基于車內噪聲性能的車身阻尼材料分布研究

韋玉明

【摘 要】為了提高MPV模型的聲學性能，搭建了車輛的聲固耦合有限元模型，并采取模態頻率響應方法得到了車輛的聲學響應。通過對板件貢獻量和模態參與因子的分析，得到對103 Hz處聲學響應峰值貢獻最大的板件和結構模態，對貢獻量最大的板件進行自由阻尼處理。通過對原有的有限元耦合模型進行模態應變能分析（加權）后，優化阻尼材料的分布，以降低阻尼材料的使用量。同時，針對模態損耗因子指標評估阻尼材料的分布，并通過仿真優化分析和模擬測驗驗證最終結果。優化后阻尼材料的使用量減少48.3%，大大降低了車身重量和開發成本。兩種工況下（部分附加阻尼和全部附加阻尼），駕駛員右耳處聲壓值分別降低了6.0 dB和6.2 dB，而在怠速狀態下駕駛員右耳處聲壓值也降低了2.8 dB。

【關鍵詞】車內噪聲;車身板結構;阻尼材料;模態應變能;聲學參與因子

【中圖分類號】U463 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）04-0053-05

0 引言

進入21世紀以來，科學技術飛速發展，國民的消費水平進一步提高，民眾對汽車舒適性的要求也變得愈發嚴苛。各大汽車公司都把車內噪聲控制視為重要的研究方向，汽車的車內噪聲水平成為評判汽車質量和檔次的關鍵指標。而車內噪聲主要是由發動機、傳動系統、液壓系統、自身車身結構等部位的振動引起——產生的振動經過懸架系統和車身結構的放大后，以結構噪聲或空氣噪聲的形式進入車內空腔，由此形成車內噪聲。由車身結構的振動引起的車輛內部的噪聲水平普遍在200 Hz以下，傳統的吸聲和降噪措施在這樣的低頻范圍內，幾乎沒有效果[1]。對于車身中的鈑金零件，采取阻尼處理是減弱低頻噪音最可靠的方法之一[2]。在實際工程應用中，附加阻尼材料一般應用于車身板結構的某些局部部件，例如地板、頂蓋、前隔板等。研究阻尼材料在車身上的分布，對于提高阻尼材料的利用效率，改善車身結構的設計美感，具有很強的工程實踐意義。

關于車身板件的阻尼處理，汽車行業內應用廣泛，此前也有多位專家學者對此進行了大量的研究和深入的探索[4-5]。呂毅寧等人[3]提出了以實現最大模態損耗為方向的附加阻尼厚度分布優化設計的標準;張志飛等人[6-7]對阻尼材料在車身單個板件上的分布位置進行了優化，采用的是優化準則算法。然而，對于車身阻尼材質的實際布局，一直都沒有一個具體的、科學的工藝和方法，工程師通常只是根據自身的經驗進行設計。

本文以某公司開發的新一代MPV車型為試驗對象，搭建了該車的聲-固耦合有限元模型，根據聲學參與因子和模態應變的分析，采用模態損耗因子對阻尼的分布做出評估，以期找到最佳分布。由最后的仿真分析和試驗結果可得知，在主要參考點的聲學響應峰值阻尼處理后都有著顯著地下降。

1 汽車-聲固耦合建模及聲學響應分析

1.1 聲固耦合理論

汽車的內部組成封閉的空腔，并且空間被離散化，所以最后得到了車輛內部聲腔的有限元模型，此外據空氣元素形狀函數和聲波方程，我們還可以推導出一個聲學震動差分公式[8]：

公式中，me'表示空氣質量矩陣;ce'表示空氣阻尼矩陣;ke'表示空氣剛度矩陣;ρReT表示結構-聲學耦合質量矩陣;pe為空氣單元節點聲壓矢量;ue為節點位移矢量。

同樣，結構振動有限元差分方程：

公式中，me為結構質量矩陣;ce為結構阻尼矩陣;ke為結構剛度矩陣;Fe表示結構激勵;Fe'表示界面聲壓矢量。

聲-固耦合有限元方程則由式（1）和式（2）組合獲得：

1.2 聲固耦合有限元模型的建立

使用CAE預處理軟件Hypermesh完成建模，通過MD Nastran分析求解。由于車身結構主要由薄壁金屬鈑件構成，因此一般采取二維殼單元建模，使用ACM單元模擬焊點，并使用黏合劑單元，模擬黏合劑。最終車身模型共分解出561 258個單元和573 573個節點，如圖1所示。

聲腔有限元模型（如圖2所示）是基于空氣的網格流體三維模型。操作LMS Virtual Lab，合成聲腔模型，同時考慮座椅的影響。由于Nastran可生成流-固自動耦合的指令，因此流體和結構的網格節點不需要完全吻合。根據《Nastran手冊》，單個波長至少包含6個流體單元。此聲腔模最終分成了39 308個單元及45 027個節點。

1.3 車內聲學傳遞函數分析

考慮到發動機引起的結構噪聲，Z方向白噪聲激勵會分別施加到發動機的左右懸架安裝點。同時，在車身面板，由于大部分振動輻射聲功率普遍在低頻范圍內，于是在分析期間，選擇20～200 Hz作為單位激勵力的范圍。采取模態頻響法，將駕駛員右耳作為參考點進行計算，最終得到參考點A的加權聲壓值（如圖3所示）。

由圖3可知，在發動機懸置激勵下，參考點A處的聲壓于103 Hz處存在明顯的響應峰，因此首選的改進目標則是降低103 Hz處的聲壓值。

2 聲學參與因子分析

2.1 聲學參與因子基本理論

所謂聲學參與因子，即包含聲腔、結構兩種模態參與因子，以及板件聲學貢獻量因子。聲腔和結構模態參與因子分別指各階聲腔和結構對車身聲學響應的參與量;板件聲學貢獻量因子指某特定結構模態中，聲腔周圍的結構板件對內部聲學響應的貢獻量。

為找到車身部件中較敏感的車身板件結構，我們分別計算了結構模態因子和板塊聲學貢獻量因子，用以指導改進車內結構，初步達到車內噪聲的設計需求。

2.2 板件貢獻量分析

為找到對聲壓峰值貢獻最大的板，分析聲-固耦合模型的板貢獻因子，降低103 Hz的聲響應峰值。將車身分為7個主要部分，包括前擋風窗、前隔板、頂蓋、左前地板、中間地板、右前地板及后地板，每個板對103 Hz的聲響應峰的貢獻如圖4所示。

計算了兩個工作條件下主要板件的計算模態貢獻[9]，加權系數為1，獲得每個小組的“總貢獻”（見表1）。

由表1可知，聲學貢獻量最大的為前風窗和頂蓋，但由于前擋風窗戶在結構上難以操作，因此可于頂蓋上附貼阻尼材料以進行自由阻尼處理。如圖5示，阻尼層厚2mm，彈性模量為500 MPa，密度為1 750 kg/m3，材料損耗因子取1，泊松比為0.49。

2.3 模態參與因子分析

處理后，阻尼材料重5.4 kg，在降低車內噪音的同時，還可減少阻尼材料的數量，因此對模型進行模態參與因子的分析，以找到對應的聲壓峰值貢獻量最大的模態。表2列出了前5階聲壓峰值貢獻量最大的模態。

從表2可以看出，兩種工作條件下，在103 Hz處62階的聲壓峰值貢獻量最大。通過分析結構的模態應變能，可進一步識別出對聲學具有更大影響的關鍵區域。

3 模態應變能分析

3.1 模態應變能和損耗因子

由圖6可知，模態應變能分布較為集中于頂蓋后部。根據頂蓋結構、模態應變能分布進行阻尼材料的重新布置（如圖7所示），此時阻尼材料分布面積為0.799 m3，僅為原始方案的51.06%。

3.3 阻尼材料分布評價

模態損耗因子定義——阻尼耗散能/結構總模態應變能，其進行結構實模態計算便可求得。模態損耗因子越大，表示阻尼耗散的能量越多，那么阻尼附加分布的情況便越優，因此阻尼分布情況在大多數情況下可用模態損耗因子評估。單位質量的模態損耗因子定義如下：

ηm=η/mdamp（14）

公式中，mdamp為阻尼材料質量;ηm表示單位質量內，阻尼材料的耗散能量。

在全部粘貼阻尼材料與部分粘貼阻尼材料兩種情況下，我們進行模態分析后求得模態損耗因子與單位質量模態損耗因子大小，結果見表4。

從表4可知，在阻尼材料得到優化及模態損耗因子僅僅降低9.8%的情況下，單位質量模態損耗因子便提高到74.4%，與此同時，阻尼材料用量也大幅減少47.4%。

4 汽車聲學響應分析

4.1 汽車聲學響應試驗測試

在施加阻尼材料之前和之后測試汽車在空轉狀態之前的聲學響應，并將傳感器布置在駕駛員的右耳處，根據優化分析結果布置好阻尼材料分布位置，具體如圖8所示，測試結果如圖9所示。測試結果顯示，附加阻尼材料后駕駛員右耳的峰值壓力降低了2.8 dB。

4.2 汽車聲學響應仿真分析

使用RKU方法[2]，此時可將自由阻尼單元和基本單元視為一層，通過使用模態頻率響應方法將阻尼材料應用于頂蓋和人體模型，使用應變能分析和優化粘貼阻尼材料，進行聲學傳遞函數分析。分析結果如圖10所示。

比較無阻尼材料、部分附加阻尼材料及全部附加阻尼材料的模型聲學傳遞函數發現，在發動機左側懸置支架安裝點激勵下，于103 Hz附近，部分和全部附加阻尼材料后駕駛員右耳處的聲學響應峰值分別降低了6.0 dB和7.4 dB;在發動機右側懸置支架安裝點激勵下，于103 Hz附近，部分和全部附加阻尼材料后駕駛員右耳處的聲學響應峰值同樣分別降低了6.2 dB和7.3 dB。其他頻段變化不大，所以優化后阻尼材料體積僅為全部添加阻尼材料體積的51.06%，在保證聲學性能的條件下，有效地實現了阻尼材料使用量降低的目的。

5 結論

（1）根據模態參與因子和板塊的貢獻分析，阻尼材料應用于頂蓋，分別在不同的激勵條件下（部分附加阻尼、全部附加阻尼）使得駕駛艙內的駕駛員右耳峰值聲響應值降低6.0 dB和7.2 dB，有效地改變了車內聲學環境。

（2）在聲學響應變化不大的前提下，我們所做的加權模態應變能分析進一步深入優化了阻尼材料的分布附加位置，阻尼材料用量降低48.3%，大大減小了整車重量和開發成本。

（3）我們使用自主定義的模態損耗因子，對阻尼材料附加分布情況進行評估及優化后，單位質量內模態損耗因子提升了74.4%，效果十分顯著。

（4）在仿真分和模擬驗證后，研究結果顯示：兩種工況下駕駛員右耳處聲壓值分別下降6.0 dB和6.2 dB;而在汽車空轉怠速狀態下，駕駛員右耳處聲壓值也得到較好的優化，降低了2.8 dB，有效地提升了車內噪聲水平。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]