整車薄弱路徑分析及關(guān)鍵路徑優(yōu)化

摘要：通過整車PBNR（Power Based Noise Reduction）測(cè)試結(jié)果分析識(shí)別出整車主要噪聲薄弱路徑——前圍總成，之后通過對(duì)關(guān)鍵路徑進(jìn)行優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證。優(yōu)化后的測(cè)試結(jié)果顯示整體隔聲性能提升了3 dB，高頻段更是顯著提升了6 dB。在80 km/h勻速工況下，車內(nèi)語音清晰度提升了1.52%。隔聲效果提升明顯，對(duì)后續(xù)車型的開發(fā)有很好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)計(jì)能量分析；PBNR；路徑分析；關(guān)鍵路徑優(yōu)化

中圖分類號(hào)：P733.22；TB535；U27" 收稿日期：2023-12-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.03.009

1 前言

傳統(tǒng)的聲學(xué)包裝設(shè)計(jì)方法僅依賴于通過動(dòng)態(tài)測(cè)試獲得駕駛室內(nèi)噪音水平，來實(shí)現(xiàn)最佳的聲學(xué)性能，導(dǎo)致在成本和重量方面過度設(shè)計(jì)[1]。而整車PBNR測(cè)試是一種全面評(píng)估車輛內(nèi)部噪聲的手段，通過其結(jié)果可以準(zhǔn)確定位和分析車輛的主要噪聲薄弱路徑[2]，進(jìn)而對(duì)主要薄弱路徑進(jìn)行分析與優(yōu)化。其中前圍總成作為汽車聲學(xué)體系中的重要組成部分，對(duì)整車噪聲水平有著顯著的影響。因此，針對(duì)前圍的聲學(xué)包進(jìn)行優(yōu)化，提高其隔聲性能，對(duì)于改善車輛內(nèi)部噪聲水平具有重要意義。

Zhu等[3]提出了基于功率的降噪（PBNR）概念，推導(dǎo)了PBNR、常規(guī)降噪（NR）和聲傳輸損耗之間的漸近關(guān)系，通過利用PBNR進(jìn)行聲學(xué)包裝設(shè)計(jì)和測(cè)試說明了PBNR比傳統(tǒng)降噪方法的優(yōu)越性。Tulesh等[1]基于PBNR方法對(duì)源和接收器位置之間的各種傳輸路徑進(jìn)行量化，對(duì)關(guān)鍵路徑進(jìn)行識(shí)別，提出設(shè)計(jì)修改以滿足目標(biāo)水平并證明了其方法的有效性。Napolitano等[4]提出了一種SEA在純電動(dòng)汽車聲學(xué)包早期開發(fā)階段的應(yīng)用策略，用于車輛聲學(xué)包內(nèi)主要子系統(tǒng)的初步目標(biāo)級(jí)聯(lián)。Wei等[5]采用SEA方法對(duì)覆蓋前后電動(dòng)汽車電機(jī)的貢獻(xiàn)進(jìn)行了分析，證明了在電機(jī)不能完全覆蓋的情況下，吸收式封裝比絕緣式封裝更有效地降低了頭腔噪聲。

本文基于整車PBNR（Power-Based Noise Reduction）進(jìn)行薄弱路徑分析，針對(duì)薄弱路徑提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，并進(jìn)行實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證了方案的可行性。

2 基礎(chǔ)理論

2.1 PBNR理論

PBNR近似地將其自身與路徑定義的聲音傳輸損耗水平（STL）源側(cè)的有效吸收（[A1α1]）和接收器側(cè)的有效吸收性（[A2α2]）相關(guān)。PBNR值可以量化STL，這需要更仔細(xì)的測(cè)量。在接收器側(cè)和源側(cè)上的吸收越高，PBNR也越高，需要更多吸收和更多屏障的重聲包因此導(dǎo)致高PBNR值。PBNR確定噪聲降低，該噪聲降低考慮了路徑中涉及的所有聲學(xué)處理[3]。PBNR表達(dá)式如下：

2.2 能量路徑效率理論

基于能量平衡理論，SEA模型指出，對(duì)于由n個(gè)子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，滿足以下方程：

路徑效率是在接收器子系統(tǒng)中耗散的能量與提供給源子系統(tǒng)的功率的比率。由于所有子系統(tǒng)都可能耗散能量，因此在接收器中耗散的功率小于總耗散功率，總耗散功率等于能量平衡提供的功率，路徑效率小于1。由i，a，b，…，j的傳遞效率公式如下[2]：

確定能量路徑并對(duì)其相對(duì)貢獻(xiàn)進(jìn)行分類的主要目的在于，可以判斷優(yōu)先處理哪個(gè)子系統(tǒng)以有效降低接收器子系統(tǒng)中振動(dòng)水平的關(guān)鍵信息，一般通過添加阻尼材料或者聲學(xué)包來減少聲音和振動(dòng)。能量主要傳遞路徑理論有助于對(duì)整車傳遞路徑上的阻尼材料和聲學(xué)包裝材料進(jìn)行分析和優(yōu)化。

3 SEA模型創(chuàng)建

根據(jù)三廂車的FE幾何模型，依據(jù)相似模態(tài)群原則[6]和實(shí)際的邊界條件進(jìn)行劃分，忽略結(jié)構(gòu)的復(fù)雜特征，共計(jì)406個(gè)平板件。SEA分析的有效性需要滿足子系統(tǒng)的模態(tài)重合度遠(yuǎn)大于1[7]。基于建好的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)劃分為車內(nèi)、車外聲腔模型如圖1所示。整車SEA模型中所涉及玻璃、地板、頂棚等主要零件均為測(cè)試數(shù)據(jù)，按照面連接方式添加到模型中。

車輛在半消聲室中進(jìn)行測(cè)試，以獲得聲載荷。在崎嶇不平的道路上，車輛在測(cè)功機(jī)上以80 km/h的恒定速度行駛，同時(shí)考慮到汽車內(nèi)部、輪胎旁邊和發(fā)動(dòng)機(jī)艙中的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和輪胎噪聲的影響，內(nèi)置麥克風(fēng)收集該位置的噪聲激勵(lì)。

4 路徑分析與優(yōu)化

4.1 PBNR薄弱路徑分析

本次測(cè)試在半消聲室中進(jìn)行，主要測(cè)試的傳遞路徑包括發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、四輪聲腔、排氣等到駕駛員右耳共計(jì)9條路經(jīng)，共計(jì)44個(gè)傳聲器。最后得到了主要聲源位置與主要傳遞路徑到駕駛員右耳與后排右側(cè)乘客左耳的PBNR。

如圖2所示，四個(gè)輪胎駕駛員右耳路徑接近，由于左側(cè)車輪距駕駛員右耳接近，PBNR值較右側(cè)車輪略低，前輪PBNR較后輪略差。

如圖3、圖4所示，除前窗、風(fēng)擋外，地板和后輪PBNR值較高，前艙-車內(nèi)路徑聲學(xué)包吸隔聲能力較為薄弱。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看：在300～6 300 Hz范圍內(nèi)，各條路徑的PBNR呈上升趨勢(shì)；在6 300 Hz以上，各條路徑PBNR趨于平穩(wěn)，表明車內(nèi)聲學(xué)包吸隔聲材料對(duì)于不同頻段的噪聲具有相似的吸隔聲特性；前輪-車內(nèi)路徑、前艙-車內(nèi)路徑PBNR值較低，表明前圍隔聲性能較弱。

4.2 關(guān)鍵路徑優(yōu)化

為提升前圍的隔聲性能，通常從密封和材料選型兩個(gè)方面入手。密封主要通過和周邊聲學(xué)包材料設(shè)置合適的搭接量和過盈量，以及改變護(hù)套材料和結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)過孔件的密封。其次聲學(xué)包的材料選型和覆蓋率也是關(guān)鍵的優(yōu)化方向，傳統(tǒng)聲學(xué)包材料組合通常遵循質(zhì)量定律，提高隔聲性能常伴隨著質(zhì)量的增加。隨著覆蓋率的提升，隔聲性能也相應(yīng)提高。為此提出以下幾種優(yōu)化方案：

a.密封護(hù)套結(jié)構(gòu)優(yōu)化：結(jié)構(gòu)由單層改為雙層。

b.過孔件與周邊隔音墊確保合適的干涉量和搭接量。

c.提高聲學(xué)包覆蓋率：通過合理的材料選擇和布局設(shè)計(jì)，提高聲學(xué)包的覆蓋率。

前圍總成優(yōu)化前后隔聲量結(jié)果如圖5所示，前圍總成整體平均隔聲量提升了2 dB。尤其在高頻段，提升效果更為顯著，達(dá)到了6 dB以上。

4.3 整車路試驗(yàn)證

在調(diào)試好的整車SEA模型上加載80 km/h勻速工況下外聲場(chǎng)載荷數(shù)據(jù)，計(jì)算優(yōu)化前后對(duì)車內(nèi)噪聲水平和語音清晰度的影響。如表1所示，在80 km/h工況下，新風(fēng)口優(yōu)化之后對(duì)車內(nèi)駕駛員頭部聲壓級(jí)提升0.33 dB，語音清晰度提升0.78%，對(duì)右后排乘客左耳處聲壓級(jí)提升0.18 dB，語音清晰度提升0.3%。整體最好狀態(tài)下駕駛員頭部噪聲水平提升0.39 dB，語音清晰度提升1.52%，右后排乘客變化小于前排，分別為0.23 dB和0.08%。

5 結(jié)語

本文通過試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整車PBNR薄弱路徑分析，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、四輪聲腔、排氣、前風(fēng)擋外、地板、前門、前窗等到駕駛員右耳共計(jì)9條路經(jīng)。找出主要薄弱路徑，針對(duì)薄弱路徑提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，最后進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，結(jié)果顯示優(yōu)化后的前圍總成隔聲量提升3 dB，高頻提升達(dá)到6 dB，整車80 km/h勻速工況下車內(nèi)語音清晰度提升1.52%。研究結(jié)論為后續(xù)整車的設(shè)計(jì)開發(fā)具有較好的參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介

楊帥，男，1995年生，研究方向?yàn)槠囌駝?dòng)與噪聲控制。