摘要：在聲學(xué)包開發(fā)過程中，聲學(xué)包的參數(shù)確定和整車性能預(yù)測一般要早于車身開發(fā)，這就需要在項(xiàng)目早期對聲學(xué)包進(jìn)行仿真分析。目前，國內(nèi)外主機(jī)廠廣泛認(rèn)可的聲學(xué)包仿真分析方法是基于統(tǒng)計(jì)能量分析原理。對于聲學(xué)包材料本身，一般基于BIOT理論模型，通過九大參數(shù)等進(jìn)行模擬仿真。針對某款在研車型，建立整車聲學(xué)包統(tǒng)計(jì)能量法模型。對乘員頭部聲壓進(jìn)行傳遞路徑分析，找到貢獻(xiàn)量大的聲學(xué)包部件。對這些聲學(xué)包的BIOT九大參數(shù)進(jìn)行測試，通過對幾種材料的參數(shù)進(jìn)行分析，找到性能參數(shù)最佳的材料組合，從而達(dá)到優(yōu)化整車聲學(xué)包性能的目的。汽車聲學(xué)包是NVH性能控制的重要途徑，隨著用戶對NVH性能要求的提高，聲學(xué)包NVH設(shè)計(jì)受到主機(jī)廠的廣泛關(guān)注。設(shè)計(jì)聲學(xué)包時(shí)一般主要考慮材料類型、吸隔聲性能、面密度、厚度等參數(shù)，對于BIOT九大參數(shù)考慮較少。而九大參數(shù)中的某些參數(shù)對于部件吸隔聲性能影響較大，所以對于聲學(xué)包參數(shù)中主要影響因素的控制是十分必要的。國內(nèi)外學(xué)者針對整車SEA分析方法和BIOT九大參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，Martin等通過對損耗因子進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)基于整車SEA仿真模型的對結(jié)構(gòu)傳遞路徑和空氣傳遞路徑的預(yù)測，侯獻(xiàn)軍等建立整車SEA模型，進(jìn)行了車門隔聲量優(yōu)化和變速箱嘯叫控制。王毅剛等使用整車SEA模型模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，對風(fēng)噪聲傳播特性進(jìn)行分析。王連會(huì)等分析了流阻率、孔隙率等對材料吸聲性能的影響。姜洋等使用整車SEA模型對車內(nèi)聚氨酯泡沫（PU）進(jìn)行吸隔聲特性研究。本文基于統(tǒng)計(jì)能量方法建立整車SEA模型，在轉(zhuǎn)鼓消聲室內(nèi)測試聲載荷，在模型上進(jìn)行傳遞路徑（TPA）分析，識別出影響車內(nèi)噪聲響應(yīng)的主要聲學(xué)包部件。采用加拿大Mecanum公司的多孔材料測試設(shè)備對主要的聲學(xué)包部件進(jìn)行BIOT參數(shù)測試，聯(lián)合VA One與FOAM-X軟件對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文通過對聲學(xué)包九大參數(shù)中主要影響因素的控制，實(shí)現(xiàn)了對于整車NVH性能的更好控制。

1 統(tǒng)計(jì)能量方法原理

20世紀(jì)60年代，R.H.LYON整理發(fā)表了統(tǒng)計(jì)能量方法。其基本思想是將一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)，見圖1。

圖1 系統(tǒng)功率流平衡示意圖統(tǒng)計(jì)能量分析的基本方程是功率流平衡方程。對每一個(gè)子系統(tǒng)都可以列出聲學(xué)或振動(dòng)功率流平衡方程，即輸出功率等于輸入功率加功率損耗。將整個(gè)系統(tǒng)的功率流平衡方程簡化為矩陣形式，得到的系統(tǒng)方程式如式(1)所示。

式中：ω為分析帶寬內(nèi)的中心頻率(Hz)；Pi為時(shí)間平均上的輸入能量(W)；ηij為從子結(jié)構(gòu)i到子結(jié)構(gòu)j的耦合損耗因子；ηi為子結(jié)構(gòu)i的內(nèi)損耗因子；ni為子結(jié)構(gòu)i的模態(tài)密度(rad/s)；Ei為子結(jié)構(gòu)i的能量(J)。式(1)是用統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)建模分析的基本表達(dá)式，式中包含了模態(tài)密度、阻尼損耗因子、耦合損耗因子等，還包含了待輸入的外界載荷數(shù)據(jù)。求解式(1)，得到每個(gè)子系統(tǒng)的平均能量Ei，再根據(jù)式(2)對系統(tǒng)振動(dòng)速度、面平均壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測。

式中：

2 BIOT理論原理

基于熱和黏性效應(yīng)，多孔彈性材料內(nèi)部具有較好的能量耗散機(jī)制，所以在聲場中常用來作為吸聲材料。BIOT理論解釋了多孔彈性材料中的聲振現(xiàn)象。在BIOT理論中，多孔材料由耦合的流體和固體方程來表征，3種波在開孔多孔介質(zhì)中傳播：流體和固體中的兩個(gè)耦合壓縮波和固體中的一個(gè)剪切波。正確地使用這一理論，必須知道每個(gè)波和固體中的一個(gè)剪切波，即必須知道每個(gè)相的內(nèi)在參數(shù)，見圖2。

圖2 基于BIOT理論多孔材料流固耦合示意圖根據(jù)BIOT理論，材料的流體相由開孔孔隙率φ、流阻率σ、扭曲度a∞、黏性特征長度Λ和熱特征長度Λ′表征，固體相由楊氏模量E、泊松比ν、結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子η和體密度ρ表征。在FOAM-X軟件中使用逆推算法計(jì)算BIOT參數(shù)。式(3)中矢量X由BIOT理論9個(gè)必要參數(shù)中的8個(gè)組成：孔隙率、流阻率、扭曲度、黏性和熱特征長度、楊氏模量、阻尼損耗因子和泊松比。體密度使用根據(jù)直接測量得到的結(jié)果。將實(shí)際測量的吸聲系數(shù)αm和計(jì)算得到的αn代入式（4），R(X)代表測試數(shù)據(jù)和理論曲線的接近程度，數(shù)值越小代表精度越高，通過數(shù)據(jù)迭代、擬合，逆推得到所需的參數(shù)。

3 整車統(tǒng)計(jì)能量方法模型建立

整車聲學(xué)包仿真是聲學(xué)包開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，是在項(xiàng)目初期進(jìn)行聲學(xué)包設(shè)計(jì)、性能預(yù)測的必要手段。建立整車SEA模型過程中的需遵循如下假設(shè)：(1)整車系統(tǒng)為弱耦合連接的保守耦合系統(tǒng)；(2)系統(tǒng)遵循能量線性疊加原理，所受激勵(lì)互不相關(guān)，統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立；(3)模型中簡化掉后視鏡、雨刮、天線、車門把手等外部結(jié)構(gòu)，忽略方向盤等內(nèi)部結(jié)構(gòu)；忽略鈑金上的加強(qiáng)板、筋，忽略縱梁內(nèi)的支撐板等。整車聲學(xué)包SEA建模一般包括以下幾個(gè)步驟：SEA子系統(tǒng)建立、SEA子系統(tǒng)參數(shù)定義、連接定義、載荷施加等。

3.1 SEA 子系統(tǒng)建立

對某款在研車型的車身3D數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化，根據(jù)零件號和模態(tài)相似性對車身主要板件進(jìn)行區(qū)域劃分，在保證單個(gè)子系統(tǒng)模態(tài)密度足夠的情況下，盡可能進(jìn)行細(xì)致劃分。本模型中，車身共劃分為553個(gè)子系統(tǒng)，其中包括平板子系統(tǒng)535個(gè)、單曲率板18個(gè)。模型中包含了139個(gè)聲腔，其中內(nèi)聲腔58個(gè)、外聲腔81個(gè)，如圖3所示。

圖3 整車SEA模型

3.2 SEA 子系統(tǒng)參數(shù)定義

子系統(tǒng)參數(shù)定義包括車身板件結(jié)構(gòu)定義及聲學(xué)包參數(shù)定義。其中車身板件結(jié)構(gòu)定義包括定義板件的材料、厚度、密度、彈性模量、泊松比、阻尼損耗因子等，部分板件結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。表1 部分板件結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)參數(shù)

聲學(xué)包參數(shù)一般需要分層（Treatment Lay-up）定義，即分別定義每一層的材料、厚度等。部分聲學(xué)包信息如表2所示。表2 部分聲學(xué)包信息

聲學(xué)包BIOT參數(shù)可由以下2種方法獲得：整體阻抗管逆推法和分層直接測試法。

3.3 連接定義

連接（Junction）分為點(diǎn)連接、線連接和面連接，保證能量在各個(gè)子系統(tǒng)間進(jìn)行儲存、傳遞和損耗。由于車身各鈑金件之間主要是通過焊接進(jìn)行連接，SEA模型中的點(diǎn)連接和線連接不能較好地模擬車身板件間的連接情況；且中高頻噪聲主要是通過板件之間的面連接進(jìn)行傳遞，點(diǎn)和線連接傳遞的能量較少。所以SEA模型中保留面連接，關(guān)閉點(diǎn)連接和線連接。

3.4 載荷施加

為了分析車輛在行駛過程中的車內(nèi)噪聲，需要加載該工況下的車身表面載荷。通常情況下，將車輛外部的輻射聲能量作為激勵(lì)，將車內(nèi)的聲壓信號作為外部聲能量激勵(lì)下的響應(yīng)。載荷提取一般在轉(zhuǎn)鼓消聲室內(nèi)進(jìn)行。將麥克風(fēng)均布于車身表面具有代表性的位置，如頂棚、車門、玻璃、機(jī)艙等位置。麥克風(fēng)距離車身表面15 cm～20 cm，采集100 Hz～8 000 Hz對應(yīng)位置的聲壓級。本次試驗(yàn)提取了怠速、60 km/h、80 km/h勻速工況下的聲載荷。將提取的聲載荷施加在車身外聲腔上，建立聲壓約束，如圖4所示。

圖4 聲載荷施加

4 車內(nèi)聲壓計(jì)算及傳遞路徑分析

4.1 車內(nèi)聲腔聲壓計(jì)算

外聲場測試得到的42個(gè)位置的聲壓級，包括前機(jī)艙區(qū)域、4個(gè)車輪區(qū)域、前后地板區(qū)域、前后車門區(qū)域、前后側(cè)窗玻璃區(qū)域、前擋風(fēng)玻璃區(qū)域、后風(fēng)窗及尾門區(qū)域等，作為激勵(lì)施加在SEA模型的對應(yīng)位置上。計(jì)算怠速和80 km/h工況下左前頭部和右后頭部聲腔聲壓。其中80 km/h工況下左前頭部聲壓對比如圖5所示。

圖5 80 km/h工況下左前頭部聲壓對比計(jì)算值和測試值的誤差均小于±2.5 dB，說明所建立的整車SEA模型精度較高，驗(yàn)證了采用SEA模型預(yù)測車內(nèi)噪聲的可行性，可用于后續(xù)的聲學(xué)包優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 基于功率流的聲學(xué)包貢獻(xiàn)量分析

車外噪聲通過多條路徑傳播至車內(nèi)，車內(nèi)某一聲腔的噪聲來源于相鄰聲腔的空氣傳播噪聲和板件的結(jié)構(gòu)噪聲。進(jìn)行聲學(xué)包優(yōu)化的關(guān)鍵步驟是找出噪聲能量傳遞的主要路徑，然后對傳遞路徑上的薄弱子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到降低車內(nèi)噪聲的目的。由于駕駛員位置對車內(nèi)噪聲較為敏感，車內(nèi)噪聲對駕駛員安全駕駛影響較大，因此將駕駛員耳旁聲壓級作為重點(diǎn)研究的對象，分析在各種工況下對駕駛員頭部噪聲能量貢獻(xiàn)較大的傳遞路徑在計(jì)算值和測試值誤差可滿足工程經(jīng)驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于功率流的聲學(xué)包貢獻(xiàn)量分析，如圖6所示。

圖6 基于功率流的聲學(xué)包貢獻(xiàn)量分析根據(jù)功率流分析結(jié)果可知：(1)在怠速工況下，左前頭部的主要貢獻(xiàn)量來自前圍和地毯。在2 000 Hz以上頻段前圍的貢獻(xiàn)量均高于50%，其中在5 000 Hz達(dá)到83%。在1 600 Hz以下頻段，地毯的貢獻(xiàn)量高于40%，其中在800 Hz下貢獻(xiàn)量達(dá)到91%。(2)在80 km/h工況下右后頭部的主要貢獻(xiàn)量來自地毯、后側(cè)圍空腔和后門玻璃。在1 600 Hz以下頻段，地毯的貢獻(xiàn)量大于30%，其中在800 Hz和1 000 Hz貢獻(xiàn)量達(dá)到63%。2 000 Hz下，后側(cè)圍空腔的貢獻(xiàn)量達(dá)到65%。在2 500 Hz以上頻段，后門玻璃的貢獻(xiàn)量大于50%，其中在4 000 Hz下達(dá)到84%。

5 聲學(xué)包BIOT 九大參數(shù)測試及優(yōu)化

5.1 聲學(xué)包BIOT 九大參數(shù)測試

從聲學(xué)包貢獻(xiàn)量分析可知，主要貢獻(xiàn)量來自于前圍隔聲墊、地毯、后側(cè)圍空腔海綿。對這3處聲學(xué)包進(jìn)行裁剪取樣，如圖7所示。

圖7 部分聲學(xué)包樣塊將這些樣塊進(jìn)行分層處理，使用Mecanum公司的測試設(shè)備測量其中多孔吸聲材料BIOT九大參數(shù)，得到的九大參數(shù)如表3所示。表3 聲學(xué)包材料九大參數(shù)

5.2 聲學(xué)包優(yōu)化技術(shù)路線

基于功率流分析的結(jié)果，進(jìn)行聲學(xué)包性能優(yōu)化：(1)后側(cè)圍空腔沒有填充物導(dǎo)致聲音在空腔內(nèi)傳播并影響右后頭部聲壓。在后側(cè)圍內(nèi)增加PUR海綿，阻隔聲音由車身后部聲腔傳入乘員艙。(2)前圍隔音墊由PET毛氈、EPDM和吸音棉組成，對2種材料分別進(jìn)行孔隙率流阻和面密度等調(diào)整，可達(dá)到優(yōu)化性能的目的。(3)地毯由PU發(fā)泡、EPDM、毯面組成，對PU發(fā)泡的彈性模量和EPDM面密度進(jìn)行調(diào)整，可達(dá)到優(yōu)化地毯隔聲性能的目的。

5.3 前圍隔音墊優(yōu)化

原前圍隔音墊的PET毛氈纖維較明顯，質(zhì)感比較粗糙，吸聲效果較差。對供應(yīng)商提供的幾種不同工藝的PET毛氈進(jìn)行BIOT參數(shù)測試，測試結(jié)果如表4。表4 4種PET毛氈的BIOT參數(shù)

3種前圍PET毛氈吸聲系數(shù)見圖8，PET毛氈1由于孔隙率和流阻率均有所提高，吸聲系數(shù)也隨之提升。原前圍EPDM厚度為2 mm，面密度為3.4 kg/m2。在空間和質(zhì)量允許范圍內(nèi)，增加EPDM厚度至3.5 mm，面密度增加至6.5 kg/m2。整體插入損失在500 Hz～5 000 Hz平均提升6 dB。

5.4 地毯優(yōu)化

原地毯PU發(fā)泡為再生發(fā)泡，更換為原生慢回彈PU發(fā)泡。2種PU發(fā)泡的BIOT參數(shù)如表5所示。

圖8 前圍PET毛氈吸聲系數(shù)表5 2種PU發(fā)泡的BIOT參數(shù)

由表5可見，慢回彈PU發(fā)泡比原地毯發(fā)泡損耗因子增加明顯，體密度降為原來的一半，流阻增加了28倍以上。地毯PU發(fā)泡的插入損失如圖9所示。在500 Hz～5 000 Hz頻段內(nèi)更改后的PU發(fā)泡插入損失有一定增加。

圖9 PU發(fā)泡插入損失對比同前圍隔音墊一樣，地毯的EPDM厚度由2 mm增加至2.5 mm，面密度由3 kg/m2增加至4 kg/m2，整體插入損失在500 Hz～5 000 Hz平均提升2 dB。

5.5 整體優(yōu)化效果

在模型中更新前圍和地毯的數(shù)據(jù)，在后側(cè)圍鈑金上增加PUR海綿NCT，計(jì)算車內(nèi)頭部聲腔聲壓，如圖10所示。由圖11可見，優(yōu)化聲學(xué)包后在怠速和80 km/h工況下車內(nèi)聲壓在各個(gè)頻段均有所下降，其中在80 km/h工況下平均下降0.7 dB，在怠速工況下平均下降1.4 dB。

圖10 聲學(xué)包更改前后車內(nèi)聲壓對比

6 結(jié)語

本文以某在研車型為例，基于統(tǒng)計(jì)能量方法進(jìn)行了車內(nèi)聲學(xué)包優(yōu)化：(1)建立了整車統(tǒng)計(jì)能量法模型，模型包括平板、單曲率板、車內(nèi)外聲腔共553個(gè)子系統(tǒng)。(2)進(jìn)行了怠速和勻速工況下的聲載荷提取試驗(yàn)，獲得了各個(gè)工況下的聲載荷。(3)使用阻抗管和Mecanum公司聲學(xué)材料測試設(shè)備，進(jìn)行了車內(nèi)聲學(xué)包BIOT九大參數(shù)測試。(4)使用功率流方法計(jì)算了聲學(xué)包貢獻(xiàn)量找到特定工況下貢獻(xiàn)量最大的聲學(xué)包。(5)使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫和供應(yīng)商提供的樣件，進(jìn)行了聲學(xué)包參數(shù)優(yōu)化。(6)優(yōu)化聲學(xué)包后，80 km/h和怠速工況下車內(nèi)聲壓分別下降0.7 dB和1.4 dB。說明本文的研究結(jié)果對聲學(xué)包設(shè)計(jì)和降低車內(nèi)噪聲具有指導(dǎo)意義。

作者：陳 曦1,2，趙 偉1,2，胡杰宏1,2，李登山1,2

1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院

2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室