基于聲能量傳遞分析的空腔阻隔結構布置方案設計

牛勝福， 張立軍， 趙英龍， 孟德建， 曹 誠， 陳 陽， 馬扎根， 余卓平

(1. 同濟大學 汽車學院，上海 201804； 2. 上汽大眾汽車有限公司，上海 201805； 3. 上海華特汽車配件有限公司，上海 201822)

在汽車產品開發過程中，由于車身側圍結構形式不可避免地出現一些空腔連通車內外，從而導致車外噪聲等環境因素進入乘員艙[1]，各大整車廠通過側圍填充技術阻斷空氣聲在側圍空腔的傳遞[2]。目前針對空腔阻隔結構的降噪性能和傳遞損失，在材料級[3]、部件級[4]都展開過研究，并已有相關試驗標準[5-6]。針對低頻范圍內阻隔結構填充技術的研究已比較成熟，研究者主要通過試驗和仿真手段測試車身及側圍空腔模態的變化[7]，探究阻隔結構抑制側圍空腔結構聲的效果[8]。而汽車側圍空腔的泄漏空氣聲以中高頻為主[9]，目前針對中高頻范圍內的研究大多是通過試驗手段比較空腔阻隔結構的性能及隔聲效果[10]，非常耗時耗力。雖有部分研究者利用統計能量分析建立整車SEA模型[11-12]，得出車身空腔噪聲能量云圖[13]，從而指導阻隔結構布放位置，但未關注空氣聲在側圍的傳遞路徑，對汽車生產過程中的成本控制是不利的。

本文利用基于SEA所建立的側圍簡化模型，進行聲能量從激勵源至艙內聲腔的傳遞分析，重點關注主要的噪聲泄漏源、側圍空腔的主要泄漏段以及聲能量從車外到車內的主要傳遞路徑，根據分析結果正向指導阻隔結構在車身側圍布置方案的設計。

1 整車SEA模型及簡化側圍模型

1.1 整車SEA模型

本研究建立的整車SEA模型基于上海大眾提供的Passat車身的有限元模型，整車SEA模型由車身結構和聲腔子系統兩部分組成，根據統計能量分析特點，整車模型的各子系統的參數是在時間、空間和頻率上經過統計平均處理得到的，因此建立整車SEA模型時可忽略部分細節特征[14]，從而得到具有統計平均意義的模型。

車身結構部分共劃分為五個模塊，分別是車頂及行李艙蓋模塊、車門模塊、發動機艙模塊、地板模塊和車身的側圍模塊，而每個模塊又包含若干個基本子系統，他們由VA One軟件中提供的基本構件平板、梁、單(雙)曲率板等組成，由此所建立的車身結構模型，如圖1。

圖1 整車SEA結構模型Fig.1 Whole-Body SAE model

整車SEA結構模型各部分材料屬性及參數由軟件內置數據庫提供。

由駕駛室二維板、殼子系統圍成的密閉聲腔定義為艙內聲腔子系統，聲腔內流體定義為空氣。為提高艙內聲腔噪聲水平預測的精確度，將艙內聲腔劃分為8個聲腔子系統，分別對應左前、左后、右前、右后的乘員腿部和頭部位置。

圖2 艙內聲腔子系統Fig.2 Acoustic cavities inside the passenger compartment

1.2 SEA模型激勵的添加

為獲得系統的響應，需對SEA模型添加外部激勵，整車的激勵主要來自四個方面：發動機艙聲輻射激勵、發動機懸置振動激勵、懸架對車身的激勵以及車外氣流對車身的脈動壓力。發動機艙的聲輻射激勵可以通過測量發動機艙與乘員艙之間的面板(發動機艙防火墻)的平均聲壓大小來確定[15-16]，且本研究所使用的仿真軟件VA One支持添加聲壓激勵。圖3(左)是風洞試驗中對車身脈動壓力的測量。由于成本限制，車身每塊板件通常選取有限個點作為測點，根據上海市地面交通工具風洞中心的實驗經驗，實驗中每塊板件選定3個脈動壓力接近最大值的點作為測點，實驗得到的脈動壓力經過平均處理，作為車身表面的脈動風壓激勵添加至SEA模型。

除風壓激勵以外，本文還利用如圖3(右)所示的半消聲轉鼓試驗，獲得了發動機輻射噪聲、輪胎噪聲，以及發動機懸置、懸架連接位置的振動加速度作為激勵添加到SEA模型中[17]。其中發動機工作時其燃燒噪聲、進排氣噪聲和結構振動噪聲將直接作用在駕駛室與發動機艙之間的防火墻，其激勵可根據測得的發動機艙防火墻上的聲壓級添加。由于研究頻率較高，發動機艙根據統計能量假設，已經近似成為混響場，取一點測量即可以近似等效為整體的聲壓值。并且為避免不同位置的聲壓差別過大，試驗中采取多次測量、不同位置分別測量取平均值的方法，確定防火墻子系統的聲壓激勵。試驗測得防火墻聲壓級如圖4所示。發動機工作時的振動通過動力總成懸置傳遞給車架，通過測量車身上發動機懸置點加速度來確定相應激勵。胎噪以能量譜的形式添加至前后輪罩處，即獲取前后輪罩相應位置聲壓級，計算得到相應聲能量，作為激勵添加至前后輪罩。

圖3 車身脈動壓力試驗(左)及半消聲轉鼓試驗(右)Fig.3 Wind Tunnel Experiment (Left) and Semi-anechoic Drum Test (Right)

圖4 試驗所測得發動機防火墻聲壓級Fig.4 Measured SPL on the engine firewall

1.3 簡化側圍模型

由于本課題主要研究側圍空腔阻隔結構對改善整車噪聲水平的效果，故這里只需關心聲能量在側圍空腔中的流動，并比較施加激勵時不同側圍空腔對艙內聲腔輸入聲能量的貢獻大小。因此在不影響結果可靠性的情況下，分析能量傳遞時不考慮車頂棚以及防火墻等部件，并將乘員艙內左側4個聲腔子系統作為一個整體分析。

而整車SEA模型是左右對稱的，因此只考慮左邊一半車身。下圖是簡化后的側圍SEA模型。

圖5 用于聲能量傳遞路徑分析的簡化側圍模型Fig.5 Simplified Side-Body Model

由于后面要在空腔中添加阻隔結構，因此在建立整車SEA模型時將門檻梁等劃分成若干段，A、B、C柱也被分為上下兩段，“斷開處”是可能將放置阻隔結構的部位。在側圍簡化SEA模型中同樣保持側圍的劃分不變，并為分析方便有如下命名。

圖6 側圍結構劃分及命名Fig.6 Names of Pillars and Rocks

1.4 阻隔結構建模與傳遞損失計算

本課題所采用的阻隔結構由密封膨脹膠EVA和塑料支撐板PA66組成，下圖展示了該阻隔結構的CAD結構示意圖。

圖7 空腔阻隔結構模型Fig.7 CAD Model of Cavity Filler

由于支撐板尺寸較小，楊氏模量較大，在所分析的頻段內模態密度較低，用統計能量分析方法將會有較大的誤差，而有限元模型處理低模態密度問題較為準確，因此使用有限元方法建立塑料支撐板模型。VA One軟件中的Noise Control Treatment模塊可以添加EVA聲學包裝作為密封膨脹膠EVA。最后定義EVA與支撐板之間的連接即完成阻隔結構的建模，如圖8所示。

當進行單個阻隔結構的降噪分析時，首先需要計算單個支撐板有限元模型的振動模態，獲得結果文件后再進行SEA-FE混合求解[17]。而為了檢驗空腔阻隔結構的整車降噪效果，需要將若干阻隔結構放入整車模型中，然后進行噪聲預測分析。對不止一個阻隔結構的降噪分析時，無法將各個阻隔結構的結果文件分別導入，必須同時對這些結構的振動模態進行求解，導致系統自由度大大增加，使計算量急劇增加，并且計算的誤差也會顯著增大。

圖8 空腔阻隔結構模型Fig.8 SAE model of cavity filler

這里解決的方法是將阻隔結構的隔聲特性體現在聲腔之間的面連接上，因為VA One軟件中面連接是允許定義其傳遞損失的，所以需要計算阻隔結構的隔聲量。利用VA One軟件的“Hybrid Transmission Loss”及SAE J1400阻隔材料隔聲量試驗標準[18]可分別計算支撐板和密封膨脹膠部分的隔聲量，再利用式(1)可算得阻隔結構組合件的總隔聲量[19]，如圖9所示。

(1)

圖9 阻隔結構總隔聲量Fig.9 Transmission Loss of cavity filler

2 聲能量傳遞分析

比較合理的空腔阻隔結構布放方案，不僅意味著要達到控制噪聲的目的，而且在滿足目的的條件下要考慮成本。在給出布放方案前，要先進行激勵源至艙內聲腔聲能量傳遞的分析，得到主要激勵源、噪聲主要泄漏部位以及主要的聲能量傳遞路徑，基于這些結果進行阻隔結構的布置，將會滿足降噪和控制成本的雙重要求。

為了使分析過程更加有條理，本研究引入“三層次分析法”，即把激勵源至艙內聲腔聲能量的傳遞路徑劃分為三個層次：層次一為激勵源，由他向側圍系統提供聲能量；層次二為側圍的各個空腔，其內的聲能量來自激勵源，這些空腔與艙內聲腔是“互通”的，即可以向艙內聲腔傳遞能量，也可以收到艙內聲腔傳遞而來的能量，這里主要研究側圍向艙內聲腔傳遞的聲能量，同時側圍空腔之間也可以互相傳遞能量，即能量在側圍空腔的流動；層次三為艙內聲腔，為聲能量接收端。基于該三個層次進行能量流動的分析，得到主要激勵源(層次一)、主要泄漏段(層次二)、以及聲能量主要傳遞路徑(層次一至層次三)，三層次劃分如圖10所示。

圖10 聲能量傳遞路徑層次劃分Fig.10 Three stages of acoustic path

2.1 主要激勵源的確定

為了盡量從源頭有效封堵噪聲激勵源，需要確定主要激勵源，即按照激勵源對艙內聲腔輸入功率及聲壓級貢獻量進行排序后，指導后續的空腔阻隔試件布置。圖11和12分別是三個激勵源單獨作用時艙內聲腔輸入功率大小和艙內聲腔的聲壓級。

圖11 各激勵源單獨作用時艙內聲腔輸入功率Fig.11 Acoustic power of cavity when three excitations are applied separately

根據三個激勵分別單獨作用時艙內聲腔的輸入功率和聲壓級，中頻段前輪罩激勵和B柱下端激勵作用比較明顯，后輪罩激勵較弱，高頻段前輪罩激勵作用顯著增強，且明顯強于B柱下端激勵和后輪罩激勵。因此三個激勵的重要程度從大到小次序為前輪罩激勵、B柱下端激勵、后輪罩激勵，即為指導布置空腔阻隔結構時考慮的優先順序。

圖12 各激勵源單獨作用時艙內聲壓級Fig.12 SPL in passenger compartment when three excitations are applied separately

2.2 主要泄漏段的確定

為了找到從側圍空腔向乘員艙泄漏噪聲的主要孔洞及縫隙，進行有目標的空腔阻隔結構布置，這里進行側圍空腔主要泄漏部分的分析。

圖13 是側圍模型所有外部激勵同時作用時，各部分空腔對艙內聲腔輸入聲功率占比。這里將每部分空腔對艙內聲腔的功率輸入分為兩個部分：泄漏傳聲和管壁傳聲，即通過泄漏點泄漏進去的聲能量和通過空腔“管壁”振動傳遞的聲能量，其中在VA One軟件中管壁傳聲部分聲能量按照質量定律(Mass Law)計算得到。

圖13 施加所有激勵時各部分對艙內聲腔輸入功率占比Fig.13 Acoustic power flowing into cavity of different parts of pillar and rock including leaking and mass law

圖14 各部分聲腔泄露功率占比Fig.14 Acoustic power leaking into cavity of different parts of pillar and rock

其中各部分空腔泄漏傳遞的聲功率占總泄露傳遞聲功率的百分比如圖14所示。可以看出，中頻段(200 ～1 000 Hz)B柱下段、A柱下段和B柱上段泄漏占主要部分，C柱上段泄漏占比也較大；高頻段(100 ～8 000 Hz)，B柱上段、C柱上段、前頂縱梁泄漏占比較大。因此主要泄漏部分有：B柱上段、B柱下段、A柱下段、C柱上段和前頂縱梁。其中在整個中頻和高頻段，B柱上段泄漏都占總泄漏傳聲的絕大部分，因此在布置空腔阻隔結構時要注意封堵這部分空腔。

2.3 聲能量主要傳遞路徑

2.3.1 前輪罩激勵下聲能量主要傳遞路徑

這里以前輪罩激勵為例，分析激勵源至艙內聲腔聲能量傳遞路徑的分析。

首先對艙內聲腔輸入功率進行分析，對于貢獻較大的空腔，繼續分析其對應聲腔子系統的輸入聲功率，層層上溯可確定由激勵源至艙內聲腔的主要傳遞路徑。圖15是前輪罩激勵下各段聲腔對艙內聲腔輸入功率占比。從圖中可以看出，中頻段艙內聲腔聲功率的主要輸入源是前門檻梁和A柱下段，高頻段主要輸入源是B柱上段、前頂縱梁及C柱上段。

圖15 前輪罩激勵下各段空腔對艙內聲腔輸入功率占比Fig.15 Acoustic power flowing into cavity of passenger compartment

顯然，通過前門檻梁和A柱下段傳入艙內聲腔的聲功率直接來自前輪罩激勵，不用進一步分析，而對于前頂縱梁，其聲功率既可能來自A柱上段，也可能來自B柱上段，因此需要進一步分析，確定其聲功率來源。根據圖16前輪罩激勵下前頂縱梁輸入功率來源，前頂縱梁的聲功率幾乎全部來自A柱上段空腔的對應聲腔，從而又確定一條路徑，即聲功率從前輪罩激勵出發，先后經過A柱下段、A柱上段、前頂縱梁，最后傳入艙內聲腔。

可以用同樣的方法確定B柱上段聲腔聲功率來自B柱下段，B柱下段聲功率來自前門檻梁，則又可以確定兩條路徑。

圖16 前頂縱梁輸入聲功率來源Fig.16 Acoustic power in up pillar_f

對于C柱上段，可以用同樣的方法確定其聲功率幾乎全部來源于后頂縱梁，而后頂縱梁聲功率可能來源于B柱上段，也可能來源于前頂縱梁，或者兩者占有不同比重，所以再對后頂縱梁進行分析，如圖17是后頂縱梁輸入功率的來源。

圖17 后頂縱梁輸入聲功率來源Fig.17 Acoustic power in up pillar_r

則根據比例關系可以算出分別由B柱上段和前頂縱梁傳入后頂縱梁，進而傳入C柱上段的聲功率，其中經由前頂縱梁傳遞過來的響應路徑歸為其他(因為占比較小)。

根據以上分析可以確定前輪罩激勵到艙內聲腔的五條聲能量主要傳遞路徑(如圖18所示)。

(1) 路徑1：前輪罩激勵產生聲能量，經A柱下段傳遞到艙內聲腔；

(2) 路徑2：前輪罩激勵產生聲能量，經前門檻梁傳入艙內聲腔；

(3) 路徑3：前輪罩激勵產生聲能量，先后經過前門檻梁、B柱下段、B柱上段，最后傳入艙內聲腔；

(4) 路徑4：前輪罩激勵產生聲能量，先后經A柱下段、A柱上段、前頂縱梁，最后傳入艙內聲腔；

(5) 路徑5：前輪罩激勵產生聲能量，先后經過前門檻梁、B柱下段、B柱上段、后頂縱梁、C柱下段，最后傳入艙內聲腔。

通過其他非主要路徑傳遞的聲能量部分統一歸為“Others”部分。

圖18 前輪罩激勵至艙內聲腔聲能量主要傳遞路徑Fig.18 Major paths of acoustic power when excitation under front wheel cover is applied

五條主要傳遞路徑及others傳遞的聲能量大小關系，如圖19。

圖19 前輪罩激勵下各主要路徑傳遞聲功率大小關系Fig.19 Acoustic power of each path when excitation under front wheel cover is applied

根據上圖可以看出，中頻段，路徑1和路徑2傳遞聲能量較為顯著，高頻段，路徑3傳遞聲能量最為顯著，路徑4和路徑5也占有一定比例。

2.3.2 B柱下端激勵下聲能量傳遞路徑分析

根據上面前輪罩激勵下聲能量傳遞路徑的分析，同樣可以確定B柱下端激勵下主要傳遞路徑，如圖20所示。各主要傳遞路徑傳遞聲能量大小關系如圖21，中頻段，路徑4和路徑3傳遞的聲能量占主要部分，路徑2和路徑4頁占有一定比例；高頻段，路徑4傳遞聲能量占絕大部分，其次是路徑5和路徑6傳遞的聲能量。

圖20 B柱下端激勵至艙內聲腔聲能量主要傳遞路徑Fig.20 Major paths of acoustic power

圖21 B柱下端激勵下各主要路徑傳遞聲功率大小關系Fig.21 Acoustic power of each path

2.3.3 后輪罩激勵下聲能量傳遞路徑分析

后輪罩激勵下聲能量主要傳遞路徑如圖22所示，各主要傳遞路徑傳遞聲功率，如圖23所示。

圖22 后輪罩激勵至艙內聲腔聲能量主要傳遞路徑Fig.22 Major paths of acoustic power when excitation under rear wheel cover Is applied

圖23 后輪罩激勵下各主要路徑傳遞聲功率大小關系Fig.23 Acoustic power of each path

根據圖23，中頻段，路徑1傳遞聲能量最為顯著，隨著頻率增大，路徑2傳遞聲能量逐漸增大；高頻段，路徑2傳遞聲能量占絕大部分，其次是路徑4和路徑3。

3 空腔阻隔結構布置方案優化

3.1 阻隔結構布置方案的確定

上一章已經分析了激勵源至艙內聲腔的聲能量流動，本節阻隔結構布置方案的制定正是基于之前的分析，從三個方面制定三個不同的布置方案。本文主要優化的是阻隔結構的位置，所以使每個阻隔結構的隔聲特性保持一致。同時考慮到實際生產中成本的控制，這里阻隔結構的個數限定在5到6個左右。

方案一：主要對三個激勵源進行封堵，布置如圖24所示。方案二：同時考慮封堵激勵源以及聲能量主要傳遞路徑，布置如圖25所示。方案三：同時考慮激勵源、主要泄漏段和聲能量主要傳遞路徑，具體布置如圖26所示(含原廠方案的阻隔結構布置方案)。阻隔結構布置原廠方案示意圖，見圖27。

圖24 阻隔結構布置方案一示意圖Fig.24 Arrangements 1 of cavity fillers

圖25 阻隔結構布置方案二示意圖Fig.25 Arrangements 2 of cavity fillers

圖26 阻隔結構布置方案三示意圖Fig.26 Arrangements 3 of cavity fillers

圖27 阻隔結構布置原廠方案示意圖Fig.27 Original arrangements of cavity fillers

3.2 各布置方案整車降噪效果對比

通過在整車SEA模型中添加阻隔結構，即定義聲腔之間的面連接的傳遞損失，可以得到各方案添加阻隔結構后駕駛員頭部聲腔聲壓級的值，和未添加阻隔結構時的聲壓級對比可以得到相應降噪量，三個方案阻隔結構的降噪量對比，如圖28。

可以看出三個方案中阻隔結構降噪效果最好的是方案三，其次是方案二，最后是方案一。

圖28 各方案降噪量對比Fig.28 Noise reduction of cavity fillers of different arrangements

(1) 方案一中為了封堵激勵源，放置了六個阻隔結構，降噪效果反而沒有方案二和方案三好，可見封堵激勵源是不可取的。另外，實際應用中，整車的外部激勵并不是像前面側圍模型中激勵那樣集中，所以封堵激勵源并不可行。

(2) 方案二稍好于方案一的降噪效果，是由于方案二中考慮激勵源的同時考慮了聲能量的主要傳遞路徑。相對于方案一，方案二中將后輪罩附近的阻隔結構放置到B柱上段和下段之間，并且取消了放置在B柱下端激勵右邊的阻隔結構，因為在傳遞路徑分析中，從B柱下端傳遞到后門檻梁的聲能量很小，不在主要傳遞路徑范疇內，B柱上段和下段之間的阻隔結構有效“阻隔”了聲能量的傳遞路徑。

(3) 方案三的降噪效果最好，是因為方案三中阻隔結構的布置同時考慮了激勵源、泄漏段和聲能量傳遞路徑。相對于方案二的阻隔結構的布置，方案三中將前門檻梁處的阻隔結構放置到了A柱上段和前頂縱梁之間，是由于前頂縱梁是主要泄漏段之一，在高頻段會直接泄漏噪聲至駕駛員頭部聲腔，雖然去掉前門檻梁處阻隔結構，但是前門檻梁并不是主要泄漏段，同時B柱下端的阻隔結構仍能夠有效“阻隔”聲能量向B柱傳遞，因此該方案呈現了相對較好的降噪效果。

方案三與原廠方案的降噪效果對比，見圖29。

圖29 原廠方案與方案三降噪量對比Fig.29 Noise reduction of arrangement 3 and original arrangement

根據圖29所示，方案三與原廠方案的降噪效果接近，部分頻段方案三效果稍優于原廠方案，而原廠方案所用的空腔阻隔結構的數量多于方案三，意味著方案三比原廠方案更加節省成本。

4 結 論

由于現實生產中成本、裝配等因素的考慮，進行空腔阻隔結構的布置時不僅要考慮主要激勵源的作用，還要同時考慮噪聲的主要泄漏段以及聲能量傳遞路徑，利用“三層次分析法”進行聲能量傳遞分析得到的結果指導阻隔結構的布置，能夠考慮成本等因素的同時達到較好的降噪效果。

三種方案的降噪效果反過來驗證了利用側圍簡化模型分析的可行性，即在整車模型分析側圍空腔聲能量流動較復雜時，可以考慮將側圍模型簡化出來單獨分析，并且不考慮車頂棚以及防火墻等部件，同時將乘員艙內左側4個聲腔子系統作為一個整體分析，其定性結果基本保持一致，說明側圍模型簡化方法的可靠性。

由于阻隔結構的填充一般在白車身涂裝工藝過程中進行，并經過高溫膨脹等處理，對各布置方案逐一進行整車阻隔結構的填充和降噪效果的對比，需要大量的人力和資金投入。本研究針對阻隔結構試驗耗時耗力的缺點，通過風洞及轉鼓試驗獲取較準確的激勵添加至經整車廠驗證的模型，進而通過仿真對比各方案的降噪效果，并得到較好的布置方法，進而為阻隔結構的布置提供新的思路。

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