用統(tǒng)計(jì)能量方法分析和優(yōu)化前圍聲學(xué)包

摘"要：前圍聲學(xué)包是阻隔機(jī)艙內(nèi)噪聲向車內(nèi)傳遞的最主要手段。建立SEA模型，從材料參數(shù)、厚度和覆蓋率等方面分析內(nèi)前圍的隔聲性能，從泄漏方面分析過孔件的隔聲性能，對(duì)前圍聲學(xué)包進(jìn)行優(yōu)化，以提高其隔聲性能，降低整車車內(nèi)噪聲。

關(guān)鍵字：汽車；發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙；SEA；前圍聲學(xué)包；統(tǒng)計(jì)能量法；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TB533+.2""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B""文章編號(hào)：1671-5276（2024）02-0166-04

Statistical Energy Analysis And Optimization of Dash Sound Package

XU Linqian1， YUE Zhiqiang2， GENG Jian2

（1. Qinghai University of Technology，Xining 810028，China； 2. Great Wall Motor Co.， Ltd.， Baoding 071033，China）

Abstract：Dash sound package is the most important means to block the noise in cabin from transmitting to vehicle. This paper builds the SEA model， analyzes the sound insulation performance of the inner enclosure from the aspects of material parameters， thickness and coverage， analyzes the sound insulation performance of the perforated parts in terms of leakage， and optimizes the dash sound package of the front enclosure， so as to improve its sound insulation performance and reduce the noise in vehicle.

Keywords：vehicle；engine cabin；SEA；dash sound package；statistical energy method；optimization

0"引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)汽車的關(guān)注不僅僅在外造型與使用方面，還考慮乘坐的舒適性［1］。汽車的舒適性與NVH（noise vibration harshness）性能有關(guān)，聲學(xué)包是汽車廠家降低整車車內(nèi)噪聲水平的關(guān)鍵手段之一［2］。

前圍聲學(xué)包包括內(nèi)、外前圍隔熱墊以及各種過孔件包括線束、離合踏板、制動(dòng)踏板、油門踏板、轉(zhuǎn)向管柱、空調(diào)的暖水管、膨脹閥和進(jìn)風(fēng)口等［3］。前圍聲學(xué)包是機(jī)艙內(nèi)噪聲向車內(nèi)傳遞的主要路徑之一，能夠有效吸收機(jī)艙內(nèi)噪聲并阻隔其向車內(nèi)的傳遞。前圍聲學(xué)包NVH性能對(duì)車內(nèi)降噪和車內(nèi)聲品質(zhì)提升起到重要作用［4］。內(nèi)前圍隔熱墊是前圍聲學(xué)包中最主要的產(chǎn)品之一。

利用某款車的前圍鈑金建立SEA（SEmantic-aware Alignment）模型，從材料參數(shù)、厚度和覆蓋率等方面分析內(nèi)前圍的隔聲性能，從泄漏方面分析過孔件的隔聲性能，對(duì)前圍聲學(xué)包進(jìn)行優(yōu)化，提高其隔聲性能，降低整車車內(nèi)噪聲，提高聲品質(zhì)。這對(duì)汽車前期設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。

1"分析原理

1.1"SEA統(tǒng)計(jì)能量原理

統(tǒng)計(jì)能量SEA可將整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)分解為若干耦合的子系統(tǒng)，每一個(gè)子系統(tǒng)代表一組模態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)的各種參數(shù)建立起各個(gè)子系統(tǒng)間能量流動(dòng)的關(guān)系，每一子系統(tǒng)耗散和傳遞能量，應(yīng)用能量守恒原理于每個(gè)子系統(tǒng)及整個(gè)系統(tǒng)，通過求解能量平衡方程得到每個(gè)子系統(tǒng)上能量，從而得到最后的響應(yīng)。采用統(tǒng)計(jì)模態(tài)、能量功率流來描述各子系統(tǒng)的狀態(tài)和系統(tǒng)間的相互作用關(guān)系，將噪聲問題表達(dá)為子系統(tǒng)間的能量關(guān)系，再將能量轉(zhuǎn)換成聲壓級(jí)來表示噪聲大小［5］。

SEA模型的建立需要一定的特定條件：保守耦合系統(tǒng) 、“弱耦合”連接、 每個(gè)波段上各個(gè)模態(tài)能量相以及激勵(lì)源互不相干、共振響應(yīng)、共鳴響應(yīng)等。

兩個(gè)子系統(tǒng)的能量分析模型如圖1所示。建立兩個(gè)子系統(tǒng)間的功率流關(guān)系方程：

∏1=ωη1E1+ωη12E1－ωη12E2（1）

∏2=ωη2E2+ωη21E2－ωη12E1（2）

對(duì)于N個(gè)子系統(tǒng)的大系統(tǒng)，功率流方程組可以表示為

ωηE=∏（3）

式中：ω為子系統(tǒng)的固有頻率；η為阻尼損耗因子；E為子系統(tǒng)能量；∏為輸入能量［6］。

1.2"前圍系統(tǒng)隔聲量

前圍系統(tǒng)由前圍鈑金、內(nèi)外前圍隔熱墊及各種過孔件等組成。由于材質(zhì)和厚度等原因造成透射系數(shù)不一致，為求前圍系統(tǒng)的隔聲量，需求平均透射系數(shù)τ［7］：

τ-=τ1s1+τ2s2+…+τnsns1+s2+…+sn=∑ni=1τisi∑ni=1sn（4）

前圍系統(tǒng)的隔聲量

STL=10lg（1/τ-）（5）

插入損失IL表示內(nèi)前圍隔熱墊出現(xiàn)前后某固定點(diǎn)的噪聲聲壓級(jí)的降低：

IL=STL1-STL2（6）

式中：STL1表示鈑金+件的隔聲量；STL2表示鈑金的隔聲量。

1.3"等效厚度

由于內(nèi)前圍隔熱墊厚度不一，為了對(duì)前圍隔熱墊的空間合理描述，所以引入等效厚度定義：

d-=∑ipi/d2i－1/2（7）

式中：d為厚度；pi為各部分的占比。

2"模型的建立

2.1"SEA模型

基于某款車型前圍鈑金的有限元模型，建立SEA仿真分析模型如圖2所示。劃分子系統(tǒng)，共17個(gè)，其中有6個(gè)是過孔件的子系統(tǒng)。在SEA統(tǒng)計(jì)能量模型中，建立了2個(gè)聲腔，1個(gè)模擬混響室，1個(gè)模擬全消聲室，前圍鈑金置于兩聲腔之間，在混響室聲腔上加載1Pa單位聲壓，如圖3所示。

2.2"模型輸入?yún)?shù)

以內(nèi)前圍隔熱墊材質(zhì)為EVA+PU發(fā)泡的分析為例，在SEA模型中，輸入鈑金和EVA的參數(shù)（密度ρ、彈性模量E、泊松比ν、阻尼損耗因子η）如表1所示，PU發(fā)泡的材料參數(shù)如表2所示。

3"SEA 仿真分析

內(nèi)前圍隔熱墊的隔聲性能與自身的材料參數(shù)、厚度和覆蓋率等因素有關(guān)［8］。泄漏一般由過孔件（線束膠套、轉(zhuǎn)向管柱膠套、真空助力泵等）引起的。材料參數(shù)、厚度、覆蓋率和狀態(tài)的仿真分析關(guān)閉過孔件連接，泄漏的分析打開過孔件連接。

3.1"材料參數(shù)的影響

EVA的厚度為2mm，分別計(jì)算PU發(fā)泡密度為80和60（表3）的插入損失，如圖4所示（本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者），PU發(fā)泡60的IL比PU發(fā)泡80的IL高0～1.2dB，密度降低20kg/m3，前圍隔熱墊的隔聲性能提升。

鈑金—PU發(fā)泡—EVA形成“質(zhì)量—彈簧—質(zhì)量”系統(tǒng)如圖5所示。PU發(fā)泡60的材料較軟，能量衰減得多，透射的能量少，IL相對(duì)高。PU發(fā)泡的參數(shù)與配方和生產(chǎn)工藝有關(guān)，通過調(diào)整材料配方、比例和工藝等實(shí)現(xiàn)。合理的材料參數(shù)可實(shí)現(xiàn)隔聲性能不變，同時(shí)使零部件輕量化。

3.2"厚度的影響

對(duì)內(nèi)前圍隔熱墊做厚度分布，厚度分布占比如表4所示，根據(jù)等效厚度式（7）計(jì)算，等效厚度為11mm、10mm以下厚度占比為27.85%，比重較大。調(diào)整各個(gè)厚度占比，使等效厚度分別為15mm和20mm，內(nèi)前圍隔熱墊不同厚度的隔聲性能對(duì)比如圖6所示，等效厚度15mm的IL比等效厚度10mm的IL高0.4～2.5dB，等效厚度20mm的IL比等效厚度15mm的IL高0～3dB。合理的厚度分布即空間布局對(duì)提升IL有特別重要作用。

3.3"覆蓋率的影響

前圍鈑金為了安裝線束過孔、空調(diào)膨脹閥和空調(diào)進(jìn)風(fēng)口等過孔，生產(chǎn)時(shí)不得不沖壓出凹凸臺(tái)以及加強(qiáng)筋之類的結(jié)構(gòu)；上下鈑金間焊接時(shí)留下的焊縫和一些工藝空洞以及共同焊接在一起的突出部分；為了增強(qiáng)剛度，增加的加強(qiáng)板；為了安裝制動(dòng)和油門踏板，安裝較大的支架；內(nèi)前圍隔熱墊很難完全覆蓋［9］。如圖7所示，覆蓋100%的IL在5 000Hz以上頻段比覆蓋率99.99%的IL高0.3～1.6dB；覆蓋100%的IL在1 000Hz以上頻段比覆蓋率99%的IL高0.9～16dB；覆蓋率減少1%，隔聲性能下降16dB，性能嚴(yán)重衰減。提升內(nèi)前圍隔熱墊的覆蓋率對(duì)前圍聲學(xué)包IL至關(guān)重要。

3.4"泄漏的影響

輸入過孔件的隔聲量，打開各個(gè)過孔的連接仿真分析［10］，如圖8所示，不打開過孔的IL比打開過孔的IL在全頻段高0.2～14.5dB，過孔件的隔聲性能低于鈑金加內(nèi)前圍隔熱墊。

通過分析，過孔件隔聲在全頻段衰減，已經(jīng)嚴(yán)重削弱了前圍聲學(xué)包的隔聲能力。在前圍聲學(xué)包設(shè)計(jì)過程中，要嚴(yán)格控制過孔件的聲密封，減少聲泄漏的產(chǎn)生。過孔件的隔聲量需要達(dá)到或者超過前圍鈑金加隔熱墊的隔聲量。

4"前圍聲學(xué)包優(yōu)化

根據(jù)仿真分析的結(jié)論，在滿足現(xiàn)有前圍聲學(xué)包結(jié)構(gòu)和空間不變的情況下，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化：

1）空調(diào)膨脹閥由單邊覆蓋優(yōu)化為雙邊覆蓋，一邊覆蓋鈑金，一邊覆蓋前圍隔熱墊，如圖9所示；

2）前圍隔熱墊在線束過孔處開米字孔，增加前圍隔熱墊覆蓋率，如圖10所示；

3）前圍隔熱墊安裝螺柱由8個(gè)變?yōu)?2個(gè)，分布均勻，減少前圍隔熱墊的不貼合問題；

4）在駕駛室側(cè)轉(zhuǎn)向管柱增加一個(gè)護(hù)罩，材質(zhì)為PP+ABS+吸音棉。

針對(duì)優(yōu)化前后實(shí)車隔聲量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，車輛放置在全消聲室或半消聲室，車內(nèi)模擬混響場(chǎng)，車外為消聲場(chǎng)［11］。優(yōu)化后，前圍系統(tǒng)隔聲量提高0.8～6.4dB（圖11），效果明顯。進(jìn)行車內(nèi)噪聲測(cè)試，駕駛員右耳的聲壓級(jí)降低0.5dB（A），語言清晰度提高2%AI。優(yōu)化前圍系統(tǒng)聲學(xué)包后，車內(nèi)噪聲降低，車內(nèi)聲品質(zhì)提高。

5"結(jié)語

1）通過SEA仿真分析前圍系統(tǒng)聲學(xué)包，對(duì)聲學(xué)包的優(yōu)化提供實(shí)際的數(shù)據(jù)支持，縮短開發(fā)周期，避免前期問題。

2）通過仿真分析，合理的材料參數(shù)可以減小質(zhì)量，保證隔聲性能不降低且實(shí)現(xiàn)輕量化。

3）前期設(shè)計(jì)預(yù)留空間，實(shí)現(xiàn)厚度的合理分布，提升前圍系統(tǒng)的隔聲性能。

4）較高的覆蓋率，過孔件的隔聲量超過或等于鈑金加隔熱墊的隔聲量，避免聲學(xué)泄漏。

5）鈑金盡量避免凸臺(tái)設(shè)計(jì)，平面盡量平整，有利于前圍隔熱墊與鈑金貼合。

6）過孔件的隔聲能力提升還需進(jìn)一步研究。

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收稿日期：20221010