基于隔聲超構材料改善城鎮客車低頻下噪聲問題的研究

◎陳啟新

一、引言

隨著我國經濟快速發展，人們的生活水平日益提升，消費者對城鎮客車乘坐舒適性的要求也在逐步提高，這也將迫切要求城鎮客車需要提高其運行時為乘客提供的NVH 品質。但是目前對城鎮客車的NVH 特性的研究方法主要集中在通過改進城鎮客車車身結構以及在結構中填充吸聲材料進而達到提高城鎮客車的NVH 品質。但是城鎮客車的NVH 品質特征關注點主要體現為在低頻段的振動噪聲狀況影響較大，但是這些方法對于城鎮客車低頻段的振動噪聲問題的改善效果不甚理想，因而本文擬提出通過對研究生期間所研究客車車型的研究結果，通過采用隔聲超構材料與薄膜型材料應用于城鎮客車車身結構之中，進而達到改善城鎮客車在低頻下范圍內的振動與噪聲問題，從而提高城鎮客車的NVH 品質。

二、某城鎮客車車身骨架結構三維實體模型建模

本文所針對的某城鎮客車車身屬于半承載式車身類型，車身骨架結構較為復雜，骨架間的各個零部件之間的連接類型也具有多種形式。本文研究所構建的該城鎮客車車身結構骨架主要可分為骨架前圍、頂棚骨架、左右側圍骨架、后圍骨架、底盤骨架以及底盤車架骨架這六大部分。

對該城鎮客車的車身結構進行簡化時，對于保險桿、內飾紋路等一些對車身結構振動與噪聲影響極其輕微的部分但是對三維建模增加較大難度的部分非承載性構件，在建模過程中進行適當簡化及忽略，同時對美觀性的局部特征及其小尺寸空洞等對車身結構性質影響甚微的部分特征也采取了簡化及忽略的處理方式進行三維建模，這樣能夠確保在不影響對該城鎮客車車身骨架結構進行模擬分析所的分析結果的前提下極大地簡化了建模及其分析的難度，從而提高了分析計算的精確度及其模擬分析的可行性。

在整個車身結構骨架建模的過程中，主要采取的簡化措施主要有以下幾方面內容：

1.忽略內外蒙皮對該城鎮客車車身骨架結構的支撐作用；

2.對非重要部位的非結構需要的部位特征及其裝飾部件進行簡化；

3.簡化了對客車結構強度影響不大的非承載性構建（如保險桿等）。

該城鎮客車車身結構由不同截面規格的鋼管構建而成，車身骨架結構中主要涉及的截面類型主要包括：槽型鋼截面、矩形空心鋼管截面、矩形實體鋼管等。由材料性能研究結果可以知：在材料截面積以及壁厚不變的情況下，矩形冷彎型鋼制件具有的抗彎性能略微低于開口斷面結構的抗彎性能，但矩形冷彎鋼管在抗扭性能較之具有更佳的優勢。該車型城鎮客車的車身骨架結構主要采用的是Q235 和16Mn，其力學性能如表1所示。

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通過在三維建模軟件CATIA 建模軟件中建立該城鎮客車車身骨架結構的三維實體模型，并將構建的三維實體模型導入至軟件HyperMesh 中，通過調用HyperMesh 軟件中的提取中面功能，進行對該城鎮客車車身骨架結構中面模型的抽取構建，并通過將建模后得到的三維實體膜型導入至分析軟件LMS Virtual.Lab 軟件中，綜合使用得到該城鎮客車車身骨架結構三維實體模型。

教師敘述的這個故事，描繪出一個自學成才的學生形象，并闡述了自己認同的觀點，即學生要有自我意識，要學會自學。他在敘事過程中重新組織了自己的教學經驗，將故事和觀點進行了有機結合，對學生學習和自己教學進行了一次深刻的反思，通過這種方式生成了自己的實踐性知識，可以說敘事就是教育經驗的一種理論形式。

通過對比學習以往對客車車身骨架結構振動激勵源的研究成果后發現：引起客車車身骨架結構振動的激勵源主要包括以下方面：

1.行駛工況路面對車輪作用的激勵源：在城鎮客車行駛在城鎮道路工況下，車輛會因為行駛路面的平整度狀況而受到不同程度的振動激勵力，進而使得車輪在該激勵力下產生變形，并同時通過車輪、車橋、減振懸架等部件進而傳遞至客車車身，進而引起車身骨架結構產生相應的振動狀況。

2.發動機激勵源：城鎮客車在怠速或行駛過程中，在發動機燃燒燃料完成一個工作。

循環過程中，尤其是做功沖程中，做功沖程產生的爆發力通過活塞、連桿等傳遞至曲軸，從而將動力經離合器、變速器、傳動軸及差速器等部件傳遞至驅動輪，從而驅動車輛行駛。在此過程中，發動機產生的動力經過不同部件時，發動機功率分別轉換成相應部件的動能以及慣性力矩，從而形成不同方向的激勵力，并通過這些部件與車身骨架結構的接觸進而傳遞至車身各個部分，從而成為車身骨架結構振動的主要激勵源。

三、車身室內噪聲產生機理及影響因素

車身室內噪聲是指城鎮客車行駛在各種工況下，由外界及自身結構及其部件所產生的激勵源的激勵力作用下，在車身內部聲腔中所產生的各種噪聲之和。對于在車輛室內聲腔內所產生的室內噪聲，其產生的途徑及方式主要可以分為兩大類，分別為空氣傳播方式（空氣波動）與固體傳播方式（車身結構振動方式）。空氣傳播方式主要是指噪聲通過從車輛車身骨架結構連接處的空間范圍經以空氣作為傳播媒介進行傳播；固體傳播噪聲則是指由于車輛車身骨架結構的振動對車身室內空間因車身壁板振動而形成的輻射噪聲傳播至車身室內區域。對于城鎮客車運行工況過程中，通過兩條途徑傳遞而來的對車身室內聲腔產生噪聲的主要影響因素的影響形式分別為：1. 在客車行駛過程中，空氣在車身周圍所產生的風激勵噪聲，將通過車身結構的縫隙傳遞至車輛室內聲腔，進而產生所謂的風激勵噪聲；2.在發動機等部件產生的機械噪聲、輪胎所受到的路面激勵力以及發動機等運動部件產生的激勵力等激勵源激勵力的綜合作用下，傳遞至客車車身結構繼而所引起客車車身結構產生振動，客車車身骨架結構的振動將會對客車車身室內聲腔進行振動輻射，繼而形成所謂的結構振動輻射噪聲。機械噪聲（主要由發動機產生）、風激勵噪聲以及摩擦噪聲這三類噪聲源則為客車在運行工況下，客車車內室內聲腔形成噪聲的主要來源。

通過以往對車身室內聲腔噪聲情況的研究結果的學習可以知道，在客車車身骨架振動的中低頻段（20Hz～400Hz）范圍中，傳遞至車身室內聲腔的噪聲主要是通過固體傳播方式為客車室內聲腔噪聲的主要傳遞來源，而在振動的高頻段（＞500Hz）范圍內，傳遞至客車車身室內聲腔的噪聲則主要是通過空氣傳播方式為客車室內聲腔噪聲的主要傳遞來源。

四、某城鎮客車振動與噪聲狀態分析

通過對某城鎮客車進行振動與噪聲分析，通過仿真分析可以看出：該城鎮客車研究模型在低頻范圍內，客車車身骨架結構的振動主要來源于發動機部位的振動，從而引起駕駛乘坐區域產生較為集中的噪聲影響，同時由于客車車身頂棚所采用的外蒙皮常較薄而出現振動較為劇烈的現象。在80Hz--100Hz 范圍內出現了較大的聲壓峰值，對駕駛員影響較大，易使駕駛員感到疲憊。

五、聲學隔聲超構材料優勢

在線性噪聲的隔音問題中，根據能量守恒定律，對于某一個特定的振動頻率范圍，振動系統的聲學總能量包括聲學材料吸收的能量及其通過聲學材料發生反射與折射這幾部分的能量總和，欲實現隔聲降噪目標，傳統的隔聲材料則主要是通過增大聲學材料吸聲噪聲能量（例如填充多孔性、泡沫類材料）或反射噪聲能量進而實現降噪目標。

在傳統隔聲降噪的設計中，主要是通過隔聲材料或共振結構實現，隔聲材料的隔聲性能與結構、材料和聲波頻率有關，并且傳統隔聲材料主要是以均質板為隔聲基體，通過在均質板表面敷貼粘彈性阻尼材料、加筋等方式提高隔聲性能，增加了隔聲材料的質量和密度，同時要求提高隔聲層的聲阻抗或優化吸聲、隔聲材料組合達到改善隔聲性能效果，因而使得隔聲材料具有更高的質量密度、厚度，良好的密封性以及材料覆蓋效果，這將不利于對隔聲材料實現輕量化與輕薄化，并且對于低頻段隔聲效果作用不大。

聲學隔聲材料屬于一種新型的特種復合材料，在聲學材料中，等效質量密度和等效體積模量是決定聲波在介質中傳播的兩個關鍵參數。其關鍵原理在于通過對材料的關鍵物理尺度進行一定序構設計，使得原有材料產生異于傳統材料，獲得傳統材料所不具備的超常物理性能的復合材料。

在聲學隔聲超構材料的獨特新奇物理效應中，最典型的特征就在于聲學超構材料的材料等效表征參數可以出現負值。通過對隔聲超構材料精心設計，使得其聲學超構材料亞波長單元為共振單元，與背景入射場干涉產生強局域共振，則聲學超構材料的等效質量密度與等效體積模量將表現初頻率色散特性，并且在共振頻率附近達到負值。

理論研究表明：聲學超構材料聲學超構材料偶極子共振時，會產生負的等效質量密度；單極子共振時，會產生負的等效彈性體積模量；當偶極、單極同時共振時，將出現“雙負”效應（負的等效體積模量和負的等效質量密度）；當等效參數出現負值時，將會造成聲波的折射率以及等效波速變成虛數，這將使得聲波在介質中的傳播無法繼續前進，因而當亞波長單元表現出負參數特性時，該材料結構將能夠表現出一定程度的聲音衰減效用。

聲學隔聲超構材料可以通過通過對材料結構進行輕質、小體積的巧妙設計，使得聲波與人工周期彈性復合材料產生相互作用，在特定頻率范圍內對沒有對應振動模式即存在聲禁帶，使得聲波的傳播受到抑制作用，從而實現良好的隔聲性能，尤其對于改善低頻段內的降噪作用具有傳統隔聲材料無法比擬的優勢。

六、薄膜型材料的降噪原理及其優勢

當傳播的聲波頻率與使用于降低聲波傳播能量的聲學超構材料振動模式的頻率相互接近時，傳播的入射聲波的振動將與聲學薄膜材料的振動將發生相互抵消的現象，從而使得聲波無法繼續向前傳播，繼而起到隔聲降噪的目的，因而在探究薄膜型聲學超構材料在隔聲工作中所對應的結構特點時，只需了解材料的振動形態即可直觀得到聲學超構材料結構的工作頻率。

對于其中一種由張緊并固定在腹膜環的薄膜和固定在薄膜上的質量塊組成的薄膜型聲學超構材料，薄膜薄板聲學超構材料通過利用薄膜薄板小彎曲剛度特性，能夠在低頻范圍內的聲波激勵下發生彎曲共振并同入射波相互耦合，增加其共振模式，進而提高了該薄膜薄板聲學超構材料內部在低頻范圍內聲波的能量密度，達到隔絕或者吸收低頻聲波的效果。同時，可以通過在兩個薄膜之間使用不同的吸收材料對其進行填充或者通過采用使用框架對兩個薄膜薄板進行合理支撐，進而進一步提升該薄膜薄板型聲學超構材料的隔聲性能。

2008 年，Yang 等人提出了一種在一個小面積彈性薄膜上附加一個質量塊，并且在薄膜四周使用硬邊界進行固定的薄膜型諧振器的超常材料結構，由于該薄膜自身存在著低頻范圍的振蕩模式，并且該膜型中的質量塊其本身的諧振頻率能夠對薄膜的諧振頻率起到調整諧振頻率的作用，因而能夠使得該種薄膜型諧振器結構在低頻范圍內（200～300Hz）實現聲波的衰減，并且能夠實現負的等效質量密度。

與此同時，Wang 等的研究結果表明，在聲學自由場中，還可以通過利用層狀聲學超構材料同時實現對噪聲聲學的完美吸收及其對噪聲寬帶絕緣的處理機理，通過對兩個填充了多孔材料的聲學超構材料進行一定方式的耦合，從而組成層狀膜型的聲學超構材料，將層狀膜型聲學超構材料的上層聲學超構材料的諧振頻率調整到與下層聲學超構材料反共振頻率相同，在臨界頻率聲波的激發之下，層狀聲學超構材料就能夠有效地將噪聲的聲能集中至耦合后的這兩種膜型材料之間的區域，將聲能以填充多孔材料的方式進而轉換為熱能。

與具有質量塊組成的薄膜型聲學超構材料相比，在薄膜板型隔聲超構材料中沒有質量塊的膜型聲學超構材料能夠在一定程度上表現出比附有質量塊類型的膜型隔聲超構材料更加明顯的隔聲性能特性。

Li 等提出了一種沒有附著質量塊的多層蜂窩膜型聲學超構材料，該型聲學超構材料能夠通過對蜂窩膜型聲學超構材料的一些參數進行調整，例如細胞數、蜂窩芯厚度、膜厚度、膜的材料及膜的層數等參數，從而調節聲波傳輸的損耗幅值。

Gao 等設計了一種低面密度蜂窩硅橡膠聲學超構材料，通過在此材料中加入蜂窩鋁，進而降低了此超構材料整體結構的張力狀況，使得薄膜的振動情況接近于薄板的振動情況，并且其實驗結果表明，此蜂窩超構材料所造成的聲傳輸損耗大大高于單層硅橡膠超構材料，蜂窩結構的單元結構厚度以及邊長都會影響阻尼控制區的聲傳輸損耗情況。

在近些年的研究中，Fan 等人構造出具有薄膜外層的周期性小孔的多層板結構的超常材料，通過利用該薄膜的單極共振及薄膜的高阻抗特點，進而實現了在500Hz 下的低頻寬帶多角度的吸聲效果。

七、聲學隔聲超構材料改進城鎮客車的降噪構想

研究生期間對此車身骨架結構進行了優化改善，主要優化方式是通過對車身骨架結構進行模態分析計算、室內聲腔聲學強度與聲學貢獻度分析計算、耦合車身骨架結構與室內聲腔腔體進而分析計算聲-固耦合膜型模態，進而找到對該城鎮客車在低頻范圍內振動與噪聲影響較大的局部結構區域，進而通過對所確定局部結構進行不斷修改結構，通過增加加強筋等方式進行車身結構優化改進。對改進后的車身骨架結構不斷進行反復分析驗證，直至達到預期的改進效果。但是通過不斷修改車身骨架結構以及采用通過增加加強筋的方式對車身骨架結構進行優化改進的效果，盡管改善了該城鎮客車在低頻范圍內的振動與噪聲狀況，但是也在一定程度上增加了客車的整體重量，對客車的燃油經濟性與動力性均存在一定程度的影響。

預期解決方案：

方案一：通過對客車在低頻范圍內的振動與噪聲狀況進行模態分析后，在車身骨架結構出現較大振動變形處使用附加有質量塊的薄膜型隔聲超構材料與原有材料共同協調使用于車身骨架結構之中，通過減少傳統材料的使用同時使用隔聲超構材料，在盡可能不增加整車質量的條件下，達到提高整車減振、隔聲的綜合效果；

方案二：由于無附有質量塊的薄膜型隔聲超構材料具有結構小、質量輕、在低頻范圍內能夠形成帶隙抑制低頻聲波的傳播特性，因而可以通過使用無附有質量塊的薄膜型隔聲超構材料對車輛在低頻范圍內振動較大的位置，從而能夠更好的進行外界噪聲傳遞過程中的隔聲以及車身結構振動所輻射的噪聲，可以重點通過在發動機區域的駕駛艙區域鋪設該薄膜型聲學超構材料，進而最大程度隔絕因發動機運行產生并傳入車身室內聲腔的噪聲，達到降噪效果。

八、總結

通過對該城鎮客車研究模型進行模擬分析，發現該城鎮客車模型的低頻振動模態特性，找到其振動噪聲的關鍵區域，進而提出通過采用聲學隔聲超構材料中的薄膜薄板型聲學超構材料對該模型在發動機區域的駕駛艙區域、車身頂棚區域進行鋪設薄膜薄板型聲學超構材料。本次的研究方法對相關企業后續改進客車噪聲問題具有一定的參考價值。