NVH工程材料在轎車上優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

徐豐辰　李洪林　劉福

摘要：為了優(yōu)化設(shè)計(jì)和降低噪聲，從板件的聲輻射特性開(kāi)始，經(jīng)聲學(xué)靈敏度分析，測(cè)定車身各板件對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)；選擇NVH工程材料，形成設(shè)計(jì)方案，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。本文探討了優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程和方法。

關(guān)鍵詞：NVH工程材料；聲學(xué)靈敏度；彈性模量；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 前言

近幾年，我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各主機(jī)廠都在努力降低成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力。在轎車NVH（振動(dòng)、噪聲、舒適性）工程上，同樣需要優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本。

車內(nèi)噪聲由2個(gè)重要因素組成，其一是激勵(lì)，其二是響應(yīng)，它是激勵(lì)與響應(yīng)的乘積。激勵(lì)力來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)于4缸4沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)1圈，要發(fā)生2次點(diǎn)火，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻譜上，主要激勵(lì)來(lái)自2階，其他階次的激勵(lì)很小；響應(yīng)來(lái)自車身的固有特性：質(zhì)量、剛度和阻尼，在一定的激勵(lì)下，響應(yīng)越小，整車噪聲就會(huì)越小。NVH工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決的是響應(yīng)問(wèn)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(dòng)機(jī)激勵(lì)下會(huì)發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)在一定條件下會(huì)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(dòng)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(guān)，聲波在空氣中的傳播速度是一個(gè)定值，板件的固有特性確定了該板件在什么條件下會(huì)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(dāng)振動(dòng)頻率低于臨界頻率時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生能感覺(jué)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(dòng)頻率有關(guān)，當(dāng)振動(dòng)頻率大于臨界頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生人耳能感覺(jué)到的聲輻射，一般在低頻時(shí)聲輻射效率較高，高頻時(shí)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(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋和加強(qiáng)板等，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的聲輻射會(huì)較平面板件有所提高，在同樣振動(dòng)級(jí)下，沖壓瓦楞板或凹凸結(jié)構(gòu)的輻射聲壓級(jí)會(huì)高于平板結(jié)構(gòu)。

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(dòng)，而不是要把車身所有板件的振動(dòng)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(shè)計(jì)的第一步，是測(cè)定板件的聲輻射特性，即車身板件的聲學(xué)靈敏度分析。

3 車身板件的聲學(xué)靈敏度分析

3.1 分析理論

整車噪聲初始噪聲源的能量來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)、路面、輪胎、風(fēng)噪等等，通過(guò)結(jié)構(gòu)和空氣傳播，引起了車身板件的振動(dòng)，其中，風(fēng)噪要靠密封來(lái)解決。若只考慮固體傳播途徑對(duì)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(dòng)，振動(dòng)板件激勵(lì)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(jié)構(gòu)、形狀、焊接等原因，其產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)的貢獻(xiàn)是不同的，聲學(xué)靈敏度分析，就是測(cè)定這些板件對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)度。

將車身劃分成n個(gè)單元板件，設(shè)車身空腔內(nèi)任意點(diǎn)的聲壓級(jí)為Pj，令單元j在激勵(lì)力F的激勵(lì)下，以設(shè)定的頻率發(fā)生振動(dòng)，板件的振動(dòng)級(jí)為Vj，由于該點(diǎn)振動(dòng)引起的車身乘員室內(nèi)i點(diǎn)聲壓見(jiàn)式（1）：

Pi，j=XVjF （1）

式中：Pi，j為j單元板件振動(dòng)，引起車身乘員室內(nèi)i點(diǎn)的聲壓；X為車身結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)。

Pi，j是j號(hào)單元板件的振動(dòng)，在車身空腔內(nèi)i點(diǎn)的聲學(xué)貢獻(xiàn)，其聲學(xué)靈敏度見(jiàn)式（2）：

Pi，j/F=XVj （2）

當(dāng)所有板件都振動(dòng)時(shí)，空腔內(nèi)i點(diǎn)聲壓可以表示為n個(gè)板件單元發(fā)生振動(dòng)，引起聲壓的疊加，即i點(diǎn)總聲壓為Pj，車身總聲學(xué)靈敏度可以表示為式（3）。

Pj是車身所有板件振動(dòng)輻射噪聲的總聲壓，Pj/F 是總聲學(xué)靈敏度。車身聲學(xué)靈敏度與各板件振動(dòng)級(jí)Vj的疊加（總振動(dòng)級(jí)）成正比，板件的振動(dòng)級(jí)由設(shè)置在各板件上的加速度傳感器測(cè)得。板件的振動(dòng)級(jí)越高，對(duì)整車總振動(dòng)級(jí)和聲學(xué)靈敏度的貢獻(xiàn)越大。

板件由激勵(lì)力產(chǎn)生振動(dòng)彎曲波，經(jīng)車內(nèi)空腔傳遞到檢測(cè)點(diǎn)Pj，經(jīng)歷2個(gè)過(guò)程，即由激勵(lì)力F到振動(dòng)加速度V，再由加速度V到聲壓級(jí)Pj，相應(yīng)的上述車身聲學(xué)靈敏度可以分解成2項(xiàng)，V/F和Pj/V，見(jiàn)式（4）。

式中：V/F為車身激勵(lì)力到振動(dòng)加速度的傳函；Pj/V為振動(dòng)加速度到聲壓級(jí)的傳函。

Pj/F分解成Pj/V和V/F，揭示了影響車身振動(dòng)與噪聲的3大因素：質(zhì)量、剛度和阻尼。這3大因素對(duì)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(duì)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(dāng)振動(dòng)的頻率大于臨界頻率時(shí)，板件就會(huì)產(chǎn)生聲輻射，聲壓級(jí)受板件的聲輻射效率和板件振動(dòng)級(jí)的影響，低頻時(shí)振動(dòng)與空腔的耦合較嚴(yán)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(shí)，聲輻射效率趨于平穩(wěn)，聲壓級(jí)主要受振動(dòng)級(jí)的影響。

轎車車身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各類板件形狀各異，相互之間存在交聯(lián)耦合，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行板件的聲學(xué)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(xiàn)量，以便在圖紙階段就進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并進(jìn)行降噪處理。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用設(shè)計(jì)好的白車身，機(jī)械激振器激勵(lì)，柔性測(cè)試結(jié)構(gòu)，將車身板件劃分若干個(gè)區(qū)域，各區(qū)域安加速度傳感器，距駕駛員右耳200 mm處設(shè)聲壓計(jì)，激振器加掃頻信號(hào)，頻率20～200 Hz，見(jiàn)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(hào)、各板件振動(dòng)信號(hào)、激勵(lì)力信號(hào)。

3.4 分析

A：聲壓級(jí)信號(hào)分析，采集聲壓信號(hào)做聲壓級(jí)分析，做聲學(xué)靈敏度貢獻(xiàn)圖；

B：振動(dòng)信號(hào)分析，由加速度傳感器采集的信號(hào)做振動(dòng)級(jí)分析，做板件的振動(dòng)級(jí)標(biāo)識(shí)圖；

C：頻譜分析，做在激勵(lì)力作用下的車身各板件振動(dòng)級(jí)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(dòng)模態(tài)頻率的峰值而設(shè)計(jì)的，目前，應(yīng)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(guān)，還與使用狀態(tài)有關(guān)；還有一類是只與材料配方有關(guān)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(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

阻尼材料的固有特性源于材料的配方，當(dāng)配方選定后，其固有特性就確定了，圖2 是阻尼材料的結(jié)構(gòu)模型。

阻尼材料可以等效成一個(gè)具有一定質(zhì)量m 、彈性模量E、剛度k、阻尼系數(shù)η的結(jié)構(gòu)，當(dāng)板件以一定的頻率發(fā)生振動(dòng)時(shí)，材料的阻尼系數(shù)η會(huì)產(chǎn)生相反的力來(lái)對(duì)抗它，彈性模量E決定了這種對(duì)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(xué)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(xué)模型：

配方A：

配方B：

配方C：

求解方程彈性模量E對(duì)阻尼系數(shù)ηmax的極值：

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

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

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

實(shí)驗(yàn)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(duì)于改性瀝青基的阻尼材料，彈性模量過(guò)大，會(huì)進(jìn)入玻璃態(tài)；彈性模量過(guò)小，會(huì)進(jìn)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(zhuǎn)變態(tài)，材料才會(huì)有最佳的阻尼效果，而轉(zhuǎn)變態(tài)中的最大阻尼系數(shù)，對(duì)應(yīng)于上述彈性模量。

對(duì)阻尼系數(shù)的要求，應(yīng)根據(jù)車身處理部位振動(dòng)級(jí)的大小來(lái)確定。振動(dòng)級(jí)較高時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)力就較大，為了對(duì)抗這種振動(dòng)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(lái)解決。

阻尼材料的彈性模量與溫度有關(guān)。調(diào)整配方，實(shí)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(gè)溫度段上，要與使用要求相匹配，轉(zhuǎn)變態(tài)的彈性模量范圍一般為500～2 500 MPa。

5 補(bǔ)強(qiáng)材料的選用

補(bǔ)強(qiáng)材料是基于低頻模態(tài)處理而設(shè)計(jì)的材料。汽車車身補(bǔ)強(qiáng)材料主要以環(huán)氧樹(shù)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(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。工程上把經(jīng)補(bǔ)強(qiáng)材料調(diào)整后補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度，與車身鋼板剛度的比值，定義為補(bǔ)強(qiáng)材料的剛度比，見(jiàn)式（9）。

式中：k1為補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度，N/m ；k2為測(cè)試基板的剛度，N/m ；f1n為補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的n階共振頻率，Hz ；f2n為測(cè)試基板的n階共振頻率，Hz：M1為補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，kg；M2為測(cè)試基板的質(zhì)量，kg。

補(bǔ)強(qiáng)材料的功能是增強(qiáng)車身的局部剛度。增強(qiáng)剛度的重要標(biāo)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(guān)系見(jiàn)式（10）。

補(bǔ)強(qiáng)剛度比的值，是車身鋼板與補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量比與頻率比平方的乘積。其中，在補(bǔ)強(qiáng)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(guān)的，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，結(jié)構(gòu)頻率會(huì)發(fā)生變化。設(shè)在某溫度下，結(jié)構(gòu)頻率等于鋼板頻率，f1n=f2n= fn；令質(zhì)量比m=M1/M2，則：

式（11）中，當(dāng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)剛度比等于質(zhì)量比m，此時(shí)的狀態(tài)為臨界補(bǔ)強(qiáng)狀態(tài)，沒(méi)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(bǔ)強(qiáng)材料，此時(shí)的質(zhì)量比為1.34，在上述條件下，要求補(bǔ)強(qiáng)材料在該結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率下，其補(bǔ)強(qiáng)剛度比要大于1.34，此時(shí)的溫度為最高使用溫度。

涂裝車間烘烤線的溫度對(duì)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度比的影響見(jiàn)表1。

補(bǔ)強(qiáng)材料的選擇，要首先確定涂裝車間烘烤線的溫度、需補(bǔ)強(qiáng)位置的頻率、使用環(huán)境下的溫度，然后選擇補(bǔ)強(qiáng)材料的剛度比，測(cè)試頻率偏移是否符合要求，實(shí)際應(yīng)用還要視具體處理部位來(lái)確定。

6 密封材料的選用

密封材料的選用主要是對(duì)空腔風(fēng)噪的處理。從車身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上看，有的部位存在與外界相通的孔洞等，在行駛過(guò)程中，就會(huì)引發(fā)風(fēng)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(yán)。對(duì)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(yīng)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(dòng)機(jī)4缸4沖程，對(duì)其進(jìn)行阻尼降噪NVH工程設(shè)計(jì)。

7.1 車身聲學(xué)靈敏度分析

圖3是該車車身聲學(xué)靈敏度貢獻(xiàn)圖。