基于車身模態和板塊貢獻分析的阻尼優化降噪方法研究

第一作者 張一麟 男，博士生，1987年生

通信作者 蔣偉康 男，博士，教授，博士生導師，1961年生

基于車身模態和板塊貢獻分析的阻尼優化降噪方法研究

張一麟1, 廖毅2, 莫品西1, 周江奇2, 嚴莉1， 蔣偉康1

(1.上海交通大學 振動沖擊噪聲研究所，上海200240； 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007)

摘要：車身結構上的阻尼材料優化布置對車內振動和噪聲控制有重要的意義。以某實車的白車身為研究對象，基于有限元法和邊界元法對車內聲腔進行聲場分析和車身板塊進行聲學貢獻量分析，找出車內場點噪聲聲壓峰值頻率及對應的貢獻量較大的板塊。進而基于白車身模態振型分析，對車身部件上的局部約束阻尼的敷設位置進行優化配置。分析了阻尼優化布置前后分別在懸置、前懸架和后懸架等不同位置處激勵下的車內噪聲，確認了降噪優化方案的有效性，并在實車上進行了驗證。結果表明，對車身相關板塊進行局部阻尼處理后，降低車內噪聲2 dB(A)，證明了該方法的有效性。

關鍵詞：模態振型；板塊貢獻度；阻尼優化布置

收稿日期：2013-12-11修改稿收到日期：2014-03-14

中圖分類號:TH122文獻標志碼： A

Damping optimization noise reduction technique based on modal and panel contribution analysis

ZHANGYi-lin1,LIAOYi2,MOPin-xi1,ZHOUJiang-qi2,YANLi1,JIANGWei-kang1(1. Institute of Vibration, Shock & Noise, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou 545007, China)

Abstract:The optimal layout of damping materials plays an important role in vibration and noise control of vehicle inside. The body in white (BIW) of a certain car was studied here. Based on the finite element method and boundary element method, the acoustic field inside the car and the panel contribution to the vehicle were analyzed. Then, the peak frequencies in the sound pressure spectrum at the field points and their corresponding panels with larger contributions to the car were found. Based on the modal analysis of the BIW, the layout of the constrained damping materials was optimized. The noise responses inside the car to the excitations at the engine mount, front suspension and rear suspension were analyzed before and after the damping optimization, and then the validity of this technique was verified. The results of the actural car tests showed that after adding the optimized damping material layout on the vehicle body, the interior noise of the vehicle reduces 2dB (A).

Key words: modal shape; panel contribution; damping optimal layout

車內噪聲是影響舒適性的重要因素，并已經成為汽車質量評價的重要標準。車內噪聲的來源按其傳播途徑可以分為結構噪聲和空氣噪聲兩個主要部分[1]。其中，空氣噪聲主要包括排氣管噪聲，發動機噪聲，輪胎噪聲，風噪聲以及外部環境噪聲，這些噪聲通過車身直接傳播至車內；結構噪聲是汽車車身的薄壁板結構在受到懸架，發動機等激勵后，產生振動并向車內輻射的噪聲。通常認為，在低頻段(200 Hz以下)，車內噪聲以結構噪聲為主。對車身板件進行阻尼處理，是降低這一部分噪聲的重要途徑，國內外學者在這方面進行了大量的研究與應用[2]。

傳統的減振設計中，阻尼材料通常被完全覆蓋于結構表面，通過對阻尼材料的種類，層數及厚度等進行優化，控制噪聲[3],但付出的重量和成本代價較高。為降低成本及提高阻尼材料的利用效率，實際車身結構中，阻尼材料往往僅敷設在地板、前圍板、車頂等[4]。在車身局部位置，如何確定阻尼材料的最佳黏貼位置是優化設計的關鍵。其中，郭中澤[5]基于阻尼材料的模態損耗因子靈敏度分析，利用漸進結構優化法，得到了以模態損耗因子最大為目標的優化設計。楊德慶[6]提出了阻尼胞單元和阻尼拓撲靈敏度的概念，建立了相應的拓撲優化感性準則。鄭玲[7]采用進化算法，研究了基于優化準則的約束阻尼結構的拓撲優化方法。焦映厚[8]采用響應面法，對約束條件下的最佳阻尼復合結構的參數匹配進行了優化設計。

以某款微型面包車為研究對象，以降低其在0～200 Hz頻段的車內聲壓為研究目標，對其白車身結構及其內部聲腔分別建立了對應的有限元模型和邊界元模型。通過仿真計算得到車內若干場點的聲壓頻譜，確定了聲壓峰值頻率。進而通過聲學板塊貢獻量分析，得到各峰值頻率的主要貢獻板塊。之后基于白車身結構的模態振型，確定局部約束阻尼的黏貼位置。對黏貼阻尼后的模型分別進行仿真計算和實車試驗，檢驗優化布局后的車內降噪效果。

1車身結構數值仿真分析

1.1白車身及車內聲聲腔數值模型

采用Hypermesh軟件建立目標車型白車身有限元模型(見圖1)，白車身結構模型主要由鈑金件構成，采用殼單元模擬，焊點用rbe2模擬。根據結構的特征參數，建立對應的聲學邊界元模型，并與有限元模型相結合成聯合計算模型(見圖2)。在數值分析時，忽略車內流場對結構的耦合作用。通過“數據映射”，直接將通過有限元仿真得到的模型表面振速映射到邊界元網格上，兩者的單元尺寸和網格無需完全保持一致，簡化了邊界元模型的計算。

為了模擬車輛實際行駛時的激勵情況，仿真分析中考慮了三種激勵形式：① 發動機懸置激勵；② 前懸架激勵；③ 后懸架激勵。

圖1　白車身結構有限元模型 Fig.1 FE model of the body of the vehicle

圖2　車內聲腔邊界元模型及聯合計算模型 Fig.2 BE model of the sound cavity inside the vehicle and the united-computational model

1.2車內聲場頻率響應分析

為了分析車內聲腔的聲學特性，在駕駛員，副駕駛和后排乘客中心處，對應頭部位置高度各布置一個場點，計算三種激勵下這些場點的聲壓響應。

圖3為在0～200 Hz，三種激勵條件下，三場點的聲壓頻譜曲線，步長2 Hz。從圖3可知，在相同激勵等條件下，三場點的聲壓峰值頻率基本保持一致。對應各激勵條件，挑選出最明顯的6～7個峰值頻率，作為關注頻率(見表1)。這是車內噪聲能量主要集中的頻率，通過控制車身結構在這些頻率處的振動能量，即能有效地降低車內噪聲。

圖3　車內各場點位置處聲壓頻響曲線線譜圖 Fig.3 Spectrum of SPL at field points inside the vehicle

表1　各場點位置處峰值頻率

2車內聲學板塊貢獻量分析

車內噪聲在0～200 Hz主要是由車身的各板件的振動所產生的結構噪聲，場點處聲壓可以認為是各板件振動引起的聲壓的疊加。為進一步分析車身板件在各峰值頻率對場點聲壓的影響，將聲學邊界元網格分成12組，其對應的車內板件見表2，分析各組板塊的聲學貢獻量。

表2　聲學網格各分組對應位置

使用LMS Virtual lab Acoustic軟件計算各組在表1所示各峰值頻率點上，三場點的聲學貢獻量。找到聲學貢獻量較大的板塊，通過在這些板塊處配置局部阻尼，抑制其振動，即能最有效的利用阻尼材料，達到降低車內噪聲。

以發動機懸置激勵在60 Hz峰值頻率點的結果為例，其車內聲腔各組板塊對三個場點歸一化后的聲學貢獻量見圖4。

圖4　三場點車內各組部件聲學貢獻量分布圖 (60 Hz，發動機懸置處激勵) Fig.4 Acoustic Contribution of each group at field points (60 Hz, exciting on the engine mount)

分別從每個位置中選取貢獻量最大的三個板塊，看作“主要貢獻板塊”。按照同樣的方法分析表1中的其余峰值頻率和另外兩種激勵條件下的結果，統計各板塊作為“主要貢獻板塊”的出現次數，最后結果見圖5。

圖5　各組板塊作為“主要貢獻板塊”出現次數統計 Fig.5 Occurrence statistics of each groups as “main contribution group”

從圖5中選出各激勵條件下出現次數最高的前4組板塊，結果為：(發動機懸置激勵)左、右側圍，前隔板，前地板；(前懸架激勵)左側圍，左、右后輪罩，車頂；(后懸架激勵)左、右側圍，車頂，后地板。可以認為，這些板塊是對車內場點聲壓貢獻最大的板塊，在這幾個部件上添加局部阻尼材料，可以最大效率的利用阻尼材料，達到降噪。同時記錄下這些板塊作為主要貢獻板塊出現時所對應的峰值頻率，此頻率可以被看作該板塊振動能量集中的頻率，作為接下來模態分析的主要參考頻率(相關數據量較大，這里不予列出)。

3基于模態振型的阻尼布局分析

常用的阻尼布局分為自由阻尼和約束阻尼兩種。自由阻尼：直接將阻尼材料粘貼到結構表面，當結構發生彎曲振動時，引起阻尼層的拉伸壓縮變形來消耗能量。約束阻尼：在自由阻尼材料上增加了約束層，結構振動時，由于結構和約束層變形不一致，在阻尼層中產生剪切變形，進而消耗能量。針對約束阻尼，取結構的某一階模態，將阻尼分布與該階模態振型相匹配，在振型中剪切形變最大的位置敷設約束阻尼層，即可最大程度消耗掉該模態的振動能量。之前的仿真分析得到了對車內聲場聲學貢獻量最大的若干組板塊和對應的能量集中的頻率，通過在這些板塊上添加局部阻尼材料來抑制這些部件的振動，進而降低其聲輻射。在無法對板塊整體進行阻尼材料添加的情況下，通過這些板塊在其能量集中的頻率處的模態振型，找到其模態振型的節線位置。在這些位置處，振動時產生的剪切應變最為顯著。在這些位置處布置約束阻尼材料，能最為有效的消耗振動的能量，產生最大的振動抑制作用。

以車頂板塊為例說明阻尼材料的布置方案，首先找出車頂部件作為“主要貢獻板塊”出現時的峰值頻率。為：70 Hz、72 Hz、102 Hz、144 Hz、174 Hz和182 Hz，查看在這些頻率處，白車身模態分析結果中對應的車頂部件的模態振型(見圖6)。

圖6　車頂板塊在主要貢獻頻率處模態振型 Fig.6 Mode shape of the roof group at frequencies of main contribution

從圖6可知，在較低頻率時(70 Hz、72 Hz)，可以清楚分辨車頂部件模態振型中的節線位置。當頻率進一步升高，雖然仍有節線存在，但分布很密且位置隨頻率變化很大，這時如要降低其振動水平，需整體鋪設阻尼材料，降低了阻尼材料的使用效率。同時，低階模態的模態參與因子也較高，對整體振動能量的貢獻也大于高階模態。這里以前兩個峰值頻率處的模態振型為主要參考，最后車頂位置處阻尼材料鋪設位置示意見圖7中黑色部分所示。條狀局部約束阻尼的具體寬度可根據實際情況作相應調整，假設添加的阻尼材料總面積不大于該部件面積的1/2，寬度為120 mm。

按此法對其余部件作同樣分析，包括左右側圍，前隔板，前后地板和左右后輪罩，得到其余部件的局部阻尼材料配置結果。

圖7　車頂阻尼材料配置方案示意圖 Fig.7 Schematic configuration of damping material on the roof

4阻尼材料對車內聲場的影響

4.1數值仿真驗證

通過上述分析，找出了主要聲學貢獻部件，得到了該部件上的約束阻尼材料優化布置的位置。按照上述結果，對車身結構模型進行阻尼處理，仿真計算在局部布置阻尼材料下車內聲場的響應，同未添加阻尼材料時的結果相對比。

以在發動機懸置激勵下的結果為例，圖8為添加阻尼材料前后駕駛員與乘客位置處聲壓頻譜對比圖。從圖8可知，局部添加了阻尼材料以后，車內場點的聲壓級整體下降，0～200 Hz的總聲壓級下降2～3 dB。前后懸架激勵下的結果與發動機懸置激勵下結果一致，也有2～3 dB的降噪效果。

圖8　阻尼材料對車內聲壓影響(發動機懸置激勵) Fig.8 Influence of damping material on SP

4.2試驗驗證

為了驗證上述阻尼配置方案在實車行駛過程中對車內噪聲的影響，選擇仿真時使用的某款微型面包車作為實驗對象，進行阻尼布置。在實際布置時，發現實車的前后地板表面已經整體涂有一層瀝青基，前隔板上也覆蓋有帶阻尼效果的羊毛氈隔熱層，故僅在車頂和左、右側圍的外部上布置了約束阻尼材料(見圖9)。實驗中所使用的阻尼材料為表面敷設有一層硬質鋁膜的約束阻尼材料，參照國際標準“ASTM E756-05”實驗測量其損耗因子在100 Hz和200 Hz處約為0.4。

圖9　車頂及側圍阻尼材料布置示意圖 Fig.9 Schematic layout of damping materials on the roof and side panels

為了測量車內聲場，在正、副駕駛，前、后排乘客座椅上，靠近乘客頭部位置處共布置7個傳聲器(見圖10)。選擇車輛行駛在3檔勻速30 km/h時的工況作為實驗的行駛狀態， 7個測點的聲壓值作為車內聲場的評價依據。

圖10　車內傳聲器布置示意圖 Fig.10 Schematic layout of the microphones inside the vehicle

圖11　阻尼材料布置對車內聲場的影響 Fig.11 Influence of damping material on SP inside the vehicle

選取駕駛員位置測點S1和乘客位置測點S4(見圖10)處為例，測試結果(見圖11)。從圖11可知，布置阻尼材料后，車內聲場產生明顯的改善，聲壓級頻譜整體下降，并在某些峰值頻率處降低約5 dB。進一步觀察三分之一倍頻程譜的結果(見圖12)。在0～200 Hz，駕駛員位置處測點在除了125 Hz和200 Hz的其他頻段內，聲壓級均下降約2 dB，0～200 Hz的總聲壓級下降1 dB；乘客位置處測點在除50 Hz以外的頻段內，聲壓級均下降1～3 dB，尤其在能量較高的125 Hz～200 Hz頻段內降噪效果明顯，在0～200 Hz的總聲壓級下降2.2 dB。可以認為，在車頂和側圍優化配置了阻尼材料后，降噪效果明顯。

實車驗證中敷設阻尼材料后的降噪效果略小于仿真分析，這是由于仿真時的基準是沒有經過任何阻尼處理的白車身，而實車在前后地板和前隔板位置處已敷設有阻尼材料。此外，實車在這些位置的阻尼材料為整體敷設，成本較高，如按照本方案，同樣改為局部敷設，也能達到一樣的阻尼效果，并且降低成本，提高阻尼材料的利用效率。

圖12　阻尼材料布置對車內聲場的影響 (三分之一倍頻程) Fig.12 Influence of damping material on SP inside the vehicle (1/3 Octave results)

5結論

(1) 根據車身結構模態振型和板塊聲學貢獻量分析結果，在車身上對局部約束阻尼進行優化配置。在實車30 km/h行駛條件下，駕駛員和乘客位置處總聲壓級分別降低1.0 dB和2.2 dB，取得明顯的車內降噪效果。

(2) 通過車身部件的結構模態振型直接確定了阻尼材料的敷設位置，簡化了阻尼材料優化配置的計算過程，提高了阻尼材料的利用效率，有助于工程利用。

參 考 文 獻

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