上用場了。真實(shí)的汽車聲傳遞損失不單單是一個(gè)零件決定的，在文獻(xiàn)1中，建立了一個(gè)混響-消聲模型，利用統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）推導(dǎo)了整體的聲傳遞損失表達(dá)式。

從源頭到接收者整個(gè)路徑上的傳遞損失是由三部分組成的，聲源附近的吸音、路徑上的隔音和接受者附近的吸音組成。所以針對前面提到的問題，似乎找到一個(gè)完美的答案。提高吸音性能來彌補(bǔ)因減重導(dǎo)致的隔音降低，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的聲傳遞損失，簡單的說就是“以吸代隔”。上述推導(dǎo)是嚴(yán)格遵行數(shù)學(xué)原理的，所以從數(shù)學(xué)上找到了輕量化的合理性解釋。



輕量化設(shè)計(jì)的思路和策略

聲學(xué)包裝輕量化策略主要從以下三個(gè)層面上進(jìn)行。
·  整車級層面：注重于目標(biāo)最優(yōu)分解和布置位置的最優(yōu)分配；
·  總成級層面：注重于對于某一個(gè)區(qū)域的主要部件進(jìn)行厚度分布、材料組合配置。
·  材料級層面：注重于超細(xì)纖維材料的工藝制造與研發(fā)

①整車層面優(yōu)化設(shè)計(jì)

車內(nèi)噪聲成分主要組成有兩類：空氣聲和結(jié)構(gòu)聲。聲學(xué)包裝主要解決的中高頻噪聲問題，在汽車上，通常以400-10KHz頻段來進(jìn)行評價(jià)，它是一個(gè)寬頻帶聲源，不針對某一個(gè)的單頻的聲音。對于400Hz以下的聲源，效果就很有限。即使使用再多的材料，也不會以很好的效果，所以對于主機(jī)廠整車性能開發(fā)而言，如何將車內(nèi)的中高頻噪聲分離出來，性能目標(biāo)設(shè)定的不冗余，那么這就是輕量化設(shè)計(jì)的第一步。



分離結(jié)構(gòu)聲和空氣聲常用的方法就是TPA（傳遞路徑分析）。得到車內(nèi)噪聲的這個(gè)目標(biāo)后，再根據(jù)聲源的位置設(shè)定分區(qū)域的目標(biāo)，比如針對動(dòng)力總成噪聲設(shè)定前圍隔音指標(biāo)（PNR），針對輪胎的輻射噪聲，設(shè)定輪胎隔音指標(biāo)（TNR），針對排氣噪聲設(shè)定指標(biāo)（ENR）。針對前圍隔音，在通過貢獻(xiàn)量分析（CA），分解到前圍區(qū)域、腳踏區(qū)域、前風(fēng)擋區(qū)域和前側(cè)位區(qū)域和機(jī)艙區(qū)域分別再設(shè)定插入損失（IL）或者吸音量（Ab）指標(biāo)。這里面可以用到優(yōu)化算法。以車內(nèi)聲學(xué)包裝零件重量為目標(biāo)，以噪聲為約束條件，以零件的插入損失和吸音量為優(yōu)化變量，就可以優(yōu)化計(jì)算得到各個(gè)板塊的最優(yōu)目標(biāo)。整車層面上更關(guān)注性能的分解和優(yōu)化。

②總成零件優(yōu)化

針對每一個(gè)區(qū)域的隔音目標(biāo)，那么如何對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)才能達(dá)到目標(biāo)要求。這一層級的就是總成級的優(yōu)化。比如分解到內(nèi)前圍的插入損失指標(biāo)是10dB，那么如何選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能達(dá)到要求。

常用的內(nèi)前圍材料，一般都是以下三種材料組合：

1、重層質(zhì)量耦合結(jié)構(gòu)：可變密度質(zhì)量層優(yōu)化

2、吸音-隔音-吸音結(jié)構(gòu)：嵌入纖維或者發(fā)泡材料的三明治結(jié)構(gòu)， 吸音和隔音混合匹配
3、雙阻抗耗纖維耗散結(jié)構(gòu)：軟硬層纖維搭配，偏重吸音型輕量化

以上三種組合成的總成重量一次是從重到輕，其隔音性能是逐步降低的，但是吸音性能是逐步提升的。所以針對不同的目標(biāo)要求和聲源特性，需要進(jìn)行最佳的匹配。



在一些國外的知名汽車公司，在平臺架構(gòu)研發(fā)階段根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的型號和車型定位，基本就制定好了不同平臺下不同車型的材料組合。比如針對豪華車車型，就偏向于選擇傳統(tǒng)隔音型，以發(fā)揮最好的靜音效果。對于中低端產(chǎn)品，可以逐步向耗散型吸音材料下探，做到性能和重量的平衡。當(dāng)然在平臺架構(gòu)開發(fā)階段，空間和位置都已經(jīng)預(yù)留好了，就已經(jīng)考慮到了聲學(xué)包裝性能的發(fā)揮潛力，所以到了車型開發(fā)階段工作就少了很多。



3、材料級輕量化設(shè)計(jì)

吸音材料大部分是由纖維類和棉氈類材料組成的，纖維類材料主要聚氨纖維（polyester）、聚丙烯纖維(polypropylene)和玻璃棉（fiber）等化學(xué)合成材料，棉氈類主要有廢紡氈（shoddy）、棉氈（cotton）。由于對車內(nèi)用材的環(huán)保性能的要求，所以汽車上主要用到的就是纖維類材料。

纖維類根據(jù)直徑大小可以分為粗纖維和超細(xì)纖維，由于粗纖維具有良好的流阻性能，所以具有更優(yōu)的吸音性能和重量優(yōu)勢。這部分的輕量化研究主要就是供應(yīng)商進(jìn)行的，比如超材料的性能研究。



電動(dòng)汽車的輕量化設(shè)計(jì)

電動(dòng)車由于沒有了內(nèi)燃機(jī)，噪聲源輻射能量變小了，是否可以更容易的推廣輕量化方案？這樣理解是片面的，我們從兩個(gè)方面來進(jìn)行解釋

·  聲源的變化：電動(dòng)汽車由于沒有內(nèi)燃機(jī)的隱蔽效應(yīng)，路面噪聲和風(fēng)噪聲車內(nèi)噪聲將更加突出，在加速時(shí)的電機(jī)嘯叫、機(jī)艙內(nèi)的各種輔機(jī)和熱泵的噪聲也凸顯出來，所以在底部隔音和聲源位置包裹顯得更加重要。但是有一點(diǎn)的是對于電動(dòng)車內(nèi)前圍對中低頻的隔音要求放松，主要對中高頻噪聲的阻隔，所以可以選擇輕薄、偏重于吸音性能的材料組合。

·  車內(nèi)聲場的變化：很多電動(dòng)車配備了主動(dòng)降噪系統(tǒng)和車內(nèi)的主動(dòng)發(fā)聲音效設(shè)計(jì)，還有比如向奧迪e-tron的8D環(huán)繞音效，這些功能配置最大潛力發(fā)揮就更需要使車內(nèi)的靜音性需要做的更好。

e-tron是奧迪的首款電動(dòng)車型，它的聲學(xué)包裝的配置基本可以窺探到一些新能源車型的控制策略。動(dòng)畫配圖可以參考奧迪e-tron的聲學(xué)材料布置那一期視頻中，它在聲學(xué)包方面設(shè)計(jì)付出了不亞于傳統(tǒng)車的配置，主要特點(diǎn)有：關(guān)注與聲源處的降噪處理，包括對前后電機(jī)的包裹，對于前圍和地毯仍然采用的是重層+發(fā)泡組合質(zhì)量彈簧耦合傳統(tǒng)配置。
綜合以上，不見得新能源車型就比傳統(tǒng)車在聲學(xué)包裝配置方面可以放松。



總結(jié)：

1、聲學(xué)包裝輕量化策略主要從以下三個(gè)層面上進(jìn)行：整車級、總成級和材料級層面。整車層面注重于目標(biāo)最優(yōu)分解和布置位置的最優(yōu)分配；總成級注重于對于某一個(gè)區(qū)域的主要部件進(jìn)行厚度分布、材料組合配置。材料級注重于超細(xì)纖維材料的工藝制造與研發(fā)。

2、對于電動(dòng)車車型，由于聲源的變化和車內(nèi)聲場的更高要求，需要車內(nèi)的基礎(chǔ)靜音性能做得更好，因此對聲學(xué)包裝的設(shè)計(jì)可能會更加精細(xì)和苛刻。

參考文獻(xiàn)
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2 Generalized Light-Weight Concepts Improving the Acoustic Performance of Less than 2500 gm2 Insulators SAE 2009-01-2136
3 An Acoustic Target Setting and Cascading Method SAE 2019-01-1581