摘要：在聲學包開發(fā)過程中，聲學包的參數(shù)確定和整車性能預測一般要早于車身開發(fā)，這就需要在項目早期對聲學包進行仿真分析。目前，國內(nèi)外主機廠廣泛認可的聲學包仿真分析方法是基于統(tǒng)計能量分析原理。對于聲學包材料本身，一般基于BIOT理論模型，通過九大參數(shù)等進行模擬仿真。針對某款在研車型，建立整車聲學包統(tǒng)計能量法模型。對乘員頭部聲壓進行傳遞路徑分析，找到貢獻量大的聲學包部件。對這些聲學包的BIOT九大參數(shù)進行測試，通過對幾種材料的參數(shù)進行分析，找到性能參數(shù)最佳的材料組合，從而達到優(yōu)化整車聲學包性能的目的。汽車聲學包是NVH性能控制的重要途徑，隨著用戶對NVH性能要求的提高，聲學包NVH設計受到主機廠的廣泛關注。設計聲學包時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)外學者針對整車SEA分析方法和BIOT九大參數(shù)進行了相關研究，Martin等通過對損耗因子進行修正，實現(xiàn)基于整車SEA仿真模型的對結(jié)構傳遞路徑和空氣傳遞路徑的預測，侯獻軍等建立整車SEA模型，進行了車門隔聲量優(yōu)化和變速箱嘯叫控制。王毅剛等使用整車SEA模型模擬風洞試驗，對風噪聲傳播特性進行分析。王連會等分析了流阻率、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）進行吸隔聲特性研究。本文基于統(tǒng)計能量方法建立整車SEA模型，在轉(zhuǎn)鼓消聲室內(nèi)測試聲載荷，在模型上進行傳遞路徑（TPA）分析，識別出影響車內(nèi)噪聲響應的主要聲學包部件。采用加拿大Mecanum公司的多孔材料測試設備對主要的聲學包部件進行BIOT參數(shù)測試，聯(lián)合VA One與FOAM-X軟件對參數(shù)進行優(yōu)化。本文通過對聲學包九大參數(shù)中主要影響因素的控制，實現(xiàn)了對于整車NVH性能的更好控制。

1 統(tǒng)計能量方法原理

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

圖1 系統(tǒng)功率流平衡示意圖統(tǒng)計能量分析的基本方程是功率流平衡方程。對每一個子系統(tǒng)都可以列出聲學或振動功率流平衡方程，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為時間平均上的輸入能量(W)；ηij為從子結(jié)構i到子結(jié)構j的耦合損耗因子；ηi為子結(jié)構i的內(nèi)損耗因子；ni為子結(jié)構i的模態(tài)密度(rad/s)；Ei為子結(jié)構i的能量(J)。式(1)是用統(tǒng)計能量法進行復雜系統(tǒng)建模分析的基本表達式，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)，得到每個子系統(tǒng)的平均能量Ei，再根據(jù)式(2)對系統(tǒng)振動速度、面平均壓力、應力和應變等響應值進行預測。

式中：

2 BIOT理論原理

基于熱和黏性效應，多孔彈性材料內(nèi)部具有較好的能量耗散機制，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耦合壓縮波和固體中的一個剪切波。正確地使用這一理論，必須知道每個波和固體中的一個剪切波，即必須知道每個相的內(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算BIOT參數(shù)。式(3)中矢量X由BIOT理論9個必要參數(shù)中的8個組成：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。將實際測量的吸聲系數(shù)αm和計算得到的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)計能量方法模型建立

整車聲學包仿真是聲學包開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，是在項目初期進行聲學包設計、性能預測的必要手段。建立整車SEA模型過程中的需遵循如下假設：(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，所受激勵互不相關，統(tǒng)計上獨立；(3)模型中簡化掉后視鏡、雨刮、天線、車門把手等外部結(jié)構，忽略方向盤等內(nèi)部結(jié)構；忽略鈑金上的加強板、筋，忽略縱梁內(nèi)的支撐板等。整車聲學包SEA建模一般包括以下幾個步驟：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)進行簡化，根據(jù)零件號和模態(tài)相似性對車身主要板件進行區(qū)域劃分，在保證單個子系統(tǒng)模態(tài)密度足夠的情況下，盡可能進行細致劃分。本模型中，車身共劃分為553個子系統(tǒng)，其中包括平板子系統(tǒng)535個、單曲率板18個。模型中包含了139個聲腔，其中內(nèi)聲腔58個、外聲腔81個，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)構定義及聲學包參數(shù)定義。其中車身板件結(jié)構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)構子系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。表1 部分板件結(jié)構子系統(tǒng)參數(shù)

聲學包參數(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。部分聲學包信息如表2所示。表2 部分聲學包信息

聲學包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）分為點連接、線連接和面連接，保證能量在各個子系統(tǒng)間進行儲存、傳遞和損耗。由于車身各鈑金件之間主要是通過焊接進行連接，SEA模型中的點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行傳遞，點和線連接傳遞的能量較少。所以SEA模型中保留面連接，關閉點連接和線連接。

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，將車內(nèi)的聲壓信號作為外部聲能量激勵下的響應。載荷提取一般在轉(zhuǎn)鼓消聲室內(nèi)進行。將麥克風均布于車身表面具有代表性的位置，如頂棚、車門、玻璃、機艙等位置。麥克風距離車身表面15 cm～20 cm，采集100 Hz～8 000 Hz對應位置的聲壓級。本次試驗提取了怠速、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)聲壓計算及傳遞路徑分析

4.1 車內(nèi)聲腔聲壓計算

外聲場測試得到的42個位置的聲壓級，包括前機艙區(qū)域、4個車輪區(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、前擋風玻璃區(qū)域、后風窗及尾門區(qū)域等，作為激勵施加在SEA模型的對應位置上。計算怠速和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，驗證了采用SEA模型預測車內(nèi)噪聲的可行性，可用于后續(xù)的聲學包優(yōu)化設計。

4.2 基于功率流的聲學包貢獻量分析

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)構噪聲。進行聲學包優(yōu)化的關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)進行優(yōu)化，以達到降低車內(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較大的傳遞路徑在計算值和測試值誤差可滿足工程經(jīng)驗要求的基礎上，進行基于功率流的聲學包貢獻量分析，如圖6所示。

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

5 聲學包BIOT 九大參數(shù)測試及優(yōu)化

5.1 聲學包BIOT 九大參數(shù)測試

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

圖7 部分聲學包樣塊將這些樣塊進行分層處理，使用Mecanum公司的測試設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 聲學包材料九大參數(shù)

5.2 聲學包優(yōu)化技術路線

基于功率流分析的結(jié)果，進行聲學包性能優(yōu)化：(1)后側(cè)圍空腔沒有填充物導致聲音在空腔內(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種材料分別進行孔隙率流阻和面密度等調(diào)整，可達到優(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面密度進行調(diào)整，可達到優(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。對供應商提供的幾種不同工藝的PET毛氈進行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)化聲學包后在怠速和80 km/h工況下車內(nèi)聲壓在各個頻段均有所下降，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)計能量方法進行了車內(nèi)聲學包優(yōu)化：(1)建立了整車統(tǒng)計能量法模型，模型包括平板、單曲率板、車內(nèi)外聲腔共553個子系統(tǒng)。(2)進行了怠速和勻速工況下的聲載荷提取試驗，獲得了各個工況下的聲載荷。(3)使用阻抗管和Mecanum公司聲學材料測試設備，進行了車內(nèi)聲學包BIOT九大參數(shù)測試。(4)使用功率流方法計算了聲學包貢獻量找到特定工況下貢獻量最大的聲學包。(5)使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫和供應商提供的樣件，進行了聲學包參數(shù)優(yōu)化。(6)優(yōu)化聲學包后，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)果對聲學包設計和降低車內(nèi)噪聲具有指導意義。

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.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室