摘要

消費者體驗乘用車品質(zhì)時，車內(nèi)聲學特征對客消費者的感受具有重要的影響，而車輛的聲學包裝是對車內(nèi)聲學特征發(fā)生影響的重要組成部分。利用聲學包裝，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)，以滿足消費者的心理期待。所以對于實現(xiàn)整車級聲學目標而言，聲學包裝的定義、設計和開發(fā)是至關(guān)重要的。在很多情況下，聲學包裝的開發(fā)都是在實際樣車和聲學包裝部件的基礎上通過試驗進行的，但真正更有價值的方法是如何在設計的早期階段就具備開發(fā)聲學包裝部件的能力，即通過使用分析工具根據(jù)整車級目標定義對聲學包裝部件的要求和需要達到的指標。

本文介紹了在聲學包裝的設計方面，針對結(jié)合試驗和分析兩方面優(yōu)勢所做的努力。得到的收益包括在早期設計階段，即可針對不同的聲學包裝配置，實現(xiàn)對車內(nèi)聲壓級的預測，并可以針對整車級目標和部件級目標，開展試聽的驗證。此外可以在頻域中定量表達不同聲學包裝設計的性能，并可反映聲品質(zhì)的各種參數(shù)，從而最大限度減少了對物理樣車試驗的需求。本研究中使用了一臺現(xiàn)行市場上的車輛，并在該車輛上進行了試驗方法的開發(fā)和實際的測試，目的是優(yōu)化對分析工具的聯(lián)合使用。通過對聲學包裝特性的掌握，針對不同的聲學包裝設計方案預測了車內(nèi)聲壓級，同時還進行了試聽試驗，計算了每個設計方案的聲學參數(shù)，以確認聲學性能是否滿足了車輛的聲學目標。對最終設計方案進行了整車測量的對比驗證。

簡介

隨著消費者要求的不斷提高和車輛開發(fā)周期的不斷壓縮，開發(fā)團隊必須付出更多的努力在更短的時間中開發(fā)出更高質(zhì)量的車輛。為了達到這樣的目標，不得不對標準的開發(fā)過程進行改進，以提高車輛的質(zhì)量和縮短開發(fā)時間。對縮短開發(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。分析模型中的一個典型的問題是針對整車聲學預測，如何提高預測的精度。為了解決這個問題，必須著力開發(fā)一個工程流程和試驗方法，使得在配合使用試驗和分析方法時，在試驗和分析兩個方面都能得到最大的收益。

應用

從車輛子系統(tǒng)的角度考察，在改進試驗方法與分析方法的配合使用之后，收益最大的子系統(tǒng)就是整車的聲學包裝。聲學包裝是由一些特殊設計吸聲或隔聲材料構(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影響用戶對汽車質(zhì)量高低的評價，所以汽車聲學特性的開發(fā)不僅僅是降低噪聲水平，同時也包括調(diào)節(jié)聲音的品質(zhì)，以滿足用戶期待的聲音特性。

聲學包裝的開發(fā)通常貫穿了汽車開發(fā)的全部過程。在汽車開發(fā)的最初階段，一般需要根據(jù)過去的經(jīng)驗或上一個車型的情況，定義在哪些位置使用哪些聲學包裝材料。而聲學包裝部件的最終設計參數(shù)，則需要通過試驗，驗證整車級聲學目標是否實現(xiàn)才能確定。開發(fā)聲學包裝更為有效的方法是在車輛開發(fā)的早期階段應用分析工具來確定聲學包裝部件的最終設計參數(shù)，而不依賴后期才能進行的試驗。理想的情況是后期的試驗僅僅用于檢驗是否達到了整車聲學目標，而不是用來定義部件級的目標。為了達到這樣的目標，必須采用合適的方法來組織現(xiàn)有的試驗，使試驗結(jié)果能夠幫助改進分析的精度和可靠性。這將減少聲學包裝開發(fā)過程對試驗和物理樣車的依賴性。

目前的方法

統(tǒng)計能量分析（SEA）方法是建立在能量分析基礎上、用于分析聲學振動問題的方法，它適合于聲學包裝設計的應用。在一個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)”，并對子系統(tǒng)中儲存的能量和子系統(tǒng)之間交換的能量進行分析。模型中定義耦合子系統(tǒng)之間的功率平衡，并據(jù)此分析從一個子系統(tǒng)向另一個子系統(tǒng)的功率流動。

對于精確的預測來說，子系統(tǒng)的劃分是至關(guān)重要的。每個子系統(tǒng)相對其它子系統(tǒng)或單元來說，必須具備獨立的振動和特性。例如預測動力裝置噪聲的一個簡單SEA 模型可以用三個大的子系統(tǒng)構(gòu)成：即發(fā)動機艙的空間、防火墻結(jié)構(gòu)和乘員艙空間。每個子系統(tǒng)的表現(xiàn)都是獨立的，從而可以分析從一個子系統(tǒng)到另一個子系統(tǒng)的功率流。

在這個簡單的模型中，發(fā)動機子系統(tǒng)提供了聲學激勵，同時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。一部分能量會被吸聲和阻尼作用所耗散，其余的能量要么反射回發(fā)動機子系統(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)建更加復雜的子系統(tǒng)，但功率流平衡的基本假設則是相同的。

聲學泄露的存在會對SEA 模型發(fā)生重大的影響。因此對存在泄露的零件需要通過試驗了解其定量數(shù)值，然后施加到模型上確定特定的零件設計。由于這個原因，在樣車評價時必須采取一定的步驟定量了解聲學泄露，特別是對于那些具有較大聲學泄露的零件或區(qū)域，比如防火墻上的通孔。

聲學材料特性的評價：每一種聲學包裝材料特性的試驗通常都是供應商根據(jù)一定的試驗標準在部件級或材料級進行的。典型部件級特性試驗包括吸聲和聲傳遞損失的測量，它們的大小取決于試驗材料的構(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吸聲系數(shù)（α）來測量。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。測量吸聲系數(shù)可以采用阻尼管進行，相應的試驗標準是ASTM E1050，也可以采用混響室測量，相應的標準是 ASME C423。



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



確定聲學包裝材料的特性為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對吸聲系數(shù)或傳遞損失產(chǎn)生重大的影響。由于這個原因，常常需要采用在安裝位置的測量數(shù)據(jù)驗證部件級材料。

試驗方法：安裝位置傳遞損失的測量方法通常包括在動力總成、車輪罩等位置使用麥克風陣列對被測零件兩側(cè)的特征進行測量。例如對防火墻的聲學處理，聲源側(cè)和接收側(cè)的測量方式如下：將一個聲源安置在發(fā)動機艙（可以是實際的動力總成，也可以是試驗聲源），然后通過在聲源側(cè)和接收側(cè)進行聲學特征對比，從而就可以獲得實際安裝位置的傳遞損失。



這種方法的缺點是不能與諸如SEA 一類的分析工具的應用相結(jié)合。因為它提供的是從聲源到接收方的全局傳遞損失。而SEA 模型需要的是多個局部傳遞損失函數(shù)來進行預測。



更多的細節(jié)方面是如何通過試驗建立聲學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。應用這種方法，就能夠?qū)崿F(xiàn)針對各種聲學處理配置來改進對車內(nèi)生壓級的預測。

工程實例：重載卡車

本研究中，采用了一臺重載柴油卡車作為平臺，進行了試驗方法的開發(fā)和優(yōu)化，目的是改進試驗方法與分析方法的相互配合。整個研究的目標是為分析模型提供數(shù)據(jù)，對預測進行驗證，并應用這些數(shù)據(jù)針對重要的聲學包裝設計方案預測車內(nèi)的噪聲。

本研究中采用了以下主要步驟，我們將對這些步驟逐個進行細致的討論。

車輛的特征化
穿越防火墻的泄露
部件的特征化
聲學合成
預測的驗證

車輛的特征化：我們可以應用聲學包裝來規(guī)劃最終用戶的聲學感受。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，針對的是重型柴油卡車市場。作為實現(xiàn)這個目標的第一步，首先是通過客觀測量和用戶主觀評價獲得對現(xiàn)有市場車輛的理解，從而得到哪些聲學特征是用戶所偏愛的，而哪些特征是用戶所討厭的。

我們對重載柴油卡車市場上的三臺競爭車型進行了客觀測量，目的是得到它們的聲學特征，并進而決定合適的聲品質(zhì)特征參數(shù)，以定量地表達它們的聲學性能。每一臺車都在多種工況下進行了試驗，包擴怠速、部分負荷加速、全負荷加速和巡航工況。在用戶聽取聲音的關(guān)鍵位置都布置了麥克風傳感器，包擴車內(nèi)位置和車外行人位置。

根據(jù)在各工況測量的結(jié)果，組織了試聽研究，以確定主觀聲學性能。然后計算了聲品質(zhì)特征參數(shù)，并與主觀評價進行了相關(guān)性分析。對怠速工況，所確認的關(guān)鍵聲品質(zhì)參數(shù)包括用A 計權(quán)聲壓級反映聲音的幅值、用清晰度指數(shù)反映對車內(nèi)談話的影響、用瞬態(tài)響度的統(tǒng)計值反映柴油機循環(huán)與循環(huán)的波動以及波動的百分比。采用這些聲品質(zhì)參數(shù)構(gòu)建了“有效/無效”的判據(jù)，用于評估對聲學包裝的修改是否會被最終用戶感知到，并校驗聲學包裝導致的車輛聲學性能是否在現(xiàn)行的市場上具備競爭力。

防火墻貫通泄露—為了細化分析模型，對防火墻的貫通路徑進行了詳細的分析，其中包括了下列零件：

電器貫通孔
制動助力器
方向機立柱
HVAC 加熱器和空調(diào)管路
發(fā)動機艙蓋解鎖裝置

采用聲強測量法，對每個貫通部位安裝位置的局部聲傳遞損失進行了測量。在每個位置上都采用了“窗口實驗法”來分析每個部件的影響，其結(jié)果表示在下圖中。



通過這個分析，即可以確定貫通孔對安裝位置全局聲傳遞損失的貢獻。



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

我們使用了一個全車身對每個聲學包裝部件進行特征化。在車身內(nèi)部使用一個體積速度源產(chǎn)生白噪聲激勵，并在多個位置進行了測試，以確定從源多接收點的局部聲傳遞函數(shù)。測試點的位置包括車內(nèi)乘員的位置的內(nèi)部麥克風、沿車身布置的路徑麥克風以及在發(fā)動機和變速箱布置的動力總成的麥克風。



與傳遞損失試驗同時進行的還有對每個聲學包裝位置的聲強和聲功率掃描，目的是計算穿越每個聲學處理的聲功率。測量首先對原始配置展開，并依次逐個拆除聲學包裝部件進行試驗，這樣就能夠獲得每個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“窗口實驗法”，主要用來對單個聲學包裝處理進行評價，降低泄露效應和更精確地確定聲學包裝部件在安裝位置的性能。



對聲學包裝部件在安裝位置的評估提供了每個部件對接收位置車內(nèi)總聲壓的影響的大小，以及對每個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，改進相關(guān)性和預測的精度。



對每個聲學包裝部件的特征化提供了它們在安裝位置所發(fā)生的影響。以次為基礎，就可以針對不同的聲學包裝設計配置預測車內(nèi)的聲壓級。其中包括了拆除某個聲學包裝部件、或修改某個聲學包裝部件性能所產(chǎn)生的影響。



聲學合成：對于聲學包裝的開發(fā)來說，結(jié)合分析工具的需要制定試驗方法和實驗內(nèi)容的最大好處，是在制造樣車之前就能夠預測車內(nèi)聲壓。根據(jù)預測的結(jié)果，可以回放聲音進行試聽研究，在時域和頻域計算聲品質(zhì)參數(shù)，以及預測不同聲學包裝配置導致的車內(nèi)聲壓級。通過這些信息，可以確定為了保證實現(xiàn)整車聲學開發(fā)目標，哪些聲學包裝的部件能夠進行更進一步的優(yōu)化，以及車內(nèi)那些關(guān)鍵的位置需要進行進一步的聲學包裝處理。車內(nèi)聲壓級的合成可以按照下列公式計算：



其中：SPL-rec是預測的車內(nèi)接收點的聲壓；SPL-I是在第 i個子系統(tǒng)界面上測量的聲壓；TL是局部傳遞損失；TF