乘用車聲學包設計開發與優化技術研究

鄧江華，宋俊，李燦，張斌瑜

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乘用車聲學包設計開發與優化技術研究

鄧江華1，宋俊2，李燦1，張斌瑜2

(1. 中國汽車技術研究中心汽車工程研究院，天津300300；2. 廣汽集團廣汽研究院，廣東廣州 510640)

聲學包對車內噪聲水平及聲學環境有著重要的作用，在很多情況下，國產汽車聲學包開發都是基于標桿車型的直接逆向，或憑借以往經驗的簡單開發。但更有價值的方法是在設計早期階段就具備開發聲學包部件的能力，即根據整車級目標定義對聲學包部件進行開發和優化。以對某乘用車的聲學包開發和優化過程為例，詳細說明了乘用車聲學包開發優化過程中的主要步驟與關鍵技術，旨在為聲學包開發設計提供指導和參考依據?；诖?，在乘用車早期設計階段即可評估不同聲學包方案的優劣，及其對車內噪聲水平及聲品質的影響，以指導內飾件的設計優化；同時，在滿足聲學包目標要求的基礎上，對聲學包方案進行優化，以滿足成本和質量的優化控制。

聲學包；開發；優化；統計能量方法

0 引言

一般乘用車聲學包是指具有降低內部聲壓尤其是空氣聲聲壓的聲學部件的組合。對一般乘用車而言，聲學封包主要包括發動機室內吸聲件、乘員室內吸聲或隔聲件、后行李箱吸聲和隔聲件、各種聲學密封件等。

車輛的聲學包是對車內聲學特征產生影響的重要組成部分。利用聲學包，不僅能降低車內噪聲水平，而且可以調節車內的聲品質，以滿足客戶的心理期待。對于實現整車級聲學目標而言，聲學包裝的定義、設計和開發是至關重要的。在很多情況下，聲學包裝的開發都是在實際樣車和聲學包部件的基礎上通過試驗進行的，但真正更有價值的方法是如何在設計的早期階段就具備開發聲學包部件的能力，即通過使用分析工具根據整車級目標定義對聲學包部件的要求和需要達到的指標。統計能量分析作為處理中高頻聲學分析的方法已成功應用于乘用車聲學包的開發設計和優化過程中。

1985年，DeJong首次采用統計能量分析(Statistical Energy Analysis, SEA)方法對車內噪聲的預測進行了嘗試[1]。此后，國外有很多學者對SEA方法在汽車工業中的應用進行了深入系統的研究[2-4]。同時，國外的一些汽車企業也在該領域取得了很多研究成果。福特[5]、豐田[6]等多家汽車公司均將SEA方法應用于整車及部件聲學包的開發與優化過程中。

我國對于統計能量分析方法在車輛工程方面的應用還處于起步階段，更缺少系統和深入的研究。同濟大學[7]、華中科技大學[8]、江蘇大學[9]等采用統計能量方法對車內噪聲進行了探索性的預測分析及相關研究。

縱觀國內外在乘用車聲學包方面的研究開展時間尚短，大多集中于車內聲場的預測方面，對聲學包設計優化方面的研究工作研究較少。國外在聲學包方面的研究較為成熟，并對聲學包模型的精度修正有較深入研究，對內飾參數的研究也有開展。而國內雖有一些聲學包方面的研究，但仍處于較低的水平，模型的精度不能保證，對聲學包內飾還不能提供有效的設計、優化方案，尚不能達到指導工程應用的水平。而隨著人們對乘用車駕乘舒適性的要求越來越高，車內聲學品質也越來越為各大主機廠和內飾供應商所重視，但目前限于國內該方面水平的缺陷，聲學包方面設計還主要依賴于國外設計公司或直接照搬照抄其他車型的聲學包方案，后期也不能對聲學包進行有效的改進優化。因此，對聲學包設計、優化方面的研究也勢在必行。

1 聲學包開發流程

當前，待開發車型的聲學包開發多基于標桿車進行，主要包括以下步驟：

(1) 標桿車解析

包括標桿車不同工況下車內聲響應的測試、各工況下車外聲載荷分布測量、聲學包分布特征解析、各種聲學部件的材料和物理屬性的測定、車身不同位置金屬材料屬性和厚度確認、基于標桿車的整車開發目標定義。

(2) 標桿車SEA模型建立及調校

包括建立統計能量分析(SEA)所需的數據庫、根據載荷分布劃分子結構和子空間建立SEA模型、復雜結構件模擬、部件及整車泄漏模擬、阻尼處理模擬等，以及SEA模型有效性的驗證。

(3) SEA模型移植

該部分工作主要為將標桿車SEA模型移植至待開發模型，此時由于在模型開發中，對待開發車型，只有金屬車身是精確的，其它結構、聲學參數和載荷都是大致的。當有樣車后，模型需校正。為此，要對產品車進行重復標桿車的測量，并基于此進行聲學包目標定義及開發。

(4) 聲學包的優化

基于移值完成的待開發車聲學包模型，進行優化目標的確定(降低成本，減輕質量，提高性能等)，確立具體到各個部件聲學性能目標值的優化方案。

詳細的聲學包開發流程可表示為圖1所示。

2 某車型聲學包開發

本文以某車型聲學包正向開發為例，詳細介紹了整車聲學包開發的流程及優化方法，文中所使用數據及圖片均為該車型聲學包開發設計中所使用。

2.1 標桿車解析

在基于標桿車的聲學包模擬開發過程中，需詳細解析標桿車聲學包結構特性、車身結構特性、車內聲學特性等。主要采用試驗方法獲取SEA模型所需的輸入參數及邊界條件，包括不同工況車內聲響應測試、主要聲源聲功率測試、車身聲載荷分布測試、內飾材料吸隔聲性能測試等，如圖2所示。

在標桿車解析的基礎上，初步定義待開發車型車內噪聲目標值及內飾件聲學性能目標水平，同時考慮整車其他子系統的聲學性能目標，如進排氣系統等。

2.2 標桿車聲學包SEA模型搭建及調校

聲學包SEA模型的建立包括SEA子系統的建立、子系統物理參數定義、載荷施加。

2.2.1 SEA子系統建立

依據載荷分布一致原則、模型簡化原則及關注位置細劃原則進行SEA子系統劃分，同時，考慮整車泄漏的施加，完成標桿車型SEA模型如圖3所示。

2.2.2 SEA子系統參數定義

子系統參數定義包括車身結構鈑金件材料屬性定義(材料彈性模量、泊松比、密度、結構厚度)、聲腔特性定義(可直接采用測試損耗因子或來自于吸聲材料、內飾件聲學特性(吸聲系數、插入損失等))以及復雜部件的模態密度、內損耗因子等。

聲功率測試 聲載荷測試

內飾件解析

2.2.3 SEA模型載荷施加

將不同工況下測取的聲載荷施加于對應的外場空間子系統，如圖4所示。聲載通過面連接向車內傳遞引起車內聲響應。

2.2.4 SEA模型調校

完成SEA模型搭建后，需對模型的有效性進行驗證，即調校SEA模型。對SEA模型的調?？勺裱韵略瓌t：

(1) 靜聲載下聲學包處理(Noise Control Treatment, NCT)和內部空間聲吸收(與測得的混響時間)結果對比，調整NCT設置。

(2) 靜聲載下預測值和實驗值對比，調整泄露與結構輻射特性等。

(3) 將靜載調校模型運用于動載預測，調校損耗因子及對前期調整參數進行綜合平衡。

對SEA模型調校使之滿足對車內聲場預測及優化的作用，同時要求該SEA模型對聲學包特性的改變敏感且預測誤差控制在一定范圍內。在模型調校完成后，獲得車內預測聲壓與實測聲壓間的誤差Δ值，如圖5所示。

2.3 SEA模型移植

基于標桿車SEA模型，通過聲學包定義與結構形式調整，以完成待開發車型SEA模型的移植，在此基礎上進行待開發車型車內聲響應預測及聲學包開發優化。SEA模型從標桿車向待開發車的移值需經過以下階段：

(1) 基于聲功率測試的聲載荷等效放大(見圖6)，并基于標桿車SEA模型進行待開發車型車內聲場預測；

(2) 基于待開發車型車內聲場預測結果，進行待開發車型內飾件聲學性能的目標修正及方案驗證，如圖7所示；

(3) 移植關鍵子結構的SEA模型(如防火墻等)，并基于子結構隔聲量測試結果進行調校，如圖8所示；

(4) 整車SEA模型移植，調整junction及內飾分布、吸隔聲參數等；

(5) 基于靜態聲載荷的SEA模型調校及Δ值修正(見圖9)；

(6) 施加動態聲載荷，并加入修正后的Δ值，進行車內聲場預測，如圖10所示。

2.4 聲學包優化

完成了待開發車型SEA模型的調校與預測后，即可基于此模型進行聲學包優化設計或改進。聲學包的優化主要包括：

(1) 整車聲學包優化。對車內所有聲學部件性能、分布、結構等進行優化，以滿足整車聲學性能的要求，或減重和成本控制的要求。

(2) 部件聲學包優化。對不同內飾件材料、結構、位置、覆蓋水平等進行優化，以滿足不同內飾件的性能目標。

(3) 管道聲學包優化。包括車身側圍的旁路空腔與車身側通道封堵設計優化(材料、位置、結構形狀等)。

基于各子系統能量輸入輸出的功率流(圖11)，可進行聲學包減重、降本及性能優化，優化內容主要包括聲學材料結構優化(單層、雙層、多層結構)；聲學材料類型優化(材料屬性、孔隙率、流阻等)；內飾件位置優化(布置位置、覆蓋率等)；通道封堵(A/B/C柱等通道隔斷位置優化)等。

基于以上思想，對待開發車型聲學包聲學性能進行優化，同時對地毯進行減重優化。優化后，60 km/h工況下車內噪聲水平如圖12所示。

由圖12可見，優化聲學包性能后，60 km/h工況車內噪聲已較原水平下降了2 dB以上，除2500~4000 Hz略高于標桿車約1 dB外，已基本達到標桿車水平。而在此基礎上進行的地毯減重優化，對車內聲場貢獻很小，仍能滿足目標要求。

3 結論

通過進行基于SEA方法的某車型聲學包開發，可得出如下結論：

(1) 基于SEA方法的聲學包開發，可以在整車開發初期就完成聲學包設計及優化，避免了開發后期對聲學包特性的盲目整改；

(2) 聲學包的預測分析及優化必須與試驗相結合，聲載荷與聲學包特性參數的試驗獲取對SEA模型預測分析的準確性至關重要；

(3) 聲學包的開發需貫穿整車開發的全過程，聲學包性能目標的設定和實現需要經過多次的循環改進和完善；

(4) 一個完善的聲學包SEA模型不僅可用于本次開發車型聲學包開發和優化的依據，而且可以移植于同平臺、同類車型的聲學包開發和優化中。

(5) 本文所涉及的整車聲學包開發流程也可作為整車聲學包開發設計的參考。

[1] DeJong R G. A study of vehicle interior noise using statistical energy analysis[C]// SAE Technical Paper, 850960.

[2] Robert J Unglenieks, Marvin R Mealman. Simplified porous panel subsystem for SEA modeling[C]// SAE Paper, 2003-01-1538.

[3] Chadwyck Musser. Prediction o Vehicle Interior Sound Pressure Distribution with SEA[C]// SAE Paper, 2011-01-1705.

[4] Liangyu(Mike)Huang, Pamkumar Krishnan. Development of a luxury vehicle acoustic package using SEA full vehicle model[C]// SAE Paper, 2003-01-1554.

[5] Ching-Hung Chuang, Kun-Tien Shu. A CAE optimization process for vehicle high frequency NVH applications[C]// SAE Paper, 2005-01-2422.

[6] Norimasa Kobayashi, Hisanori Tachibana. A SEA-Based Optimizing Approach for Sound Package Design[C]// SAE Paper, 2003-01-1556.

[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, 2002, 30(7): 862-867.

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[8] 李曉政, 黃其柏, 陸森林. 車輛室內噪聲的統計能量分析優化仿真[J]. 噪聲與振動控制, 2005, 25(3): 29-32.

LI Xiaozheng, HUANG Qibai, LU Senlin. Optimization design about cab inner noise based on statistical energy analysis[J]. Noise and Vibration Control, 2005, 25(3): 29-32.

[9] 夏恒, 宮鎮, 王勇. 關于高速車輛內部氣流噪聲計算方法的研究[J]. 汽車工程, 2003, 25(1): 78-81.

XIA Heng, GONG Zhen, WANG Yong. A research on calculating method of interior aerodynamic noise for hign-speed automobile[J]. Automotive Engineering, 2003, 25(1): 78-81.

Development and optimization of sound package for passenger vehicle

DENG Jiang-hua1, SONG Jun2, LI Can1, ZHANG Bing-yu2

(1. China Automotive Technology & Research Center,Automotive Engineering Research Institute, Tianjin 300162, China;2. Guangzhou Automobile Group Co., Ltd,Automotive Engineering Institute, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Sound package plays an important role in interior noise level and sound quality of passenger vehicle. For this reason, the definition, design, and development of a sound package are significant to meet acoustic target of vehicle-level. In many situations, this development is conducted experimentally, or reversely developed based on benchmark. Of more value is the ability to develop and optimize sound package components in the early design phase,. to leverage analytical tools for defining component-level requirements and targets to meet the vehicle-level targets, and ultimately to fulfill the final customer’s expectations. This paper presents a development and optimization process of sound package design combining the CAE SEA-based prediction and experiment. Based on the above process, the performance of sound package and the mid-high frequency noise level of vehicle can be evaluated in the early design phase. Additionally, on the basis of meeting vehicle NVH target, the weight and configuration of sound package can be optimized.

sound package; development; optimization; statistical energy analysis method

TB533+.2

A

1000-3630(2015)-04-0353-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.04.012

2014-04-17;

2014-07-03

鄧江華(1976－), 男, 山西沁源人, 博士, 高級工程師, 研究方向為整車NVH控制開發技術、整車聲學包開發與優化設計、動力傳動系統扭振。

鄧江華, E-mail: djh617@163.com