基于經典聲學理論的聲學包輕量化研究

許雪瑩

（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海200438）

主題詞：電動汽車 聲學包 輕量化 經典聲學理論

1 前言

車身防火墻的結構設計對于阻止發動機噪聲在前圍中的傳播，進而降低車內發動機噪聲具有重要作用。商業化的軟件VA-One在聲學包前期開發中已有廣泛應用[1-5]，雖然可用于評價隔聲墊結構設計及總體性能評價，但搭建模型、參數輸入及購買軟件等成本較高，因此，如何在樣件制作或原型車試制前進行前圍隔聲墊的快速輔助設計和系統匹配成為聲學包開發的核心技術。另外，隨著新的乘用車燃料消耗量評價方法及指標（四階段）—CAFC的實施，降油耗的壓力也成為眾多傳統主機廠面臨的難題[6]，如何在既提升整車聲學水平，又實現輕量化和低油耗，成為各大主機廠聚焦的熱點[7-11]。

在此背景下，本文基于經典聲學理論對汽車前圍隔聲的聲學性能進行建模、仿真和試驗驗證，并針對不同隔聲墊結構設計了隔聲性能評估方法，在大大縮短研發周期及降低成本的同時獲得了最優的聲學效果。

2 基于經典聲學理論的前圍建模方法

常見的前圍聲學包材料組合為PU發泡層加上乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA重層。PU發泡層的內表面可粘貼吸聲棉作為襯底，用以提升前圍防火墻與PU之間的貼合度，防止噪聲從夾層中穿過。由于裝配和制造工藝等因素，隔聲墊都存在一定的聲泄露，如油門踏板的邊緣與隔聲墊開孔之間的匹配間隙（鈑金裸露）；在線束過孔區與轉向柱過孔區等處，由于線束或轉向柱的橡膠護套層通常較薄，導致其隔聲量也相對薄弱。整個前圍由單層鈑金、單層橡膠和鈑金—隔聲墊復合結構共同組成。

2.1 單層板質量定理

對于單層致密的結構，其隔聲量可由經典聲學理論——“質量定理”計算[12],鋼板的隔聲量由其單位面積的質量所決定，計算式為：

式中，TL為隔聲量；f為噪聲頻率；M2為板件的單位面積質量。

當f=1 000 Hz時，厚度為1 mm鋼板的隔聲量為35.8 dB；橡膠的密度為1 000 kg·m-3，厚度為2 mm，其隔聲量為24 dB；隔聲墊EVA重層的密度為1 000 kg·m-3，若其厚度為4 mm，其隔聲量為30 dB。

2.2 雙層中空結構隔聲理論

考慮到鈑金和EVA層的密度遠高于中間層PU發泡和吸聲棉，為簡化計算，中間填充的PU發泡和吸聲棉可簡化為空氣層處理，則鈑金和隔聲墊復合結構的整體隔聲量就由鈑金和隔聲墊的質量及其間距所共同決定。鈑金和隔聲墊的結構如圖1所示，其結構共振頻率的計算式為:

式中，fdw為雙層結構的共振頻率，m1和m2分別為鈑金和隔聲墊EVA層的單位面積質量；d為鈑金與隔聲墊EVA層的間距；ρ為PU材料密度；c為PU材料聲速。

圖1 雙層墻結構示意

考慮到中間介質為PU材料，其密度和聲速與空氣接近，則其共振頻率為：

前圍雙層結構的共振頻率在100～200 Hz之間，在雙層結構的隔聲過度區，其隔聲量為：

式中，k1=28.7；STL1和STL2分別為鈑金和隔聲墊EVA層的隔聲量。

2.3 隔聲混合模型

在汽車聲學理論中，對于多種材料、多層介質組成的復合結構，其隔聲量已有成熟的計算方法[13]，其計算式為：

式中，TL為隔聲量；τ為透射系數；為平均隔聲量；τi為第i個部件的透射系數；τˉ為平均透射系數；S為總面積，Si為第i個部件的面積。

3 隔聲墊隔聲計算

3.1 前圍隔聲墊結構

本文所分析的前圍隔聲墊結構如圖2所示。

圖2 前圍隔聲墊的結構示意

參考某車型前圍隔聲墊分布，其橡膠護套區占前圍總面積的4%，鈑金裸露區占前圍總面積的6%，剩余的鈑金與隔聲墊復合層占比為90%。

前圍隔聲材料的屬性見表1，前圍鈑金材料為常見的鋼材，橡膠護套的密度與隔聲墊EVA材料的密度相同。

表1 前圍隔聲材料屬性

3.2 前圍隔聲墊的聲學性能仿真

將鈑金、橡膠、隔聲墊的面積占比（4%、6%、90%）和頻率為1 000 Hz時隔聲量24 dB、35.8 dB和65.8 dB（1 mm鋼板隔聲量35.8 dB與4 mm隔聲墊EVA隔聲量30 dB之和）代入式（5），得到前圍在頻率為1 000 Hz時的整體隔聲量為37.6 dB。圖3為當裸露鈑金面積占比為6%時，減小橡膠護套面積對前圍整體隔聲量的影響。從圖3可看出，隨橡膠護套面積占比的減小，前圍的整體隔聲量不斷提升。與橡膠護套面積占比4%的前圍相比，橡膠護套面積占比降到0.25%時，整體隔聲量提升約10 dB。

圖3 不同橡膠護套面積下的前圍整體隔聲量

圖4為當裸露鈑金面積占比進一步減小時，即從6%降低到0.35%時，頻率為1 000 Hz時的整體隔聲量提高3.7 dB；當裸露鈑金面積占比進一步降到0%時，即鈑金完全被覆蓋，同時橡膠護套的面積占比降低到0.01%時，整體隔聲量可再提高12.3 dB。由此表明，裸露鈑金和橡膠護套的面積占比對整體的隔聲量有很大影響，可以通過加厚橡膠護套、設計雙層橡膠或覆蓋隔聲墊來提高橡膠護套的隔聲量；另外減小鈑金的裸露面積也是提高整體隔聲量的有效途徑。

圖4 不同鈑金裸露面積下的前圍整體隔聲量

3.3 隔聲墊的輕量化

高性能、輕量化、低成本是整車精益開發追求的目標，對于前圍隔聲墊來說，如提高橡膠護套的隔聲量，則可以提高前圍整體的隔聲性能。在此基礎上可以考慮對隔聲墊的質量和成本進行優化，從而實現隔聲性能和質量、成本的平衡。

圖5為前圍隔聲墊的輕量化方案對比，其中原狀態是指橡膠護套面積占4%，EVA厚度為4 mm。優化方案1：橡膠護套面積占0.25%，EVA厚度為4 mm；優化方案2：橡膠護套面積占0.25%，EVA厚度為2 mm；優化方案3：橡膠護套面積占0.25%，EVA厚度為0.5 mm。從圖5可看出，隨著橡膠護套面積的減小，隔聲量在頻率為1 000 Hz處最大提升了10 dB；而當EVA層的厚度從4 mm下降為2 mm和0.5 mm時，前圍整體隔聲量在低頻率段（＜500 Hz）下降明顯，EVA層厚度為0.5 mm時的整體隔聲量甚至還低于原狀態時的隔聲量。由上述分析可知，采用2 mm厚度的EVA層既提升了前圍隔聲性能，又可減輕整車質量約2 kg。

圖5 不同前圍隔聲墊的隔聲量對比

4 隔聲墊實車驗證

4.1 語音清晰度

語音清晰度AI（Articulations Index）描述的是噪聲環境下對話的清晰程度，AI計算和統計的頻率范圍為200～6 300 Hz的1/3倍頻帶[14-16]，此頻帶范圍與吸隔聲材料的作用范圍一致，是評價聲學包效果的重要指標[17-19]。AI值越高則表示語音清晰度越高，聲學包的聲學效果也越好。

4.2 實車對比驗證

在整車半消聲室中對原狀態（EVA厚度4 mm，橡膠護套面積占比4%，鈑金裸露面積占比6%）和優化狀態（EVA厚度2 mm，橡膠護套面積占比1%，鈑金裸露面積占比2%）的聲學包進行了整車級內部噪聲對比測試，測試工況為：3擋全油門（WOT），發動機轉速從1 000 r/min到6 000 r/min，麥克風位于駕駛員外耳處，測試結果如圖6所示。

圖6 原狀態和優化后的前圍隔聲墊的整車噪聲測試結果

由圖6可看出，優化后的聲學包的語音清晰度AI指數比原狀態平均高出約5%，同時前圍的質量也減輕了2 kg，既實現了整車輕量化，又提升了聲學性能，與計算結果一致。

5 結束語

本文采用經典的聲學理論對整車前圍隔聲墊的聲學性能進行了計算，對聲學包進行了基于輕量化的優化改進，并通過整車的半消聲室測量驗證了計算結果的有效性。該計算方法對指導前圍隔聲墊的正向開發、縮短研發周期及降低研發成本具有實用價值，對質量敏感的電動汽車來說，減輕質量可以直接增加車輛的續駛里程。