某電動汽車真空泵輻射噪聲隔聲罩優化分析

史繼霞 于淼 鄧建交 安孝文 趙偉

史繼霞

畢業于吉林大學機械學院，工學碩士學歷，現就職于中國第一汽車集團有限公司研發總院，任高級工程師，主要研究方向：汽車振動與噪聲、NVH仿真分析。

摘要：某電動車定置ready狀態，踩踏制動踏板后，車內有明顯真空泵的階次噪聲。為解決該階次噪聲，采用隔聲罩結構以降低車內階次噪聲。由于隔聲罩結構涉及隨形、散熱、隔聲效率等方面的要求，本文運用邊界元方法進行結構優化及隔聲分析，按照優化分析方法設計相應的隔聲罩，實車驗證結果，車內階次噪聲消失，達到了降噪目的。

關鍵詞：電動汽車;隔聲罩;邊界元;結構優化;CAE;輻射噪聲

中圖分類號：TU112.59+5 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（ 2021） 06-0043-04 Resolution of Vacuum Pump Noise Issue for an Electric Vehicle

SHI Jj_xia l.2， YU Miao l.2， DENG Jian-jiao"2， AN Xiao_wen 1.2， ZHAO Wei1.2

（ 1.China First Automobile Group Co.， Ltd. Chang Chun 130011， China

2.Automobile Vibration and Noise &Safety control Chang Chun 130011， China）

Abstract： When the brake pedal is pressed in the "ready" status，a noise issue surfacesduring the design verification of an electric vehicle program. It is determined that the issue isoriginated from the order noise of the vacuum pump. In order to resolve the issue， an acousticenclosure for the vacuum pump is proposed. The designed enclosure should reduce the noiseto meet the NVH target， and in the meantime must satisfy the requirements of package andheat dissipation. This work uses the boundary element method to optimize the structure andevaluate the efficiency of the sound reduction. Based on the results of the analysis， the designof the enclosure is carried out. After the implementation of the enclosure， the noise issue inthe vehicle is resolved successfully.

Key Words： Electric Vehicle; Acoustical Enclosure; Bem; Structural Optimization; CAE;Radiated Noise

純電動汽車是未來汽車發展的趨勢，相比傳統車在振動噪聲方面存在較大差異。由于沒有發動機噪聲的掩蔽效應，真空泵等電器附件的振動噪聲在靜置時非常明顯，影響駕乘舒適度，引起用戶抱怨，因此研究如何控制真空泵的振動噪盧尤其重要。

控制噪聲的途徑主要是對源一路徑一響應的控制[2]。對于真空泵本身噪聲，增加葉片、旋轉器和泵環的制造精度和潤滑水平，增加泵本體隔聲零件的材料密度、阻尼，合理優化前置消音器，提升電機轉速穩定性等措施可降低本身噪聲[1]。但從整車NVH控制和產品開發的角度考慮，若未能在前期選型階段選出滿足要求的真空泵，后期會因控制該噪聲，而增加成本、周期，甚至為某些方案妥協，而影響車輛性能[3]。

對于真空泵傳遞路徑的控制，常常使用隔聲罩，是噪聲控制設計中最常用的隔聲部件，能減少聲源向周圍的聲輻射。本文運用邊界元方法進行隔聲罩結構優化及隔聲分析，按照優化分析方法設計相應的隔聲罩，實車驗證結果，車內階次噪聲消失，達到了降噪目的[4-5]。

1 隔聲罩隔聲原理

結構隔聲原理如圖1所示，入射聲波到達結構表面，一部分反射回去，一部分被內部結構吸收轉化為熱能，其余部分透射過去。根據質量定律，聲波垂直入射時，隔聲量TL可以利用公式（1）來計算：

TL= lOlog

（1）

式中：W為圓頻率，單位：Hz;m為單位面積重量，單位：kg/m2;p為空氣密度，單位：kg/m3，（空氣密度采用室溫、標準大氣壓下的值作為參考值：1.22skg/m3）;c為聲速，單位m/s（聲速采用室溫、標準大氣壓下的值作為參考值：340ni/s）;f聲音頻率，單位：Hz。

當聲波隨機入射到結構面上時，其隔聲量TL（見公式2）為：

T/=

（2）

隔聲量表示隔聲罩本身固有的隔聲能力，通常在符合規范要求的實驗室測定。不具備實驗條件時，可以通過計算輻射噪聲與試驗結果的對比來驗證模型的準確性。

2 問題來源分析

某電動車置于整車半消聲室內，定置狀態，駕駛員深踩制動踏板，直至真空泵開始工作，駕駛艙內有明顯真空泵嘯叫噪聲，聲品質差，主觀評價不可接受。通過試驗采集車內噪聲，并進行頻譜分析，發動機艙內和駕駛艙內噪聲頻譜

從圖2中可以看到駕駛艙內600Hz和1200Hz的窄帶噪聲非常突出。經拆解發現該真空泵采用8葉片、雙腔的葉片模式，當葉片旋轉時，基頻激勵引起8階噪聲。分析圖2頻譜結果可知駕駛艙內噪聲主要是真空泵的一階和二階激勵引起，也就是600Hz和1200Hz的窄帶噪聲，該噪聲主觀評價時不可接受，必須解決。從控制噪聲的途徑：源一路徑一響應一一考慮，由于該電動車已上市，真空泵已選定，若控制該噪聲源泵體噪聲，無論是更改結構或重新選擇泵都會大幅增加成本和周期，不滿足生產要求。從傳遞路徑考慮，真空泵噪聲主要通過隔聲罩、前圍傳遞到駕駛艙，前圍的結構優化與試制成本高，周期長，綜合考慮周期與成本等問題，對該隔聲罩進行優化控制。若通過試驗進行隔聲罩結構試制，試驗驗證周期長，成本高。通過CAE計算分析手段可快速優化隔聲罩結構，節約開發時間和成本。

本文利用西門子Simcenter 3D軟件中Acoustics模塊的邊界元法進行輻射噪聲計算，基本思想是將實際的結構進行離散并滿足相應的邊界條件、初始條件和物理方程，把區域內的微分方程變為邊界上的積分方程，將邊界積分方程所定義的控制方程差值離散進行求解。用數值分析方法計算噪聲輻射，最突出的優點是不受隔聲結構的幾何形狀和材料特性限制，求得各場點的聲壓問題[4-5]。

綜上，利用CAE手段進行真空泵隔聲罩輻射噪聲計算與優化是有效解決該問題的途徑。

3 仿真計算

3.1 模型建立

真空泵與隔聲罩實際布置見圖3。建模時不考慮隔聲罩周邊其他部件對輻射噪聲的影響。

利用軟件建立單層隔聲罩2維模型。將該噪聲源簡化為點聲源，聲源位于泵體上部三分之一處。點聲源聲壓利用試驗測得的結果，測量點為真空泵近場，頻譜見圖2。

隔聲罩內部敷有隔音材料，計算時考慮到隔音材料的影響，需要其阻抗數據，阻抗特性利用阻抗管法在試驗室測得，試驗數據見圖4。

真空泵噪聲向車內傳遞時由于有發動機艙、駕駛艙等的影響，在優化隔聲罩結構時，主要考慮解決600Hz噪聲問題，進行真空泵周圍一米遠場點的噪聲計算，隔聲罩結構優化以達到場點聲壓最小，真空泵、隔聲罩及場點計算模型見圖5。

3.2 計算結果

圖6為真空泵計算場點聲壓與車內測量聲壓的頻譜對比，圖中主要階次頻率吻合很好，有很好的相關性，認為計算有較高的可行性，可通過優化隔聲罩結構來達到降低600Hz噪聲的目的。

圖7為真空泵本體噪聲與Im遠場點噪聲頻譜結果對比，從圖中可看出在使用隔聲罩后輻射噪聲在整個頻率段上均有不同程度的減小，但是600Hz與1200Hz頻率噪聲依然很明顯，尤其是600Hz峰值未明顯減小。

3.3 優化后隔聲罩計算分析

研究表明，圓柱形或曲面結構相比方形結構，因其較好的結構剛度，往往具有更好的低頻隔聲特性[2]。并且方形平行罩壁，更有可能在空腔內形成駐波效應，使隔聲量在某頻率范圍內出現低谷。

同時為壓縮隔聲罩體積，降低噪聲輻射面積，其形狀應與該聲源裝置的輪廓相似，盡可能貼近聲源表面，但要同時滿足檢修監測方便、通風良好等的要求。

由于實車該隔聲罩覆蓋率僅為60%，隔聲效果不能滿足要求，需對隔聲罩進行結構優化。因為隔聲罩離聲源本體越近越好，圓柱體比長方體隔音效果要好，綜合通風與線束因素考慮，新設計隔聲罩結構如圖8所示。

對該結構隔聲罩結構采用邊界元法進行輻射噪聲計算，場點聲壓級與真空泵本體噪聲聲壓級對比結果見圖9，聲源聲壓級、原隔聲罩場點聲壓級、優化后隔聲罩場點聲壓級結果對比結果見圖10。如圖所示，600Hz附近噪聲顯著降低，滿足工程要求。

3.4 試驗驗證

優化方案試制件裝車試驗，車內噪聲頻譜如圖11所示。優化后隔聲罩相較于原狀態，600Hz和1200Hz噪聲分別下降8dB （A）、12 dB（ A）。1200Hz噪聲下降更明顯的原因是仿真計算分析時未考慮實車防火墻等隔吸聲材料的影響，實車測量時隔吸聲材料對高頻段噪聲作用更大，1200Hz噪聲下降更明顯。優化方案試制件裝車后主觀評價車內真空泵噪聲較為低沉，在整車半消聲室內能察覺輕微噪聲，室外環境下無法察覺該噪聲。達到優化目標，滿足NVH性能開發要求。

4 結束語

對某電動汽車真空泵噪聲進行測試分析，車內有明顯的600Hz噪聲，為真空泵工作時的一階噪聲，主觀評價不可接受。通過原車隔聲罩試驗分析，車內600Hz噪聲隔離效果不明顯，需要對隔聲罩進行結構優化。

通過隔聲罩結構和參數優化，有效隔離并降低了真空泵600Hz的輻射噪聲，車內一階噪聲降低8dB （A）。主觀評價車內噪聲得到明顯改變，優化方案和結果得到采用。

利用邊界元法可快速診斷分析結構的輻射噪聲，對隔聲罩的優化設計，控制結構的輻射噪聲，快速診斷產品噪聲問題，節約增效具有十分重要的作用。

參考文獻：

[1]新能源汽車：尹治國.純電動物流車的真空泵噪音解決方案[A].2018年第7期，16-19.

[2]振動與噪聲控制：廉晶晶，張杰，楊柳青，等電動車制動真空泵對車內噪聲影響機制分析[J].2019 39（2）：110 -117.

[3]1ntemational Journal of Vehicle Noise and Vibration：NASR M. Noise signatures of brake vacuum boosterand their acoustic treatment[J]. 2011， （7）：51-67.

[4]汽車技術：袁正萍等，動力總成隔聲罩對車外噪聲影響仿真分析[A].2018年.

[5]學位論文：李娜.小型發電機組隔聲罩隔聲性能分析與結構優化[D].天津：天津大學，2013年.

專家推薦語

康潤程

襄陽達安汽車檢測中心有限公司

NVH專業副總師 研究員級高級工程師

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