NVH工程材料在轎車上優(yōu)化設計的探討

徐豐辰　李洪林　劉福

摘要：為了優(yōu)化設計和降低噪聲，從板件的聲輻射特性開始，經(jīng)聲學靈敏度分析，測定車身各板件對噪聲的貢獻；選擇NVH工程材料，形成設計方案，對設計方案進行測試驗證。本文探討了優(yōu)化設計的過程和方法。

關鍵詞：NVH工程材料；聲學靈敏度；彈性模量；優(yōu)化設計

1 前言

近幾年，我國汽車產(chǎn)業(yè)市場競爭激烈，各主機廠都在努力降低成本，提高競爭力。在轎車NVH（振動、噪聲、舒適性）工程上，同樣需要優(yōu)化設計、降低成本。

車內(nèi)噪聲由2個重要因素組成，其一是激勵，其二是響應，它是激勵與響應的乘積。激勵力來自發(fā)動機，對于4缸4沖程的發(fā)動機，發(fā)動機每轉1圈，要發(fā)生2次點火，因此在發(fā)動機的振動頻譜上，主要激勵來自2階，其他階次的激勵很小；響應來自車身的固有特性：質(zhì)量、剛度和阻尼，在一定的激勵下，響應越小，整車噪聲就會越小。NVH工程的優(yōu)化設計，解決的是響應問題。

2 板件的聲輻射特性

轎車的車身是由各種形狀的板件組成，這些板件在發(fā)動機激勵下會發(fā)生振動，振動在一定條件下會產(chǎn)生輻射，經(jīng)空氣傳播，就形成了車內(nèi)噪聲，噪聲的大小，由板件的聲輻射特性確定。

2.1 板件發(fā)生聲輻射的條件

產(chǎn)生聲輻射的條件，是板件的振動頻率要大于板件的臨界頻率。板件的臨界頻率與聲波在空氣中的傳播速度和板件的固有特性相關，聲波在空氣中的傳播速度是一個定值，板件的固有特性確定了該板件在什么條件下會產(chǎn)生聲輻射，板件的固有特性是指鋼板的厚度、密度、剛度、材質(zhì)等。不同的鋼板臨界頻率是不一樣的，當振動頻率低于臨界頻率時，不會產(chǎn)生能感覺到的聲輻射。

2.2 板件的聲輻射效率

聲輻射效率也與板件的振動頻率有關，當振動頻率大于臨界頻率時，就會產(chǎn)生人耳能感覺到的聲輻射，一般在低頻時聲輻射效率較高，高頻時趨于平穩(wěn)，

2.3 板件的形狀

為提高車身板件剛度，有些部位常常沖壓成各種瓦楞或凹凸等幾何形狀，或附加結構加強筋和加強板等，結構加強后的聲輻射會較平面板件有所提高，在同樣振動級下，沖壓瓦楞板或凹凸結構的輻射聲壓級會高于平板結構。

降低車身板件傳播噪聲的有效途徑是控制聲輻射較高的板件振動，而不是要把車身所有板件的振動降低，最有效的方法是在板件上附加阻尼。因此，NVH工程優(yōu)化設計的第一步，是測定板件的聲輻射特性，即車身板件的聲學靈敏度分析。

3 車身板件的聲學靈敏度分析

3.1 分析理論

整車噪聲初始噪聲源的能量來自發(fā)動機、路面、輪胎、風噪等等，通過結構和空氣傳播，引起了車身板件的振動，其中，風噪要靠密封來解決。若只考慮固體傳播途徑對車內(nèi)噪聲的影響，則不論傳播的途徑如何，最終影響轎車內(nèi)噪聲的是車身所有板件的振動，振動板件激勵了車內(nèi)空氣，由此產(chǎn)生了內(nèi)部噪聲，所有板件生成的聲壓疊加產(chǎn)生了內(nèi)部聲壓。由于車身各板件的結構、形狀、焊接等原因，其產(chǎn)生的振動噪聲對車內(nèi)噪聲聲壓級的貢獻是不同的，聲學靈敏度分析，就是測定這些板件對車內(nèi)噪聲的貢獻度。

將車身劃分成n個單元板件，設車身空腔內(nèi)任意點的聲壓級為Pj，令單元j在激勵力F的激勵下，以設定的頻率發(fā)生振動，板件的振動級為Vj，由于該點振動引起的車身乘員室內(nèi)i點聲壓見式（1）：

Pi，j=XVjF （1）

式中：Pi，j為j單元板件振動，引起車身乘員室內(nèi)i點的聲壓；X為車身結構的狀態(tài)參數(shù)。

Pi，j是j號單元板件的振動，在車身空腔內(nèi)i點的聲學貢獻，其聲學靈敏度見式（2）：

Pi，j/F=XVj （2）

當所有板件都振動時，空腔內(nèi)i點聲壓可以表示為n個板件單元發(fā)生振動，引起聲壓的疊加，即i點總聲壓為Pj，車身總聲學靈敏度可以表示為式（3）。

Pj是車身所有板件振動輻射噪聲的總聲壓，Pj/F 是總聲學靈敏度。車身聲學靈敏度與各板件振動級Vj的疊加（總振動級）成正比，板件的振動級由設置在各板件上的加速度傳感器測得。板件的振動級越高，對整車總振動級和聲學靈敏度的貢獻越大。

板件由激勵力產(chǎn)生振動彎曲波，經(jīng)車內(nèi)空腔傳遞到檢測點Pj，經(jīng)歷2個過程，即由激勵力F到振動加速度V，再由加速度V到聲壓級Pj，相應的上述車身聲學靈敏度可以分解成2項，V/F和Pj/V，見式（4）。

式中：V/F為車身激勵力到振動加速度的傳函；Pj/V為振動加速度到聲壓級的傳函。

Pj/F分解成Pj/V和V/F，揭示了影響車身振動與噪聲的3大因素：質(zhì)量、剛度和阻尼。這3大因素對V/F有直接影響，其中，增加質(zhì)量，模態(tài)頻率下降，增加剛度，模態(tài)頻率上移，增加阻尼，可降低模態(tài)頻率的峰值，在模態(tài)頻率較密集的頻段，阻尼的影響大于質(zhì)量和剛度。

剛度、質(zhì)量、阻尼對Pj/V的影響是間接的。Pj/V的影響主要表現(xiàn)在板件表面的聲輻射和聲輻射的效率，當振動的頻率大于臨界頻率時，板件就會產(chǎn)生聲輻射，聲壓級受板件的聲輻射效率和板件振動級的影響，低頻時振動與空腔的耦合較嚴重，聲輻射效率很高，這也是轎車在低頻易產(chǎn)生共鳴、共振的原因之一，隨著頻率的增加，這種耦合在減弱，此時，聲輻射效率趨于平穩(wěn)，聲壓級主要受振動級的影響。

轎車車身的結構復雜，各類板件形狀各異，相互之間存在交聯(lián)耦合，在設計階段進行板件的聲學靈敏度分析，可以診斷出造成車內(nèi)噪聲的主要板件及其貢獻量，以便在圖紙階段就進行優(yōu)化設計并進行降噪處理。

3.2 實驗方法

實驗采用設計好的白車身，機械激振器激勵，柔性測試結構，將車身板件劃分若干個區(qū)域，各區(qū)域安加速度傳感器，距駕駛員右耳200 mm處設聲壓計，激振器加掃頻信號，頻率20～200 Hz，見圖1。

3.3 數(shù)據(jù)

采集數(shù)據(jù)：在掃頻頻率下，采集聲壓信號、各板件振動信號、激勵力信號。

3.4 分析

A：聲壓級信號分析，采集聲壓信號做聲壓級分析，做聲學靈敏度貢獻圖；

B：振動信號分析，由加速度傳感器采集的信號做振動級分析，做板件的振動級標識圖；

C：頻譜分析，做在激勵力作用下的車身各板件振動級頻譜圖。

4 阻尼材料的固有特性

在NVH工程中，阻尼材料是為降低振動模態(tài)頻率的峰值而設計的，目前，應用最廣泛的是以改性瀝青為基材的阻尼材料。這類材料的物理性能可分為2類，一類是由使用環(huán)境和條件確定的性能，如耐溫、耐濕、燃燒、下垂、密度、密合、減振性等，這些性能不但與配方有關，還與使用狀態(tài)有關；還有一類是只與材料配方有關的性能，稱其為固有特性，如材料的彈性模量E、最大阻尼ηmax、使用頻率fx等。了解材料的這些特性，選擇最佳性能的材料，是NVH工程材料在轎車上優(yōu)化設計的重要環(huán)節(jié)。

阻尼材料的固有特性源于材料的配方，當配方選定后，其固有特性就確定了，圖2 是阻尼材料的結構模型。

阻尼材料可以等效成一個具有一定質(zhì)量m 、彈性模量E、剛度k、阻尼系數(shù)η的結構，當板件以一定的頻率發(fā)生振動時，材料的阻尼系數(shù)η會產(chǎn)生相反的力來對抗它，彈性模量E決定了這種對抗的程度，質(zhì)量m和剛度k決定了材料的頻率范圍。式（5）是阻尼材料的數(shù)學模型，其中ηmax是最大阻尼系數(shù)，E是彈性模量，系數(shù)a、b、c、d、e是材料配方的組成因子。

ηmax=aE4+bE3+cE2+dE+e （5）

式（6）、式（7）、式（8）是不同材料配方的數(shù)學模型：

配方A：

配方B：

配方C：

求解方程彈性模量E對阻尼系數(shù)ηmax的極值：

配方A：當彈性模量E=1 290 MPa時，阻尼系數(shù)ηmax=0.1797；

配方B：當彈性模量E=1 490 MPa時，阻尼系數(shù)ηmax=0.2023；

配方C：當彈性模量E=1 380 MPa時，阻尼系數(shù)ηmax=0.2388。

實驗數(shù)據(jù)表明，最大阻尼系數(shù)ηmax一般都出現(xiàn)在彈性模量1 300～1 500 MPa左右。對于改性瀝青基的阻尼材料，彈性模量過大，會進入玻璃態(tài)；彈性模量過小，會進入橡膠態(tài)。玻璃態(tài)與橡膠態(tài)的阻尼性能都不好，只有介于2種狀態(tài)之間的轉變態(tài)，材料才會有最佳的阻尼效果，而轉變態(tài)中的最大阻尼系數(shù)，對應于上述彈性模量。

對阻尼系數(shù)的要求，應根據(jù)車身處理部位振動級的大小來確定。振動級較高時，產(chǎn)生的振動力就較大，為了對抗這種振動力，要求提高材料的阻尼系數(shù)，通常采用在最佳彈性模量下，增加厚度來解決。

阻尼材料的彈性模量與溫度有關。調(diào)整配方，實質(zhì)就是調(diào)整最大阻尼系數(shù)下的彈性模量出現(xiàn)在某個溫度段上，要與使用要求相匹配，轉變態(tài)的彈性模量范圍一般為500～2 500 MPa。

5 補強材料的選用

補強材料是基于低頻模態(tài)處理而設計的材料。汽車車身補強材料主要以環(huán)氧樹脂為基材，高溫加熱后變硬，經(jīng)烘烤粘貼到車身上，可與車身鋼板共同形成補強結構。工程上把經(jīng)補強材料調(diào)整后補強結構的剛度，與車身鋼板剛度的比值，定義為補強材料的剛度比，見式（9）。

式中：k1為補強結構的剛度，N/m ；k2為測試基板的剛度，N/m ；f1n為補強結構的n階共振頻率，Hz ；f2n為測試基板的n階共振頻率，Hz：M1為補強結構的質(zhì)量，kg；M2為測試基板的質(zhì)量，kg。

補強材料的功能是增強車身的局部剛度。增強剛度的重要標志，是低頻模態(tài)向高頻發(fā)生偏移，頻率偏移量與剛度比的關系見式（10）。

補強剛度比的值，是車身鋼板與補強結構質(zhì)量比與頻率比平方的乘積。其中，在補強材料選定的情況下，質(zhì)量比是常數(shù)，頻率比是與環(huán)境溫度、烘烤溫度有關的，當環(huán)境溫度變化時，結構頻率會發(fā)生變化。設在某溫度下，結構頻率等于鋼板頻率，f1n=f2n= fn；令質(zhì)量比m=M1/M2，則：

式（11）中，當時，其結構的補強剛度比等于質(zhì)量比m，此時的狀態(tài)為臨界補強狀態(tài)，沒有發(fā)生頻率向上偏移。若選用0.8 mm厚、密度7.8的鋼板；1.5 mm厚、密度1.4的補強材料，此時的質(zhì)量比為1.34，在上述條件下，要求補強材料在該結構的模態(tài)頻率下，其補強剛度比要大于1.34，此時的溫度為最高使用溫度。

涂裝車間烘烤線的溫度對補強結構剛度比的影響見表1。

補強材料的選擇，要首先確定涂裝車間烘烤線的溫度、需補強位置的頻率、使用環(huán)境下的溫度，然后選擇補強材料的剛度比，測試頻率偏移是否符合要求，實際應用還要視具體處理部位來確定。

6 密封材料的選用

密封材料的選用主要是對空腔風噪的處理。從車身設計結構上看，有的部位存在與外界相通的孔洞等，在行駛過程中，就會引發(fā)風噪。處理方法一般采用發(fā)泡材料，在涂裝前安裝在處理部位上，經(jīng)涂裝烘烤后，將孔洞封嚴。對材料的要求是發(fā)泡均勻密封性好，質(zhì)量輕。目前的發(fā)泡材料，發(fā)泡倍率為2倍～20倍，具體應用視處理部位確定。

7 工程案例

某廠自主品牌轎車，5座3箱，發(fā)動機4缸4沖程，對其進行阻尼降噪NVH工程設計。

7.1 車身聲學靈敏度分析

圖3是該車車身聲學靈敏度貢獻圖。