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普信?聲學(xué)院：車(chē)用雙墻系統(tǒng)聲學(xué)性能試驗(yàn)、仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證研究。

2019-02-25 15:18:52·  來(lái)源：Prosynx  
　
文章來(lái)源及單位：聲學(xué)技術(shù)第35卷第1期；泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司；寧波拓普集團(tuán)股份有限公司。摘要雙墻系統(tǒng)是汽車(chē)聲學(xué)中的常用結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)中聚氨酯(Polyuretha
文章來(lái)源及單位：聲學(xué)技術(shù)第35卷第1期；泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司；寧波拓普集團(tuán)股份有限公司。 

摘要
 
雙墻系統(tǒng)是汽車(chē)聲學(xué)中的常用結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)中聚氨酯(Polyurethane, PU)泡沫材料的聲學(xué)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)隔聲性能的準(zhǔn)確仿真建模是聲學(xué)性能改善的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)車(chē)用聚氨酯(PU)多孔泡沫材料的部分聲學(xué)參數(shù)的測(cè)量，并基于Biot理論反求其余參數(shù)，獲得了滿足仿真精度要求的完整聲學(xué)參數(shù)。對(duì)雙墻系統(tǒng)層間不貼合(Unbonded-Bonded, UB)和貼合(Boned-Bonded, BB)兩種不同邊界條件，進(jìn)行了雙墻系統(tǒng)隔聲性能仿真建模，并將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，除個(gè)別頻段外，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果兩者的誤差在2 dB以內(nèi)，且在實(shí)際常用的UB邊界條件下，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果相符更好。研究所給出的仿真建模方法可有效用于汽車(chē)聲學(xué)中雙墻系統(tǒng)構(gòu)件的聲學(xué)性能設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
 
引言
 
雙墻系統(tǒng)(Double Wall System, DWS)是汽車(chē)聲學(xué)包產(chǎn)品系列中廣泛應(yīng)用的復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)。汽車(chē)上采用的典型DWS復(fù)合聲學(xué)結(jié)構(gòu)由一層高密度的EVA材料和聚氨酯(Polyurethane, PU)泡沫材料復(fù)合而成，PU材料的另一側(cè)與車(chē)身鈑金相連，使車(chē)身鈑金與EVA材料組成雙墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種DWS結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在汽車(chē)前圍隔聲墊、地毯隔音聲墊、輪罩隔聲墊等部件中，主要功能為阻隔車(chē)外空氣聲向車(chē)內(nèi)的傳遞，即起到隔聲作用，達(dá)到降低車(chē)內(nèi)噪聲的目的。因此，雙墻系統(tǒng)的隔聲性能研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)是汽車(chē)振動(dòng)噪聲研究的重要內(nèi)容。
 
在汽車(chē)行業(yè)中，為了提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率，對(duì)雙墻系統(tǒng)隔聲性能的研究和優(yōu)化的最佳方法是進(jìn)行仿真，然后在仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)外乘用車(chē)聲學(xué)包設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與優(yōu)化現(xiàn)狀的相關(guān)論述中指出，聲學(xué)包材料聲學(xué)參數(shù)獲取準(zhǔn)確與否對(duì)仿真結(jié)果至關(guān)重要。因此，對(duì)雙墻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，PU材料的聲學(xué)參數(shù)以及隔聲性能的準(zhǔn)確仿真建模是問(wèn)題的關(guān)鍵。
 
雙墻系統(tǒng)中PU材料為多孔聲學(xué)材料，對(duì)多孔材料的聲學(xué)參數(shù)獲取的方法，近年來(lái)在國(guó)際上有較為深入的研究。A. Duval等人通過(guò)仿真的方法研究了泡沫材料的部分特征參數(shù)對(duì)雙墻系統(tǒng)隔聲性能的影響。張波等人基于Johnson-Champoux- Allard模型研究了多孔金屬材料聲學(xué)參數(shù)反求，但其研究由于實(shí)測(cè)參數(shù)較少，反推精度不能很好地滿足聲學(xué)建模的要求。在國(guó)內(nèi)，由于泡沫材料參數(shù)等方面的研究還處于起步階段，直接影響了雙墻系統(tǒng)材料或產(chǎn)品的隔聲性能仿真，并一定程度上影響了汽車(chē)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。因此，行之有效的多孔聲學(xué)材料參數(shù)獲取途徑以及車(chē)用雙墻系統(tǒng)隔聲性能仿真的方法，是開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段避免繁瑣的、重復(fù)的工作，降低開(kāi)發(fā)驗(yàn)證成本，提高效率的必由之路。
本文在使用較為完備的、精度較高的測(cè)試設(shè)備測(cè)試了PU材料的聲學(xué)特征參數(shù)的基礎(chǔ)上，基于BIOT-Allard理論進(jìn)行其它聲學(xué)參數(shù)的反求，獲得了滿足雙墻系統(tǒng)隔聲性能準(zhǔn)確仿真所需要的并且滿足精度要求的完整的PU聲學(xué)特征參數(shù)。由此建立了適用于雙墻系統(tǒng)的隔聲性能仿真模型。對(duì)兩種典型的雙墻系統(tǒng)材料組合，在鋼板與PU層貼合(Boned-Bonded, BB) 和不貼合(Unbonded-Bonded,UB)兩種邊界條件下進(jìn)行了雙墻系統(tǒng)的隔聲性能仿真，并在混響室-消聲室隔聲測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行了對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的隔聲性能的測(cè)量。計(jì)算與實(shí)測(cè)的對(duì)比研究結(jié)果表明：除個(gè)別頻段外，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果兩者的誤差在2dB以內(nèi)，且更接近工程實(shí)際的不貼合邊界條件的計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果相符性更好，研究所給出的仿真建模方法可有效用于汽車(chē)聲學(xué)中雙墻系統(tǒng)構(gòu)件的聲學(xué)性能設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
基本原理和模型
 
雙墻系統(tǒng)中聲波的傳播過(guò)程如圖1 所示，聲能一部分被a板反射回去，一部分被a、b板消耗，一部分經(jīng)空間2中的空氣或者吸聲材料不斷反射衰減消耗掉。雙墻系統(tǒng)由于其良好的隔聲效果在汽車(chē)聲學(xué)零件中應(yīng)用越來(lái)越廣泛?？紤]到鈑金與PU的實(shí)際安裝狀態(tài)下的兩種邊界條件，圖2中給出了所研究的雙墻系統(tǒng)模型的鈑金與PU貼合(Bonded)和不貼合(Unbonded)兩種模型的示意圖，其區(qū)別在于PU和鈑金之間是否有間隙。
 
對(duì)泡沫材料聲學(xué)性能的研究采用Allard在Biot理論的基礎(chǔ)上提出來(lái)的Biot-Allard彈性多孔材料模型。該模型認(rèn)為多孔材料由固相和液相兩部分組成，并利用流阻率σ、孔隙率φ、曲折因子α∞、熱特征長(zhǎng)度Λ' 、粘性特征長(zhǎng)度Λ、密度、楊氏模量E、泊松比ν、損耗因子η等9個(gè)參數(shù)模擬彈性多孔材料中三種波的傳播。
對(duì)雙墻系統(tǒng)隔聲特性的建模，采用基于Biot理論的Mecanum NOVA軟件，并用Mecanum NOVA特有的有限尺寸傳遞矩陣法(Finite dimensional Transfer Matrix Method, FTMM)進(jìn)行雙墻系統(tǒng)隔聲性能計(jì)算。
 
傳遞矩陣法(Transfer Matrix Method, TMM)是用矩陣來(lái)表示介質(zhì)中聲波的傳播。假設(shè)一種均質(zhì)各項(xiàng)同性的、面積無(wú)限大的介質(zhì)，其厚度為h。在介質(zhì)前后表面附近各取一點(diǎn)M和M' ，聲波在兩點(diǎn)之間的傳播可表示為
V是一個(gè)矢量，其元素是描述介質(zhì)中某點(diǎn)波場(chǎng)所需要的各個(gè)變量。[T]為從M到M'的傳遞矩陣，矩陣的內(nèi)容與介質(zhì)的厚度和物理特性有關(guān)。不同種類(lèi)的介質(zhì)，其矢量V和傳遞矩陣[T]的形式不同。本研究中用到的矢量V(M)描述如下：對(duì)鋼板運(yùn)用彈性薄板模型，該模型中有一種波傳播，需要兩個(gè)變量描述：
式中： σ33為正應(yīng)力，υ3為垂向速度。
對(duì) EVA運(yùn)用隔聲層模型，該模型中有兩種波，使用4個(gè)變量描述：
對(duì)泡沫材料采用多孔彈性體模型，該模型中有3 種波，每種波使用兩個(gè)變量描述：
 
其中，上標(biāo)s和f分別表示固相和液相中的波，下標(biāo)代表波的方向。
本文使用的FTMM求解器對(duì)原算法進(jìn)行了修正，用四周遮擋的板的輻射效率代替無(wú)限大板的輻射效率，當(dāng)計(jì)算小尺寸樣件時(shí)，低頻和試驗(yàn)吻合更好。修正后的透射系數(shù)如下：
其中，σR 是修正后的輻射效率，由板的尺寸和平面波的入射角度決定；θ為入射角。
 
PU 泡沫參數(shù)測(cè)量及反求
研究所需的聲學(xué)參數(shù)中曲折因

子、熱特征長(zhǎng)度和粘性特征長(zhǎng)度由仿真軟件反推得到，其余參數(shù)均為專(zhuān)門(mén)設(shè)備實(shí)測(cè)得到。
 
泡沫參數(shù)的實(shí)驗(yàn)獲取
 
為進(jìn)行泡沫參數(shù)的反求，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)20 mm和30 mm兩種PU泡沫的聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行了完整測(cè)量。測(cè)試在恒溫恒濕試驗(yàn)室進(jìn)行，測(cè)試所采用的設(shè)備和方法如表1所示。
泡沫參數(shù)的反求
首先將測(cè)量得到的孔隙率、流阻、密度以及20mm和30 mm厚度時(shí)的駐波管垂直入射吸聲系數(shù)等數(shù)據(jù)代入Mecanum Foam-x軟件，計(jì)算獲得曲折因子、熱特征長(zhǎng)度、粘性特征長(zhǎng)度等3個(gè)未知參數(shù)。泡沫材料的部分參數(shù)如表2所示。
將完整參數(shù)代入Mecanum Foam-x驗(yàn)證模塊，分別計(jì)算20 mm、30 mm泡沫的吸聲系數(shù)，驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示，仿真吸聲系數(shù)結(jié)果和測(cè)試結(jié)果吻合較好，參數(shù)達(dá)到了預(yù)期的精度要求。
隔聲性能仿真
 
考慮實(shí)際工程中雙墻系統(tǒng)高隔聲和低隔聲的應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)了兩種PU和EVA的厚度組合，如表3分別計(jì)算其不同邊界條件下的傳聲損失STL。
 
BB邊界模型建立方法：
 
(1)    按照聲波入射順序鋪設(shè)DWS，即鋼板作為第一層，PU泡沫作為第二層，EVA片材作為第三層，各層厚度如表3。其中，鋼板設(shè)置為shell 屬性，參數(shù)可從NOVA 自帶標(biāo)準(zhǔn)材料庫(kù)中選擇；PU 設(shè)置為porous elastic 屬性，其所需部分參數(shù)如表2；EVA設(shè)置為impervious screen模型，僅需輸入密度。
(1)    選擇FTMM求解器，DWS形狀設(shè)置為0.5m×0.5 m的矩形，與試驗(yàn)一致；
(2)    選擇0~78°的擴(kuò)散聲場(chǎng)作為激勵(lì)，并將DWS背后條件設(shè)置為空腔。
 
UB 邊界模型建立方法：
在鋼板和泡沫之間添加一層空氣層(0.1 mm fluid)，其余設(shè)置與BB邊界相同。
傳聲損失預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果如圖4 和圖5 所示，從圖中可以看出，UB邊界雙墻系統(tǒng)的隔聲數(shù)值要高于BB邊界。UB邊界下的的STL曲線比較平直，這是由于UB邊界下有空氣層，材料彈性的作用被大幅減弱，而B(niǎo)B邊界下曲線由于材料彈性引起的起伏較多。
試驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證隔聲性能仿真計(jì)算結(jié)果的有效性，在實(shí)驗(yàn)室按照GMW 14173標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。
測(cè)試設(shè)施由混響室和消聲室組成，測(cè)試樣品安裝在兩個(gè)房間中間，如圖6所示?；祉懯抑新曉床捎冒自肼暎祉懯覀?cè)的聲壓級(jí)由6 個(gè)傳聲器測(cè)得，在全消室側(cè)用掃描聲強(qiáng)法進(jìn)行聲強(qiáng)測(cè)量，掃描面積與入射面積應(yīng)保持一致。根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)范，傳聲損失STL由下式確定：
BB 邊界要求鈑金和PU 之間沒(méi)有任何間隙，而實(shí)際鈑金和PU 在自然狀態(tài)下不可能完全貼合，總會(huì)有間隙出現(xiàn)，因此模擬BB 邊界時(shí)需在接合面整面噴灑膠水以防止間隙；模擬UB邊界時(shí)，鈑金和PU自然接觸，僅四周用少量膠水防止兩層脫開(kāi)即可。
 
傳聲損失實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線見(jiàn)圖7~10。計(jì)算和實(shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)比表明，在BB 和UB邊界下計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果一致性較好。由圖8和圖10可知，在BB邊界條件下，兩種材料方案的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，除高頻6000 Hz以上個(gè)別頻段差異較大外，其余頻段計(jì)算與仿真結(jié)果差異在2 dB以內(nèi)。由圖7和圖9可知，在UB邊界條件下，兩種材料方案的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值絕大部分頻段的差異在2 dB以內(nèi)，且曲線較為平滑，計(jì)算與實(shí)測(cè)的趨勢(shì)一致性更高?？紤]到實(shí)際應(yīng)用邊界為UB邊界，即鈑金與PU層存在一定間隙，因此在UB邊界下的對(duì)比結(jié)果更具有工程意義。
在對(duì) PU材料的聲學(xué)特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于Biot-Allard理論的其它聲學(xué)參數(shù)的反求，獲得了滿足精度的完整的PU泡沫聲學(xué)特征參數(shù)。并在此基礎(chǔ)上建立了鋼板與PU 層貼合(BB)和不貼合(UB)兩種邊界條件下雙墻系統(tǒng)的隔聲性能仿真模型，進(jìn)行了低隔聲和高隔聲兩種典型組合的隔聲性能仿真計(jì)算，并進(jìn)行了對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的隔聲性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。仿真計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果除個(gè)別頻段外，兩者的誤差在2dB以內(nèi)，且在更接近工程實(shí)際的不貼合邊界條件下的計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果相符性更好。仿真計(jì)算的精度較好地滿足了汽車(chē)聲學(xué)工程設(shè)計(jì)的要求，可有效應(yīng)用于汽車(chē)聲學(xué)中雙墻系統(tǒng)構(gòu)件的聲學(xué)性能設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
 
 
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