聲子晶體理論下的汽車頂棚減振優(yōu)化探索

周秋生

（寧波福爾達(dá)智能科技有限公司 315321)

1 汽車頂棚振動和噪聲問題研究背景及現(xiàn)狀

汽車頂棚產(chǎn)生的振動和噪聲問題成為抵制汽車向更高層次發(fā)展的瓶頸，基于消費者對汽車乘坐的舒適性需求，要重點研究汽車頂棚振動和噪聲問題。由于汽車在高速運行的狀態(tài)下，會出現(xiàn)來自于汽車外部和內(nèi)部的噪聲，具體表現(xiàn)為：汽車內(nèi)部噪聲，如發(fā)動機(jī)和變速器高速運轉(zhuǎn)時生成的機(jī)械振動現(xiàn)象，由底盤、車架及頂棚進(jìn)入到車身部分支點中，從而引發(fā)汽車內(nèi)部的振動噪聲，同時，還有風(fēng)扇、渦輪增壓器等運行時的噪聲，都會使車身與空間產(chǎn)生摩擦而形成空氣動力紊流；汽車外部噪聲，如汽車鳴笛聲、風(fēng)噪聲及環(huán)境噪聲，也會由各種縫隙、孔洞及頂棚天窗等而進(jìn)入車體內(nèi)部[1]。

現(xiàn)有的汽車內(nèi)部振動及噪聲控制方法，主要是針對支撐設(shè)備的板殼體結(jié)構(gòu)的振動問題而采取措施，主要包括以下3點。

1.1 對振動噪聲源進(jìn)行消振控制和處理

對于發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)的振動，是通過改變和優(yōu)化振動結(jié)構(gòu)的材料方式，達(dá)到抑制、消除振動及噪聲的目的，通常選取高分子材料和阻尼合金材料加以控制。同時，還可以將高精密的零部件設(shè)置在機(jī)器關(guān)鍵部位，提升振動部位的裝配精度，減少和消除共振現(xiàn)象。

1.2 傳輸路徑中的振動隔離控制

可以將吸聲棉安裝于汽車頂棚中，還可以將減振器或地毯安裝于車體內(nèi)部，利用這些材料的獨特彈性及阻尼作用，達(dá)到削弱振動及噪聲的效果。這種方式主要廣泛應(yīng)用于車體內(nèi)部飾品的安裝，從而達(dá)到減振和降噪的目的。

1.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)，實現(xiàn)隔振、吸振功能

這是將具有特殊性能的超材料粘貼于接收對象的外表面，轉(zhuǎn)換其接收的振動及噪聲，將其由動能轉(zhuǎn)化為熱能加以損耗，從而達(dá)到抑制振動和噪聲的作用。同時，還可以采用增加車身的密封性能，采用車身加筋處理及涂貼阻尼層等措施，進(jìn)而抑制振動和噪聲。

上述這些傳統(tǒng)技術(shù)可以較好抑制和吸收汽車內(nèi)部高頻噪聲，然而對于車體內(nèi)部大面積板殼結(jié)構(gòu)設(shè)備自身的振動以及500 Hz以下的中低頻噪聲而言，這些技術(shù)卻沒有太好的效果。為此，要引入聲子晶體理論和思想，采用更加有效的人工周期性復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，以解決大面積板殼結(jié)構(gòu)設(shè)備振動及中低頻噪聲的問題。

2 聲子晶體理論研究概述

聲子晶體是一種新型的隔音材料，具有一定頻率范圍的彈性波帶隙。在其組成部分中添加了壓電材料、節(jié)電彈性體及形狀記憶合金等智能材料，由不同的材料組成人工周期性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在帶隙之內(nèi)的彈性波無法在聲子晶體中進(jìn)行傳播。當(dāng)聲子晶體結(jié)構(gòu)顯示出非周期性或非對稱性的狀態(tài)時，帶隙頻率范圍內(nèi)的彈性波會在缺陷部位生成局域態(tài)現(xiàn)象，可以較好地起到人工調(diào)控彈性波的動態(tài)狀態(tài)效果，實現(xiàn)對聲音的濾波轉(zhuǎn)換。由此可見，聲子晶體的帶隙特征以其超強(qiáng)的可設(shè)計及人工調(diào)控性，控制和改變材料或結(jié)構(gòu)參數(shù)，形成一定頻率范圍內(nèi)的無振動環(huán)境，可較好的滿足汽車頂棚減振和降噪需求，是新型高效的減振方法。

我國研究提出的基于局域共振機(jī)理的三維聲子晶體模型，是一種空間周期性點陣結(jié)構(gòu)，其帶隙特性取決于局域共振單元的共振特性。由于其帶隙對應(yīng)的波長與晶格常數(shù)不在同一個數(shù)量級，帶隙頻率范圍較窄，對應(yīng)的彈性波衰減幅值也較小，可以實現(xiàn)良好的低頻降噪效果。經(jīng)過研究表明，20 mm厚的局域共振型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料就可以較好屏蔽和吸收低頻彈性波噪聲，實現(xiàn)“小尺寸控制大波長”的低頻減振降噪效果。局域共振型聲子晶體板結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路主要體現(xiàn)為以下3種：在具有周期性通透孔穴的薄板上開出一個特殊孔穴結(jié)構(gòu)，并嵌入局域共振單元；在外表面完整封閉的板結(jié)構(gòu)中設(shè)計局域共振單元；在破壞基體板結(jié)構(gòu)的均勻性和完整性前提下，建構(gòu)周期性排列垂直方向的“彈簧振子”結(jié)構(gòu)。

3 聲子晶體結(jié)構(gòu)在汽車頂棚減振降噪中的優(yōu)化應(yīng)用探索

聲子晶體結(jié)構(gòu)是當(dāng)前針對汽車頂棚減振降噪的前沿技術(shù)。由于板狀聲子晶體結(jié)構(gòu)顯示出優(yōu)越的帶隙特性，能夠?qū)崿F(xiàn)“小尺寸控制大波長”的低頻減振降噪效果。所以，要建構(gòu)汽車頂棚具有帶隙特性的復(fù)合聲子晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)合汽車頂棚板殼結(jié)構(gòu)的實際工況，將薄板的彎曲振動簡化為“歐拉伯努利梁”的縱向振動，使聲子晶體在汽車頂棚結(jié)構(gòu)減振降噪中能夠得以實現(xiàn)[2]。

3.1 阻尼結(jié)構(gòu)下的汽車頂棚振動抑制分析

為了抑制汽車頂棚的振動，可以采用鋪設(shè)阻尼層的方式，對汽車頂棚進(jìn)行特殊的阻尼處理，衰減來自于各層面的振動能量，實現(xiàn)減振降噪的效果。一般來說有2種阻尼處理方式：自由阻尼處理，是依賴于阻尼層的粘滯特性，衰減和損耗薄板結(jié)構(gòu)的彎曲振動能量，使之由動能轉(zhuǎn)換為熱能損耗，從而達(dá)到減振降噪的效果；附加約束阻尼處理，是在黏彈性阻尼層中添加一層約束阻尼層，形成一種夾芯層阻尼層結(jié)構(gòu)，它會在頂棚薄板的彎曲振動下生成剪切應(yīng)變力，從而將汽車頂棚的動能轉(zhuǎn)化為熱能損耗，實現(xiàn)減振降噪的目的。

在實際應(yīng)用之中通常采用自由阻尼處理方式，其相關(guān)的參數(shù)為：彈性模量為60 MPa；泊松比為0.49；密度為1 140 kg/m3；損耗因子為0.68。一般來說，選取2 mm厚的阻尼層，可以較好實現(xiàn)中低頻噪聲的處理，如果阻尼層厚度過大，則會降低中低頻減振降噪的效果。

3.2 聲子晶體結(jié)構(gòu)在汽車頂棚上的應(yīng)用分析

可以在汽車頂棚結(jié)構(gòu)中應(yīng)用板狀聲子晶體結(jié)構(gòu)，在汽車頂棚薄板結(jié)構(gòu)中添加強(qiáng)肋板和阻尼層結(jié)構(gòu)，優(yōu)化相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)，建構(gòu)汽車頂棚的“彈簧振子”結(jié)構(gòu)區(qū)域，并將4 mm厚的阻尼條安裝于板狀聲子晶體結(jié)構(gòu)之間，確保汽車頂棚結(jié)構(gòu)施工的準(zhǔn)確定位和工業(yè)化生產(chǎn)。

可以建構(gòu)相同尺寸的汽車頂棚聲子晶體結(jié)構(gòu)薄板模型，在導(dǎo)入有限元軟件（Comsol）的前提下，仿真模擬聲子晶體結(jié)構(gòu)模型。通過對比可知，引入板狀聲子晶體結(jié)構(gòu)的汽車頂棚可以形成一定頻段的帶隙，較好實現(xiàn)對彈性波振動的抑制。

由于汽車車身的頂棚板殼結(jié)構(gòu)會受到各種噪聲源影響，傳統(tǒng)的優(yōu)化振動部件、消聲器等措施難以達(dá)到減振降噪的效果。為此，要基于聲子晶體理論和思想，利用板狀聲子晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)良帶隙特性，采用阻尼粘貼等措施，對因彈性波而引發(fā)的車身頂棚板殼振動現(xiàn)象實現(xiàn)抑制，衰減多方面激勵而引發(fā)的振動能量，尤其是降低中低頻噪聲的處理應(yīng)用，體現(xiàn)出良好的減振降噪優(yōu)化效果。