摘要：實(shí)現(xiàn)聲學(xué)包性能與輕量化的平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)是聲學(xué)工程師密切關(guān)注的問(wèn)題。通過(guò)分析噪聲傳遞至車內(nèi)的路徑，提出防火墻鈑金-通風(fēng)口鈑金-儀表臺(tái)組合系統(tǒng)可近似視作雙層板隔聲結(jié)構(gòu)，基于此思路進(jìn)行SEA分析確認(rèn)防火墻系統(tǒng)中不同區(qū)域組合系統(tǒng)對(duì)隔聲性能的影響與貢獻(xiàn)量。然后對(duì)內(nèi)前圍可行材料進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)合貢獻(xiàn)量制定加權(quán)極差指標(biāo)，以此提出聲學(xué)包優(yōu)化方案，并制作優(yōu)化樣件進(jìn)行裝車試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明優(yōu)化方案在部件與整車性能基本不變的條件下降低重量40%以上，達(dá)到了性能與輕量化平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。汽車已成為人類不可缺少的交通工具之一，但是隨著汽車保有量的增加，也帶來(lái)了相關(guān)能源危機(jī)、尾氣污染等問(wèn)題。研究顯示，若汽車整車質(zhì)量降低10%，燃油消耗可降低6%～8%，CO2排放也會(huì)大幅降低，整車輕量化成為汽車行業(yè)節(jié)能減排的主要方向。汽車聲學(xué)包是車內(nèi)噪聲處理的主要零部件，隔聲性能是其最主要的聲學(xué)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。而聲學(xué)包隔聲性能與重量存在強(qiáng)相關(guān)的聯(lián)系，如何在聲學(xué)包性能與輕量化之間進(jìn)行平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)成為工程師密切關(guān)注的問(wèn)題。Claudio等提出了一種對(duì)吸聲和隔聲性能進(jìn)行平衡優(yōu)化的算法,能夠在保持性能不變的條件下實(shí)現(xiàn)聲學(xué)包輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。Zhang 等通過(guò)使用不同密度毛氈組合樣件替代傳統(tǒng)重軟層內(nèi)前圍，在實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)能夠有效改善車內(nèi)中高頻噪聲性能。鄧江華等綜合考慮電動(dòng)車聲源分布特征，結(jié)合試驗(yàn)與仿真方法對(duì)聲學(xué)包材料BIOT 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到聲學(xué)包輕量化要求。綜上所述，學(xué)者們?cè)诼晫W(xué)包輕量化設(shè)計(jì)上取得了一定成果。然而在聲學(xué)工程師的典型思維中，聲學(xué)包零部件往往采用單一材料組分，未結(jié)合傳遞路徑貢獻(xiàn)量差別進(jìn)行不同組合設(shè)計(jì)，存在聲學(xué)包性能過(guò)設(shè)計(jì)且重量無(wú)法把控的弊端。本文基于統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA)原理，綜合路徑貢獻(xiàn)量與聲學(xué)包方案組合靈敏度指標(biāo)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)聲學(xué)包性能與輕量化平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 計(jì)算原理

1.1 聲學(xué)材料Biot參數(shù)

聲學(xué)材料的聲學(xué)行為受5個(gè)Biot 參數(shù)(孔隙率、流阻率、彎曲度、黏性特性長(zhǎng)度和熱特性長(zhǎng)度)以及3個(gè)力學(xué)參數(shù)(楊氏模量、泊松比和損耗因子)影響，其中力學(xué)參數(shù)只影響彈性質(zhì)地材料(如PUR 發(fā)泡等)，不考慮力學(xué)參數(shù)對(duì)非彈性質(zhì)地材料(如PET毛氈等)性能影響。利用有限元傳遞矩陣方法(FTMM)可以對(duì)聲學(xué)包材料吸隔聲性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.2 雙層板隔聲原理

單層板隔聲性能一般遵循質(zhì)量定律，其室溫狀態(tài)下隔聲性能計(jì)算公式為

其中：m為單層板面密度，f為頻率。雙層板系統(tǒng)包括3個(gè)區(qū)域，兩層板以及中間的空氣夾層。由Sharp 推導(dǎo)出的表達(dá)式可以在不同頻率范圍內(nèi)預(yù)測(cè)雙層板系統(tǒng)隔聲性能。頻率在低于系統(tǒng)共振頻率fc時(shí)傳遞損失計(jì)算公式如式(2)所示；頻率在大于系統(tǒng)共振頻率fc 且小于雙層板系統(tǒng)中空腔共振頻率fa時(shí)傳遞損失計(jì)算公式如式(3)所示；頻率在大于雙層板系統(tǒng)中空腔共振頻率fa時(shí)傳遞損失計(jì)算公式如式(4)所示，空腔共振頻率fa計(jì)算公式如式(5)所示。

其中：m1和m2分別為雙層板系統(tǒng)中兩個(gè)單層板的面密度,STL1和STL2分別為根據(jù)質(zhì)量定律計(jì)算得到的兩個(gè)單層板傳遞損失，d為雙層板之間的空腔厚度。由式(2)可知，此狀態(tài)下的隔聲性能近似滿足質(zhì)量定律，由式(3)與式(4)可知，在大于共振頻率fc的區(qū)域，雙層板隔聲系統(tǒng)STL 會(huì)明顯高于同等質(zhì)量的單層板。車身上雙層板隔聲系統(tǒng)傳統(tǒng)理論上應(yīng)用于前圍板、地板的金屬板位置，金屬板和聲學(xué)包(內(nèi)前圍、地毯等)隔聲層可以看成是一個(gè)雙層隔聲系統(tǒng)，而中間的吸聲層可以看成是一個(gè)空氣夾層。

1.3 部件組合系統(tǒng)的傳遞損失TL理論

對(duì)于一個(gè)組合系統(tǒng)而言，其內(nèi)部包含多個(gè)單層板、雙層板混合系統(tǒng)，隔聲性能TL表達(dá)式如下：

其中：Wi為從聲源聲腔入射的功率，Wt為傳遞到接收聲腔的功率。

1.4 AIWF-TL理論

在TL評(píng)價(jià)中一般采用各頻帶數(shù)值比較法，但此方法只能粗略判別大致水平，如果性能在不同頻帶存在增、減相反的趨勢(shì)，則無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估各頻帶TL變化對(duì)車內(nèi)語(yǔ)音清晰度改善情況。同時(shí)由于人耳對(duì)噪聲各頻帶感知水平不同，無(wú)法采用取各頻帶均值的方法進(jìn)行TL評(píng)價(jià)。針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合語(yǔ)音清晰度算法中的主要影響因素，提出AIWF-TL 指標(biāo)，可對(duì)防火墻隔聲水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，其定義如下：

式中：W( f)為語(yǔ)音清晰度AI計(jì)權(quán)系數(shù)，L( f)為TL數(shù)值，計(jì)算頻率范圍為400 Hz至6 300 Hz。

2 防火墻組合系統(tǒng)TL分析

2.1 常規(guī)防火墻TL仿真與測(cè)試驗(yàn)證

常規(guī)情況下，進(jìn)行防火墻隔聲分析時(shí)首先需建立防火墻的SEA模型，定義聲源室和接收室空腔，并將空腔子系統(tǒng)與防火墻進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)空氣聲的傳遞，然后在聲源側(cè)定義單位聲壓聲激勵(lì)，如圖1所示。通過(guò)TL 理論獲得防火墻鈑金件的隔聲性能，仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)防火墻隔聲量仿真模型

圖2 防火墻鈑金傳遞損失對(duì)比分析此模型可知，防火墻鈑金為單層鈑金，符合單層板隔聲原理，由此可判斷傳統(tǒng)防火墻隔聲量分析模型即鈑金模型只與鈑金克重有關(guān),各區(qū)域隔聲貢獻(xiàn)量基本一致。

2.2 防火墻組合系統(tǒng)TL驗(yàn)證與區(qū)域貢獻(xiàn)量對(duì)比

2.2.1 噪聲傳遞路徑分析從整車角度而言，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙噪聲傳遞至車內(nèi)主要有3條不同方向傳遞路徑，如圖3所示。

圖3 噪聲傳遞入射路徑(1)機(jī)艙噪聲通過(guò)防火墻鈑金中側(cè)區(qū)域，傳遞至儀表臺(tái)空腔內(nèi)，然后通過(guò)儀表臺(tái)的上側(cè)、中側(cè)、下側(cè)開(kāi)口傳遞至乘客頭部聲腔；(2)機(jī)艙噪聲通過(guò)空調(diào)通風(fēng)口聲腔流水槽鈑金，傳遞至空調(diào)通風(fēng)口外聲腔內(nèi)，然后通過(guò)防火墻上側(cè)鈑金傳遞至儀表臺(tái)內(nèi)，最后通過(guò)儀表臺(tái)的上側(cè)、中測(cè)、下側(cè)開(kāi)口傳遞至乘客頭部聲腔；(3)機(jī)艙噪聲通過(guò)防火墻鈑金下側(cè)腳踏區(qū)域，傳遞至車內(nèi)腳部聲腔，然后傳遞至乘客頭部聲腔。通過(guò)分析可知，空調(diào)通風(fēng)口鈑金與防火墻鈑金、儀表臺(tái)與防火墻鈑金及各空腔組成的多個(gè)板-空腔-板系統(tǒng)多次參與噪聲傳遞，此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)近似滿足雙層板理論。進(jìn)一步分析兩個(gè)組合系統(tǒng)中間空腔厚度，其最小厚度均在15 cm以上，由式(5)計(jì)算可知，fa最小頻率為366 Hz，此頻率小于聲學(xué)包分析頻率400 Hz至8 000 Hz，由此可推斷通風(fēng)口鈑金、儀表臺(tái)、防火墻鈑金組成的兩個(gè)雙層板系統(tǒng)根據(jù)聲學(xué)包分析頻段其隔聲量均滿足式（4）。由此可知，防火墻-通風(fēng)口-儀表臺(tái)組成的系統(tǒng)的上側(cè)、中側(cè)區(qū)域隔聲性能較常規(guī)防火墻分析模型即單層板系統(tǒng)有明顯提升，但由于考慮儀表臺(tái)與防火墻鈑金組成的雙層板系統(tǒng)下側(cè)為開(kāi)口結(jié)構(gòu)，實(shí)際隔聲效果會(huì)有削弱。2.2.2 防火墻組合系統(tǒng)TL驗(yàn)證分別搭建帶有空調(diào)通風(fēng)口、儀表臺(tái)區(qū)域的統(tǒng)計(jì)能量分析SEA模型，驗(yàn)證兩個(gè)雙層板系統(tǒng)對(duì)隔聲性能的影響，如圖4所示。增加通風(fēng)口、儀表臺(tái)后防火墻系統(tǒng)不同狀態(tài)時(shí)的隔聲仿真分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 防火墻組合系統(tǒng)SEA模型

圖5 不同狀態(tài)組合系統(tǒng)隔聲性能對(duì)比

圖6 防火墻區(qū)域劃分通過(guò)仿真可知，增加通風(fēng)口、儀表臺(tái)結(jié)構(gòu)后，防火墻整體隔聲性能可提升約4 dB，初步判斷形成多個(gè)雙層板結(jié)構(gòu)是性能提升的主要因素。2.2.3 區(qū)域TL貢獻(xiàn)量分析為驗(yàn)證防火墻各區(qū)域組成雙層板結(jié)構(gòu)后的隔聲性能變化，可將防火墻系統(tǒng)分成3個(gè)區(qū)域，上、中、下側(cè)分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)雙層板系統(tǒng)、一個(gè)雙層板系統(tǒng)、單層板系統(tǒng)，如圖6所示。由此分別驗(yàn)證3個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的獨(dú)立系統(tǒng)的隔聲量及對(duì)整體系統(tǒng)輸入功率的貢獻(xiàn)量占比，如圖7所示。結(jié)合仿真分析結(jié)果，可得以下結(jié)論：(1)增加通風(fēng)口鈑金結(jié)構(gòu)后，防火墻上側(cè)區(qū)域隔聲性能可提高20 dB 以上，可知通風(fēng)口空腔與鈑金組成的雙層板結(jié)構(gòu)可明顯提升整體隔聲性能；防火墻上側(cè)區(qū)域在增加通風(fēng)口的基礎(chǔ)上，增加儀表臺(tái)結(jié)構(gòu)，全頻段隔聲量可增加約1 dB，鈑金與儀表臺(tái)組成的半封閉雙層板結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提升隔聲性能；

圖7 區(qū)域系統(tǒng)隔聲性能與貢獻(xiàn)量對(duì)比(2)增加儀表臺(tái)結(jié)構(gòu)后，防火墻中側(cè)區(qū)域組成的半封閉雙層板結(jié)構(gòu)全頻段隔聲量可增加約1 dB，整體性能略有提升；(3)增加儀表臺(tái)結(jié)構(gòu)后，防火墻下側(cè)區(qū)域由于未與儀表臺(tái)組成雙層板結(jié)構(gòu)，隔聲性能未提升；(4)由各區(qū)域聲功率貢獻(xiàn)量可知，鈑金下側(cè)輸入的功率占比在各頻段平均可達(dá)58%，鈑金中側(cè)輸入的功率占比平均可達(dá)39%，鈑金上側(cè)輸入的功率占比平均只有3%。在防火墻組合系統(tǒng)噪聲傳遞路徑中，鈑金下側(cè)與鈑金中側(cè)是主要的功率貢獻(xiàn)路徑，而鈑金上側(cè)貢獻(xiàn)量非常小，以此可確認(rèn)防火墻與通風(fēng)口、儀表臺(tái)組成的多個(gè)雙層板系統(tǒng)可明顯提升各區(qū)域隔聲性能。而在傳統(tǒng)內(nèi)前圍設(shè)計(jì)中，所有區(qū)域均采用同材料組成、克重設(shè)計(jì)，未結(jié)合隔聲性能傳遞路徑貢獻(xiàn)量強(qiáng)弱進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，造成成本、重量增加。接下來(lái)基于此結(jié)論進(jìn)行內(nèi)前圍輕量化與性能平衡設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

3 聲學(xué)包性能與輕量化平衡優(yōu)化

3.1 聲學(xué)包材料Biot參數(shù)識(shí)別

以某開(kāi)發(fā)車型中一個(gè)內(nèi)前圍隔音墊為例，其材料設(shè)計(jì)參數(shù)為局部PET 毛氈+EVA+PUR 發(fā)泡，如圖8所示。通過(guò)試驗(yàn)手段識(shí)別樣件的Biot性能，如表1所示。將根據(jù)預(yù)測(cè)得到的Biot 參數(shù)加載到SEA模型，可預(yù)測(cè)不同材料組合工況下的吸隔聲性能。表1 內(nèi)前圍材料Biot參數(shù)列表

3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于防火墻系統(tǒng)AIWF-TL 性能對(duì)內(nèi)前圍進(jìn)行輕量化與性能綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用正交試驗(yàn)方法中的極差值判定材料方案靈敏度。對(duì)防火墻鈑金上、中、下側(cè)分別進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中鈑金上側(cè)、中側(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中考慮了3個(gè)不同的因素與層次；鈑金下側(cè)由于底部要與地毯搭接，無(wú)法增加PET毛氈設(shè)計(jì)，只考慮2個(gè)因素和3個(gè)層次，最終因子等級(jí)表如表2所示?；诜阑饓ο到y(tǒng)SEA模型，仿真計(jì)算了不同組合方案中防火墻系統(tǒng)AIWF-TL性能變化結(jié)果。

3.3 優(yōu)化結(jié)果及加權(quán)極差分析

采用正交試驗(yàn)法得到了防火墻系統(tǒng)上、中、下側(cè)AIWF-TL 性能在各自狀態(tài)下的9 組數(shù)據(jù)。表3為各個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)和基于SEA 方法預(yù)測(cè)的相應(yīng)AIWF-TL性能。根據(jù)表3的結(jié)果計(jì)算各因子在各水平的平均AIWF-TL值，表4中T1、T2、T3分別為各因子在單層次下相關(guān)試驗(yàn)組的平均AIWF-TL值，然后計(jì)算各因子平均AIWF-TL的極差值，如表4中R所示。表2 防火墻系統(tǒng)隔聲性能優(yōu)化因子等級(jí)表

圖8 原方案內(nèi)前圍隔音墊表3 防火墻因子正交試驗(yàn)表和仿真AIWF-TL數(shù)值

表4 防火墻正交試驗(yàn)AIWF-TL極差數(shù)值/dB

極差值可以作為優(yōu)化因子和防火墻系統(tǒng)各局部對(duì)AIWF-TL 性能敏感參數(shù)，也就是極差值越大，對(duì)系統(tǒng)隔聲性能影響越大。但其不能充分表示防火墻系統(tǒng)整體所受到的影響，這里定義加權(quán)極差，也就是優(yōu)化因子極差與防火墻區(qū)域功率貢獻(xiàn)系數(shù)的乘積，如式(8)所示。得到的結(jié)果如表5所示。表5 防火墻各位置加權(quán)極差結(jié)果

根據(jù)表5對(duì)比不同區(qū)域的加權(quán)極差可知，防火墻下側(cè)區(qū)域的兩個(gè)優(yōu)化因子加權(quán)極差數(shù)值最高，此區(qū)域的EVA 與PURfoam 厚度參數(shù)均對(duì)系統(tǒng)隔聲影響最大，可知此區(qū)域應(yīng)采取基于隔聲性能最佳的設(shè)計(jì)方案；防火墻中側(cè)區(qū)域的3個(gè)優(yōu)化因子加權(quán)極差值次之，此區(qū)域影響較大的因子為PET 毛氈克重與PURfoam 厚度，而EVA 厚度在此區(qū)域影響較小，可知此區(qū)域可采用基于隔聲性能偏弱的設(shè)計(jì)方案；防火墻上側(cè)區(qū)域的3個(gè)優(yōu)化因子加權(quán)極差值最小，影響較小，可采用基于隔聲性能最弱的設(shè)計(jì)方案。

3.4 制定聲學(xué)包優(yōu)化方案

結(jié)合加權(quán)極差，這里定義兩種優(yōu)化方案：方案一為參考防火墻系統(tǒng)分區(qū)域加權(quán)極差排序，防火墻下、中、上分別以優(yōu)化因子最優(yōu)等級(jí)、中間等級(jí)、最差等級(jí)定義；方案二為根據(jù)所有加權(quán)極差數(shù)量級(jí)(＞1，＞0.1，＞0.01)進(jìn)行排序，3個(gè)數(shù)量級(jí)由大到小對(duì)應(yīng)優(yōu)化因子最優(yōu)等級(jí)、中間等級(jí)、最差等級(jí)定義。對(duì)兩種優(yōu)化方案，基于防火墻系統(tǒng)SEA模型分別進(jìn)行AIWFTL性能與重量計(jì)算，具體結(jié)果如表6所示。對(duì)于防火墻系統(tǒng)而言，結(jié)合加權(quán)極差提出的兩種優(yōu)化方案較原狀態(tài)方案AIWF-TL 性能降低約2 dB，但重量可降低約3.5 kg，重量降低比例可達(dá)40%以上，可知優(yōu)化方案能夠在重量明顯下降的基礎(chǔ)上保持性能基本持平。

4 優(yōu)化方案性能驗(yàn)證

4.1 防火墻系統(tǒng)隔聲性能驗(yàn)證

對(duì)比方案二與方案一可知，方案二AIWF-TL性能提升約1 dB，但質(zhì)量增加約0.3 kg，整體性能相差不大，為明確優(yōu)化方案具體影響，基于防火墻組合系統(tǒng)SEA模型計(jì)算不同方案在各頻段的隔聲量性能水平，仿真數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 不同方案中防火墻組合系統(tǒng)隔聲量對(duì)比方案一與原方案相比，在1 000 Hz至8 000 Hz頻段隔聲性能基本持平，但在400 Hz至630 Hz 頻段，隔聲性能降低約5 dB 以上，低頻隔聲性能降低明顯。方案二與方案一相比在400 Hz至1 000 Hz隔聲性能可提升約4 dB，同時(shí)與原方案隔聲性能基本持平。綜合AIWF-TL、各頻段隔聲量和總體重量性能指標(biāo)可知，方案二雖較方案一重量增加0.3 kg，但性能上更接近原方案，整體風(fēng)險(xiǎn)較小，選擇此方案作為最終的優(yōu)化方案。

4.2 整車性能驗(yàn)證

基于優(yōu)化方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)，制作優(yōu)化樣件，將優(yōu)化樣件安裝在整車上，測(cè)試全油門加速工況下車內(nèi)噪聲變化，其中3 000r/min 工況下的車內(nèi)變化結(jié)果如圖10所示。

圖10 3 000r/min工況下車內(nèi)噪聲對(duì)比在根據(jù)優(yōu)化方案更換內(nèi)前圍隔音墊后，車內(nèi)噪聲只在800 Hz頻段附近略有增大，單頻率幅值不超1 dB（A），由此可判斷整車聲學(xué)性能基本無(wú)衰減，滿足了聲學(xué)性能與輕量化的平衡設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)貢獻(xiàn)量和靈敏度分析的方法，提出加權(quán)極差指標(biāo)，根據(jù)此指標(biāo)得到性能與輕量化平衡的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使得內(nèi)前圍零件重量降低42%，同時(shí)保證了整車性能無(wú)衰減?；诜治鼋Y(jié)果，可得出一些結(jié)論可作為聲學(xué)包性能與輕量化平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的依據(jù)和參考，概括如下：（1）為滿足車身功能而設(shè)計(jì)的板件與空腔會(huì)組成雙層板結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)隔聲，從而改變傳遞路徑對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量，降低聲學(xué)包性能要求；（2）根據(jù)結(jié)合正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)極差值與噪聲貢獻(xiàn)量制定的加權(quán)極差，可有效判定材料方案對(duì)整體性能的影響，對(duì)指導(dǎo)聲學(xué)包設(shè)計(jì)有重要作用；表6 聲學(xué)包優(yōu)化方案列表與性能、重量變化效果

（3）根據(jù)文中的聲學(xué)包材料優(yōu)化僅考慮特定厚度與克重下的材料優(yōu)化，但實(shí)際零部件組成的厚度與克重非均勻分布，因此在全面考慮厚度與克重分布基礎(chǔ)上確認(rèn)最優(yōu)的參數(shù)將是后續(xù)研究的內(nèi)容。

作者：張?zhí)煊?，鄧江華，孟祥龍，黃曉迪

中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司