摘要

消費(fèi)者體驗(yàn)乘用車品質(zhì)時(shí)，車內(nèi)聲學(xué)特征對(duì)客消費(fèi)者的感受具有重要的影響，而車輛的聲學(xué)包裝是對(duì)車內(nèi)聲學(xué)特征發(fā)生影響的重要組成部分。利用聲學(xué)包裝，不僅能降低車內(nèi)噪聲水平，而且可以調(diào)節(jié)車內(nèi)的聲品質(zhì)，以滿足消費(fèi)者的心理期待。所以對(duì)于實(shí)現(xiàn)整車級(jí)聲學(xué)目標(biāo)而言，聲學(xué)包裝的定義、設(shè)計(jì)和開發(fā)是至關(guān)重要的。在很多情況下，聲學(xué)包裝的開發(fā)都是在實(shí)際樣車和聲學(xué)包裝部件的基礎(chǔ)上通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行的，但真正更有價(jià)值的方法是如何在設(shè)計(jì)的早期階段就具備開發(fā)聲學(xué)包裝部件的能力，即通過(guò)使用分析工具根據(jù)整車級(jí)目標(biāo)定義對(duì)聲學(xué)包裝部件的要求和需要達(dá)到的指標(biāo)。

本文介紹了在聲學(xué)包裝的設(shè)計(jì)方面，針對(duì)結(jié)合試驗(yàn)和分析兩方面優(yōu)勢(shì)所做的努力。得到的收益包括在早期設(shè)計(jì)階段，即可針對(duì)不同的聲學(xué)包裝配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)聲壓級(jí)的預(yù)測(cè)，并可以針對(duì)整車級(jí)目標(biāo)和部件級(jí)目標(biāo)，開展試聽的驗(yàn)證。此外可以在頻域中定量表達(dá)不同聲學(xué)包裝設(shè)計(jì)的性能，并可反映聲品質(zhì)的各種參數(shù)，從而最大限度減少了對(duì)物理樣車試驗(yàn)的需求。本研究中使用了一臺(tái)現(xiàn)行市場(chǎng)上的車輛，并在該車輛上進(jìn)行了試驗(yàn)方法的開發(fā)和實(shí)際的測(cè)試，目的是優(yōu)化對(duì)分析工具的聯(lián)合使用。通過(guò)對(duì)聲學(xué)包裝特性的掌握，針對(duì)不同的聲學(xué)包裝設(shè)計(jì)方案預(yù)測(cè)了車內(nèi)聲壓級(jí)，同時(shí)還進(jìn)行了試聽試驗(yàn)，計(jì)算了每個(gè)設(shè)計(jì)方案的聲學(xué)參數(shù)，以確認(rèn)聲學(xué)性能是否滿足了車輛的聲學(xué)目標(biāo)。對(duì)最終設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了整車測(cè)量的對(duì)比驗(yàn)證。

簡(jiǎn)介

隨著消費(fèi)者要求的不斷提高和車輛開發(fā)周期的不斷壓縮，開發(fā)團(tuán)隊(duì)必須付出更多的努力在更短的時(shí)間中開發(fā)出更高質(zhì)量的車輛。為了達(dá)到這樣的目標(biāo)，不得不對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，以提高車輛的質(zhì)量和縮短開發(fā)時(shí)間。對(duì)縮短開發(fā)周期和提高車輛性能和質(zhì)量而言，使用分析工具是最為有效的方法。分析模型中的一個(gè)典型的問題是針對(duì)整車聲學(xué)預(yù)測(cè)，如何提高預(yù)測(cè)的精度。為了解決這個(gè)問題，必須著力開發(fā)一個(gè)工程流程和試驗(yàn)方法，使得在配合使用試驗(yàn)和分析方法時(shí)，在試驗(yàn)和分析兩個(gè)方面都能得到最大的收益。

應(yīng)用

從車輛子系統(tǒng)的角度考察，在改進(jìn)試驗(yàn)方法與分析方法的配合使用之后，收益最大的子系統(tǒng)就是整車的聲學(xué)包裝。聲學(xué)包裝是由一些特殊設(shè)計(jì)吸聲或隔聲材料構(gòu)成，安置在車輛的一些關(guān)鍵部位，目的是減少傳遞到車輛成員艙的噪聲，同時(shí)調(diào)節(jié)用戶最終提到的聲音品質(zhì)。由于用戶聽到的噪聲特性在很大程度上會(huì)影響用戶對(duì)汽車質(zhì)量高低的評(píng)價(jià)，所以汽車聲學(xué)特性的開發(fā)不僅僅是降低噪聲水平，同時(shí)也包括調(diào)節(jié)聲音的品質(zhì)，以滿足用戶期待的聲音特性。

聲學(xué)包裝的開發(fā)通常貫穿了汽車開發(fā)的全部過(guò)程。在汽車開發(fā)的最初階段，一般需要根據(jù)過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)或上一個(gè)車型的情況，定義在哪些位置使用哪些聲學(xué)包裝材料。而聲學(xué)包裝部件的最終設(shè)計(jì)參數(shù)，則需要通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證整車級(jí)聲學(xué)目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)才能確定。開發(fā)聲學(xué)包裝更為有效的方法是在車輛開發(fā)的早期階段應(yīng)用分析工具來(lái)確定聲學(xué)包裝部件的最終設(shè)計(jì)參數(shù)，而不依賴后期才能進(jìn)行的試驗(yàn)。理想的情況是后期的試驗(yàn)僅僅用于檢驗(yàn)是否達(dá)到了整車聲學(xué)目標(biāo)，而不是用來(lái)定義部件級(jí)的目標(biāo)。為了達(dá)到這樣的目標(biāo)，必須采用合適的方法來(lái)組織現(xiàn)有的試驗(yàn)，使試驗(yàn)結(jié)果能夠幫助改進(jìn)分析的精度和可靠性。這將減少聲學(xué)包裝開發(fā)過(guò)程對(duì)試驗(yàn)和物理樣車的依賴性。

目前的方法

統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）方法是建立在能量分析基礎(chǔ)上、用于分析聲學(xué)振動(dòng)問題的方法，它適合于聲學(xué)包裝設(shè)計(jì)的應(yīng)用。在一個(gè)SEA 模型中，將被分析的結(jié)構(gòu)劃分成相互耦合的“子系統(tǒng)”，并對(duì)子系統(tǒng)中儲(chǔ)存的能量和子系統(tǒng)之間交換的能量進(jìn)行分析。模型中定義耦合子系統(tǒng)之間的功率平衡，并據(jù)此分析從一個(gè)子系統(tǒng)向另一個(gè)子系統(tǒng)的功率流動(dòng)。

對(duì)于精確的預(yù)測(cè)來(lái)說(shuō)，子系統(tǒng)的劃分是至關(guān)重要的。每個(gè)子系統(tǒng)相對(duì)其它子系統(tǒng)或單元來(lái)說(shuō)，必須具備獨(dú)立的振動(dòng)和特性。例如預(yù)測(cè)動(dòng)力裝置噪聲的一個(gè)簡(jiǎn)單SEA 模型可以用三個(gè)大的子系統(tǒng)構(gòu)成：即發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空間、防火墻結(jié)構(gòu)和乘員艙空間。每個(gè)子系統(tǒng)的表現(xiàn)都是獨(dú)立的，從而可以分析從一個(gè)子系統(tǒng)到另一個(gè)子系統(tǒng)的功率流。

在這個(gè)簡(jiǎn)單的模型中，發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)提供了聲學(xué)激勵(lì)，同時(shí)也包括一些聲能的吸收。而流入防火墻子系統(tǒng)的功率流必須與流出防火墻子系統(tǒng)的功率流平衡。一部分能量會(huì)被吸聲和阻尼作用所耗散，其余的能量要么反射回發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)，要么就被傳遞到乘員艙子系統(tǒng)。而傳遞到乘員艙子系統(tǒng)的能量有一部分在車內(nèi)被吸收，其余部分就會(huì)以聲音的方式被乘員感受到。



同樣的方法被用于構(gòu)建更加復(fù)雜的子系統(tǒng)，但功率流平衡的基本假設(shè)則是相同的。

聲學(xué)泄露的存在會(huì)對(duì)SEA 模型發(fā)生重大的影響。因此對(duì)存在泄露的零件需要通過(guò)試驗(yàn)了解其定量數(shù)值，然后施加到模型上確定特定的零件設(shè)計(jì)。由于這個(gè)原因，在樣車評(píng)價(jià)時(shí)必須采取一定的步驟定量了解聲學(xué)泄露，特別是對(duì)于那些具有較大聲學(xué)泄露的零件或區(qū)域，比如防火墻上的通孔。

聲學(xué)材料特性的評(píng)價(jià)：每一種聲學(xué)包裝材料特性的試驗(yàn)通常都是供應(yīng)商根據(jù)一定的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在部件級(jí)或材料級(jí)進(jìn)行的。典型部件級(jí)特性試驗(yàn)包括吸聲和聲傳遞損失的測(cè)量，它們的大小取決于試驗(yàn)材料的構(gòu)成。吸聲反映的是材料控制或減小由其表面反射聲音大小的能力。吸聲能力的大小通過(guò)吸聲系數(shù)（α）來(lái)測(cè)量。吸聲系數(shù)的定義是材料吸收的聲能與入射到材料的聲能之比值，參見公式。測(cè)量吸聲系數(shù)可以采用阻尼管進(jìn)行，相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E1050，也可以采用混響室測(cè)量，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是 ASME C423。



隔聲是指材料阻礙聲音從一個(gè)區(qū)域向另一個(gè)區(qū)域傳遞的能力。隔聲的大小用聲傳遞損失（STL）測(cè)量，它是通過(guò)材料傳遞的聲能與入射聲能的比值，參考公式：



確定聲學(xué)包裝材料的特性為SEA 模型提供了有用的信息，但是必須知道這些特性僅僅是材料的特性，而并不是已經(jīng)加工好的具備特定尺寸和形狀的零件的特性。零件上任何切口或孔都會(huì)對(duì)吸聲系數(shù)或傳遞損失產(chǎn)生重大的影響。由于這個(gè)原因，常常需要采用在安裝位置的測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證部件級(jí)材料。

試驗(yàn)方法：安裝位置傳遞損失的測(cè)量方法通常包括在動(dòng)力總成、車輪罩等位置使用麥克風(fēng)陣列對(duì)被測(cè)零件兩側(cè)的特征進(jìn)行測(cè)量。例如對(duì)防火墻的聲學(xué)處理，聲源側(cè)和接收側(cè)的測(cè)量方式如下：將一個(gè)聲源安置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙（可以是實(shí)際的動(dòng)力總成，也可以是試驗(yàn)聲源），然后通過(guò)在聲源側(cè)和接收側(cè)進(jìn)行聲學(xué)特征對(duì)比，從而就可以獲得實(shí)際安裝位置的傳遞損失。



這種方法的缺點(diǎn)是不能與諸如SEA 一類的分析工具的應(yīng)用相結(jié)合。因?yàn)樗峁┑氖菑穆曉吹浇邮辗降娜謧鬟f損失。而SEA 模型需要的是多個(gè)局部傳遞損失函數(shù)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。



更多的細(xì)節(jié)方面是如何通過(guò)試驗(yàn)建立聲學(xué)包裝材料的局部傳遞損失，使它們能夠直接使用在分析工具中。應(yīng)用這種方法，就能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)各種聲學(xué)處理配置來(lái)改進(jìn)對(duì)車內(nèi)生壓級(jí)的預(yù)測(cè)。

工程實(shí)例：重載卡車

本研究中，采用了一臺(tái)重載柴油卡車作為平臺(tái)，進(jìn)行了試驗(yàn)方法的開發(fā)和優(yōu)化，目的是改進(jìn)試驗(yàn)方法與分析方法的相互配合。整個(gè)研究的目標(biāo)是為分析模型提供數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，并應(yīng)用這些數(shù)據(jù)針對(duì)重要的聲學(xué)包裝設(shè)計(jì)方案預(yù)測(cè)車內(nèi)的噪聲。

本研究中采用了以下主要步驟，我們將對(duì)這些步驟逐個(gè)進(jìn)行細(xì)致的討論。

車輛的特征化
穿越防火墻的泄露
部件的特征化
聲學(xué)合成
預(yù)測(cè)的驗(yàn)證

車輛的特征化：我們可以應(yīng)用聲學(xué)包裝來(lái)規(guī)劃最終用戶的聲學(xué)感受。作為前提，我們首先需要深入了解作為特定用途的車輛，用戶所期待的是怎樣的聲音感受。在本研究中，針對(duì)的是重型柴油卡車市場(chǎng)。作為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的第一步，首先是通過(guò)客觀測(cè)量和用戶主觀評(píng)價(jià)獲得對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)車輛的理解，從而得到哪些聲學(xué)特征是用戶所偏愛的，而哪些特征是用戶所討厭的。

我們對(duì)重載柴油卡車市場(chǎng)上的三臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)車型進(jìn)行了客觀測(cè)量，目的是得到它們的聲學(xué)特征，并進(jìn)而決定合適的聲品質(zhì)特征參數(shù)，以定量地表達(dá)它們的聲學(xué)性能。每一臺(tái)車都在多種工況下進(jìn)行了試驗(yàn)，包擴(kuò)怠速、部分負(fù)荷加速、全負(fù)荷加速和巡航工況。在用戶聽取聲音的關(guān)鍵位置都布置了麥克風(fēng)傳感器，包擴(kuò)車內(nèi)位置和車外行人位置。

根據(jù)在各工況測(cè)量的結(jié)果，組織了試聽研究，以確定主觀聲學(xué)性能。然后計(jì)算了聲品質(zhì)特征參數(shù)，并與主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行了相關(guān)性分析。對(duì)怠速工況，所確認(rèn)的關(guān)鍵聲品質(zhì)參數(shù)包括用A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)反映聲音的幅值、用清晰度指數(shù)反映對(duì)車內(nèi)談話的影響、用瞬態(tài)響度的統(tǒng)計(jì)值反映柴油機(jī)循環(huán)與循環(huán)的波動(dòng)以及波動(dòng)的百分比。采用這些聲品質(zhì)參數(shù)構(gòu)建了“有效/無(wú)效”的判據(jù)，用于評(píng)估對(duì)聲學(xué)包裝的修改是否會(huì)被最終用戶感知到，并校驗(yàn)聲學(xué)包裝導(dǎo)致的車輛聲學(xué)性能是否在現(xiàn)行的市場(chǎng)上具備競(jìng)爭(zhēng)力。

防火墻貫通泄露—為了細(xì)化分析模型，對(duì)防火墻的貫通路徑進(jìn)行了詳細(xì)的分析，其中包括了下列零件：

電器貫通孔
制動(dòng)助力器
方向機(jī)立柱
HVAC 加熱器和空調(diào)管路
發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋解鎖裝置

采用聲強(qiáng)測(cè)量法，對(duì)每個(gè)貫通部位安裝位置的局部聲傳遞損失進(jìn)行了測(cè)量。在每個(gè)位置上都采用了“窗口實(shí)驗(yàn)法”來(lái)分析每個(gè)部件的影響，其結(jié)果表示在下圖中。



通過(guò)這個(gè)分析，即可以確定貫通孔對(duì)安裝位置全局聲傳遞損失的貢獻(xiàn)。



部件特征化：在了解了對(duì)用戶感受影響最大的聲品質(zhì)特征參數(shù)和對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵頻率之后，下一個(gè)步驟就是確定每一個(gè)聲學(xué)包裝部件的特征，查找出那些部件會(huì)對(duì)這些關(guān)鍵的頻率發(fā)生影響。本研究中進(jìn)行評(píng)估的聲學(xué)包裝部件包括了防火墻內(nèi)/外聲學(xué)包裝、防火墻板貫通孔的聲學(xué)處理、cowl 和 tunnel 的聲學(xué)處理、內(nèi)飾部件，bulb 密封、以及地毯和底部處理等。

我們使用了一個(gè)全車身對(duì)每個(gè)聲學(xué)包裝部件進(jìn)行特征化。在車身內(nèi)部使用一個(gè)體積速度源產(chǎn)生白噪聲激勵(lì)，并在多個(gè)位置進(jìn)行了測(cè)試，以確定從源多接收點(diǎn)的局部聲傳遞函數(shù)。測(cè)試點(diǎn)的位置包括車內(nèi)乘員的位置的內(nèi)部麥克風(fēng)、沿車身布置的路徑麥克風(fēng)以及在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱布置的動(dòng)力總成的麥克風(fēng)。



與傳遞損失試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行的還有對(duì)每個(gè)聲學(xué)包裝位置的聲強(qiáng)和聲功率掃描，目的是計(jì)算穿越每個(gè)聲學(xué)處理的聲功率。測(cè)量首先對(duì)原始配置展開，并依次逐個(gè)拆除聲學(xué)包裝部件進(jìn)行試驗(yàn)，這樣就能夠獲得每個(gè)在安裝位置部件的性能，以及該部件所產(chǎn)生的影響。這種方法被稱作為“窗口實(shí)驗(yàn)法”，主要用來(lái)對(duì)單個(gè)聲學(xué)包裝處理進(jìn)行評(píng)價(jià)，降低泄露效應(yīng)和更精確地確定聲學(xué)包裝部件在安裝位置的性能。



對(duì)聲學(xué)包裝部件在安裝位置的評(píng)估提供了每個(gè)部件對(duì)接收位置車內(nèi)總聲壓的影響的大小，以及對(duì)每個(gè)局部聲傳遞損失造成的變化。這些局部聲傳遞函數(shù)則可以直接使用在SEA模型中，改進(jìn)相關(guān)性和預(yù)測(cè)的精度。



對(duì)每個(gè)聲學(xué)包裝部件的特征化提供了它們?cè)诎惭b位置所發(fā)生的影響。以次為基礎(chǔ)，就可以針對(duì)不同的聲學(xué)包裝設(shè)計(jì)配置預(yù)測(cè)車內(nèi)的聲壓級(jí)。其中包括了拆除某個(gè)聲學(xué)包裝部件、或修改某個(gè)聲學(xué)包裝部件性能所產(chǎn)生的影響。



聲學(xué)合成：對(duì)于聲學(xué)包裝的開發(fā)來(lái)說(shuō)，結(jié)合分析工具的需要制定試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的最大好處，是在制造樣車之前就能夠預(yù)測(cè)車內(nèi)聲壓。根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果，可以回放聲音進(jìn)行試聽研究，在時(shí)域和頻域計(jì)算聲品質(zhì)參數(shù)，以及預(yù)測(cè)不同聲學(xué)包裝配置導(dǎo)致的車內(nèi)聲壓級(jí)。通過(guò)這些信息，可以確定為了保證實(shí)現(xiàn)整車聲學(xué)開發(fā)目標(biāo)，哪些聲學(xué)包裝的部件能夠進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化，以及車內(nèi)那些關(guān)鍵的位置需要進(jìn)行進(jìn)一步的聲學(xué)包裝處理。車內(nèi)聲壓級(jí)的合成可以按照下列公式計(jì)算：



其中：SPL-rec是預(yù)測(cè)的車內(nèi)接收點(diǎn)的聲壓；SPL-I是在第 i個(gè)子系統(tǒng)界面上測(cè)量的聲壓；TL是局部傳遞損失；TF