某車型防火墻總成隔聲性能的優化改進

摘要： 前圍內隔音墊是汽車防火墻總成的重要隔音部件，研究了不同的前圍內隔音墊材料、覆蓋率、軟層厚度分布、過孔本體隔聲、附件安裝工藝特征等對防火墻總成隔聲性能的影響。通過選取合適的材料組成及軟層厚度、提高隔音墊覆蓋率、提高過孔本體隔聲、降低泄漏量等手段實現對某車型防火墻總成隔聲性能的優化改進。

關鍵詞：防火墻總成 隔聲量 前圍內隔音墊

中圖分類號：U463.82" "文獻標志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240227

Optimization and Improvement of Sound Insulation Performance

of Firewall Assembly of A Vehicle Model

Liu Xiuying， Wang Yu， Huang Zhonghua， Song Jianxin， Zhu Lin， Zhao Fei

（Foton Research amp; Development Institute， Beijing 102206）

Abstract： The inner-dash sound insulation pad is an important part of the automobile firewall assembly. This paper studies the influence of different sound insulation pad materials， coverage rate， thickness distribution of soft layer and installation process characteristics of accessories on the sound insulation performance of the firewall assembly. The sound insulation performance of the firewall assembly of a vehicle model is optimized and improved through selecting appropriate material composition and soft layer thickness， improving the coverage rate of the sound insulation pad， and reducing the leakage amount.

Key words：" Firewall assembly， Sound insulation， Inner-dash sound insulation pad

1 前言

汽車的振動噪聲性能直接影響消費者的用車體驗，因此，主機廠在噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）方面的研發投入日益增加，有統計資料顯示[1]，各主機廠有近20%的研發費用用于解決NVH問題。

車輛的噪聲主要包括空氣傳播噪聲和結構傳播噪聲，空氣傳播噪聲是指由于空氣的振動而產生的噪聲：噪聲頻率通常高于500 Hz；結構傳播噪聲是指由結構傳遞的噪聲。其中空氣傳播噪聲主要采用吸聲和隔聲的方式控制。頻率高于500 Hz的車內噪聲主要來自空氣聲通道，如通過防火墻傳播的發動機噪聲，此時的降噪方式主要為隔聲[2]。

前圍內隔音墊是安裝在防火墻上的主要內飾件，其隔聲性能直接影響整車聲學包的隔聲性能，由于防火墻鈑金過孔的存在和鈑金件附件安裝及結構形式的限制，存在前圍內隔音墊厚度小及覆蓋率不足的問題，大幅降低了防火墻總成的隔聲水平[3]。

本文將理論和仿真相結合，分析前圍內隔音墊厚度及厚度分布、覆蓋率、材質、防火墻總成過孔率、泄漏對隔聲性能的影響，提出優化設計方案，并通過防火墻隔聲量測試驗證分析結果。

2 某車型防火墻總成隔聲問題

某車型防火墻總成在試制階段的隔聲量測試結果遠低于目標值，為達到整車噪聲控制要求，需在綜合考慮質量、成本、性能的情況下，優化隔聲設計。

防火墻總成的隔聲量一般用傳遞損失（Sound Transmission Loss，STL）表示，STL越大，表示隔聲性能越好。如圖1所示，現有設計的防火墻總成的隔聲量全頻段低于目標值，為此，對可能影響隔聲量的設計因素進行分析，并提出可工程化的優化手段。

通過仿真分別分析各影響因素，以評估當前防火墻總成隔聲性能水平及主要影響因素，并提出防火墻總成隔聲性能的優化方向，通過試驗驗證仿真分析結果。

3 防火墻隔聲性能模型建立與分析

防火墻總成由車身鈑金、吸音層、隔音層組成。吸音層選用一定厚度的吸聲材料輔助吸收噪聲，如聚氨基甲酸酯（Polyurethane，PU）發泡、毛氈、吸音棉等，隔音層采用高致密的隔音材料，如醋酸乙烯酯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate，EVA）。吸音層位于車身鈑金與隔音層之間，形成隔聲效果更好的雙層板隔聲結構，其自身具有吸聲和隔振的作用。如圖2所示，聲能在傳播過程中，部分被反射或吸收，部分透射進入車內[4-6]。

統計能量法（Statistical Energy Analysis，SEA）作為中、高頻聲場分析的主要工具之一，廣泛于應用整車聲學包優化[7-8]。為尋找合理的提升隔聲量方案，首先通過SEA仿真對不同厚度及厚度分布、覆蓋率、材料、過孔、泄漏等影響因素進行分析，并進行優化預測，通過仿真分析結果指導工程優化設計。

本文的防火墻總成SEA模型使用VA One軟件進行建模和分析。遵循模型簡化、載荷分布一致、位置細劃的原則，在有限元模型的基礎上完成SEA子系統的創建，繼而對各區域的聲學包材料屬性和厚度進行自定義。本文仿真模型鈑金主體材料為厚度為0.7 mm的鋼板，部分區域附加厚度為1.0 mm的加強板；內飾使用乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate，EVA）+聚氨基甲酸酯（Polyurethane，PU）的軟硬層組合。其中，PU為吸音層，EVA為隔音層，忽略工藝孔和定位孔，保留轉向過孔、空調進風口、空調冷媒管口、線束過孔、制動踏板過孔、離合踏板過孔、油門踏板過孔。分析內飾材料時，采用橡膠密封過孔，以確保仿真結果的準確性。圖3為本文所使用的防火墻總成SEA模型。

完成防火墻SEA建模后，在其兩側建立聲腔，分別用于模擬混響室和消聲室，并在混響室聲腔施加大小為1 Pa的聲載荷。最后，為所有SEA子系統與2個聲腔建立連接。

如圖4所示，通過調整鈑金厚度、鈑金剛度、阻尼、吸隔聲數據等參數校準模型，所建立的前圍子系統隔聲量的仿真值與試驗值全頻段誤差均在3 dB以內，其精度滿足分析要求，可進行下一步的仿真優化分析。

3.1 材料的影響

材料不同，前圍內隔音墊的隔聲性能不同，如同等厚度（25 mm）的隔音墊，分別采用EVA（4 kg/m2）+PU（25 kg/m3）、雙密度毛氈（軟氈面密度1 200 kg/m2+硬氈面密度1 400 kg/m2）、毛氈（面密度1 200 kg/m2）3種材料時，防火墻總成的隔聲性能不同。本文考慮到吸聲的影響，采用噪聲降低值來表示隔聲量，即聲源腔聲壓級與接受腔聲壓級的差值（Noise Reduction，NR）分析，分析時將聲腔的吸聲系數設置為來自內飾噪聲控制（Noise Control Treatments，NCT），如圖5所示。

由圖5可知：當覆蓋率為100%時，EVA+PU的隔聲量最高，其次是雙密度氈，最后是普通毛氈；當覆蓋率為95%時，雙密度氈的隔聲能力最好，其次是EVA+PU；當覆蓋率為90%時，雙密度氈的隔聲能力最好，其次是普通毛氈。

綜上，隨著覆蓋率的降低，EVA+PU的隔聲性能逐漸下降，因此，EVA+PU材料適合在覆蓋率較高的情況下使用，若覆蓋率較低或考慮輕量化和降低成本，或前圍內隔音墊插入損失要求較低時，建議選用雙密度氈或普通毛氈。

3.2 泄漏的影響

泄漏量是影響防火墻總成隔聲量的重要因素。對防火墻總成可能存在泄漏的位置（如線束過孔、制動踏板過孔、轉向過孔、空調膨脹閥）施加不同大小的泄漏，所得的防火墻隔聲性能曲線如圖6所示，全密封狀態的防火墻總成隔聲量約為75 dB，當增加10 mm2的泄漏后，總成隔聲量顯著下降。當泄漏量由10 mm2增大至25 mm2時，防火墻隔聲性能明顯降低，尤其是高頻隔聲性能，當頻率為8 000 Hz時，隔聲量由10 dB降至25 dB。說明泄漏量越大，高頻隔聲性能下降越明顯，隨著泄漏量的增大，隔聲性能的衰減向中頻擴展。

在設計中要充分考慮泄漏的可能性，如前圍鈑金的涂膠密封控制（點焊密封膠和焊縫密封膠）、過孔密封處理、過孔零部件的密封處理等，其次應保證各項制造工藝的質量。

3.3 覆蓋率的影響

在實際樣車開發過程中，受三踏板支架、儀表板（Instrument Panel，IP）支架、空調支架等的影響，鈑金會出現裸露。為研究鈑金的裸露面積對前圍內隔音墊隔聲量的影響，設置前圍內隔音墊的覆蓋率分別為99%、98%、97%、96%，分別計算4種覆蓋率條件下防火墻總成的隔聲量，如圖7所示。

由圖7可知，隨著覆蓋率的降低，防火墻總成隔聲量降低，當覆蓋率為99%時，防火墻總成隔聲量最高，當覆蓋率為96%時，防火墻總成覆蓋率最低，因此，設計中要盡量減少鈑金裸露。

隨著前圍內隔音墊覆蓋率的降低，防火墻總成隔聲性能明顯降低，尤其是高頻隔聲性能。因此，覆蓋率越小，高頻隔聲性能下降越顯著，且隨覆蓋率的減小，隔聲性能的衰減逐漸向中頻擴展。

3.4 吸音層厚度的影響

插入損失用于表示隔音墊本體的隔聲量，即去除鈑金后的隔音墊隔聲量。在EVA+PU材料相同的情況下，即EVA面密度（4 kg/m2）和PU軟層體密度（25 kg/m3）相同的情況下，不同PU厚度的隔音墊隔聲性能不同，其插入損失對比如圖8所示。由圖8可知，隨著PU厚度的增加，插入損失增加。面密度為4 kg/m2的EVA+厚度為5 mm的PUR的插入損失最低，面密度為4 kg/m2的EVA+厚度為25 mm的PUR的插入損失最高。但隨著厚度的增加，插入損失的增加量逐漸減小，PU厚度為20 mm和25 mm的前圍內隔音墊隔聲量相差較小，PU軟層的厚度在一定范圍即可保證前圍子系統的隔聲量，無需追求高厚度，有利于整車的空間布置和輕量化設計。

基于上述結果，分析不同厚度分布比例對前圍內隔音墊隔聲量的影響，4種厚度比例分布的隔聲量如表1所示。

SEA仿真分析得到的4種厚度下不同比例分配的STL如圖9所示，5 mm占比為5%的4#的STL值最高，5 mm占比為10%的1#～3#隔聲量差距較小，提高厚度為25 mm的占比，隔聲量提高較小。

通過分析不同厚度下不同比例分配的STL可知，5 mm的厚度占比是決定前圍內隔音墊隔聲量的關鍵，即總成的隔聲量取決于其最薄弱位置的隔聲能力。因此，要盡量減小厚度為0～5 mm的PU占比，一般要求軟層厚度不低于5 mm。

3.5 過孔的影響

由于車身線束、制動踏板、離合踏板、油門踏板的裝配的影響，導致總成的隔聲量降低。經分析，該車型的前圍隔音墊過孔隔聲貢獻量如圖10所示。在所有過孔中，離合踏板、制動過孔和IP支架貢獻最大，均超過7 dB，左、右線束過孔貢獻約為3 dB，過孔隔聲不足導致防火墻總成隔聲量低（包含泄漏）。

為保證過孔設計滿足隔聲要求，設定每個過孔的隔聲目標，如圖11所示。原狀態防火墻總成的過孔隔聲量較低，不滿足目標要求，需要優化以提升各過孔的隔聲量，優化后隔聲量明顯提升。

在SEA前圍子系統仿真模型中，對各過孔隔聲量進行提升，如圖12所示，當過孔隔聲量達到目標值后，防火墻總成的隔聲量最大可提升10 dB。

因此，防火墻總成的過孔設計要考慮其對隔聲量的影響，如線束膠套、制動踏板過孔、空調過孔膠套設計等，避免因過孔本身隔聲不足導致防火墻總成隔聲量降低。

4 優化改進方案

根據前圍內隔音墊厚度及厚度分布、覆蓋率、過孔設計、材料、泄漏量對防火墻總成隔聲性能的影響，同時考慮成本、輕量化要求以及性能，對該車型的防火墻總成進行設計優化，如表2所示。

在仿真模型中對以上的優化方案進行仿真計算，如圖13所示，仿真分析表明，在現有EVA+PU材料的情況下，通過優化厚度及分布、覆蓋率、過孔等，可使防火墻總成傳遞損失（STL）滿足目標要求。

5 試驗驗證

參考仿真結果，考慮覆蓋率、厚度分布、過孔隔聲等對防火墻總成隔聲量影響，在消除鈑金裸露、減小薄弱點厚度（軟層厚度小于5 mm）的占比、過孔優化的情況下，采用現有前圍內隔音墊即可達到參考目標要求。為驗證仿真的可靠性，對優化后的防火墻總成進行隔聲量測試，結果如圖14所示，優化后的防火墻總成傳遞損失仿真結果與測試結果吻合較好。

綜上，該車型的防火墻總成SEA分析的仿真方法可靠，仿真值與試驗值吻合度較好，可作為改善方案效果預測的有效手段。

6 結束語

本文通過SEA仿真分析前圍內隔音墊軟層厚度及厚度分布、覆蓋率、過孔設計、材質、泄漏對防火墻總成隔聲性能的影響，并通過防火墻總成隔聲量測試驗證仿真分析結果。其中，SEA方法的應用是優化改進的關鍵，可快速預測不同的方案對防火墻總成隔聲性能影響，亦可在項目早期控制影響因素，實現正向開發，減少設計變更成本。

參考文獻：

[1] 楊洋， 褚志剛， 袁苗達， 等. 汽車前圍板隔聲量測定及改進[J]. 噪聲與振動控制， 2014 （2）： 212-215.

[2] 鄧江華， 宋俊， 李燦， 等.乘用車聲學包設計開發與優化技術研究[J].聲學技術， 2015， 34（3）： 353-357.

[3] 鄧江華. 防火墻總成特性對汽車聲學包性能影響[J].噪聲與振動控制， 2014， 34（3）： 78-81+85.

[4] 宗軼琦， 谷正氣， 張勇， 等. 基于LES-FE-SEA混合方法的車內湍流噪聲數值預測與控制研究[J]. 汽車工程， 2017， 39（12）： 1417-1424.

[5] 龐劍， 諶剛， 何華. 汽車噪聲與振動－理論與應用[M]. 北京： 北京理工大學出版社， 2008.

[6] 許雪瑩. 基于經典聲學理論的聲學包輕量化研究[J]. 汽車技術， 2018（12）： 51-54.

[7] 靳曉雄， 葉武平， 丁玉蘭. 基于統計能量分析法的轎車內室噪聲優化與控制[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2002（7）： 862-867.

[8] 劉濤， 顧彥. 統計能量分析在汽車車內噪聲分析中的應用[J]. 噪聲與振動控制， 2006（2）： 66-69.