汽車前圍聲學包中頻插入損失仿真計算

姜東明，丁渭平，蘇瑞強，楊明亮，馬逸飛，朱 鵬

（1.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031； 2.東風汽車公司 技術中心，武漢 430056）

汽車前圍將發動機艙和駕駛室分隔開，在處于駕駛室這一側的前圍鈑金上附加聲學包可以大幅提升前圍總成的隔聲能力，能有效降低由發動機艙傳遞到車內的噪聲。傳統的聲學包開發需要經過反復設計、制造、試驗等過程，面臨著低效率、高成本等問題。因此，通過仿真技術對聲學包進行隔聲性能分析已成為開發聲學包的重要手段之一。

一些國內外學者對汽車前圍聲學包進行了相關研究。葛峰、Bertolini、Zhang基于SEA法對前圍聲學包的隔聲性能進行了研究，以輕量化為目的對前圍聲學包進行了優化，但他們并未對多種聲學包成型件區域劃分方法進行分析[1–3]。杜愛民基于正交優化設計理論、SEA法，從材料厚度、密度、覆蓋率、堵件設置方面對前圍聲學包進行了優化，得到了滿足降噪性能和輕量化的最優設計，但他將前圍聲學包成型件簡化為某一厚度的聲學包平板件，且并未對該方法進行合理性說明[4]。

此外，這些研究主要通過SEA法[5]對前圍聲學包高頻隔聲性能進行了研究，忽略了前圍聲學包的中頻隔聲性能。車內中頻噪聲由空氣輻射噪聲以及結構振動所引致的結構噪聲組成，在降低車內低頻噪聲和高頻噪聲的同時，還必須將車內的中頻噪聲水平控制在合理范圍之內，這樣才能全面改善汽車車內NVH水平。因此，對汽車前圍聲學包的中頻隔聲性能進行分析是非常有必要的。在學術界和工程界，對于中頻問題，常用混合FE-SEA法[6]。低、中、高頻本是一種相對概念，沒有絕對的界線，學術界和工程界為了方便問題的描述，常取200 Hz～1 000 Hz為中頻。

在充分考慮這些問題之后，以某車型的前圍聲學包成型件為研究對象，根據聲學包成型件的三種區域劃分方法建立了與其匹配的三種混合模型，計算該模型在200 Hz～1 000 Hz的插入損失，并通過與試驗值對比，確定最優區域劃分方法以及該模型對應于中頻的有效頻率區間。

1 聲學包成型件狀態解析

所研究的某車型前圍聲學包成型件采用的是一種復合材料，其結構形式為PET+EVA+PU，如圖1所示。

圖1 聲學包成型件及其結構形式

前圍聲學包中的PET（3 mm）與EVA（2 mm）厚度均勻分布，而PU厚度分布不均勻。聲學包成型件的厚度分布云圖如圖2所示。

圖2 聲學包成型件厚度分布云圖

為方便后續在VA One仿真軟件中創建聲學包，需先根據聲學包成型件的厚度分布云圖將聲學包成型件劃分為不同厚度的平板件。為了探究不同的區域劃分方式對仿真結果的影響，采用了粗劃分（35塊）、中劃分（55塊）、細劃分（81塊）這三種方法，劃分完畢的聲學包成型件可看作由厚度分別為5 mm、10 mm、13 mm、15 mm、17 mm、20 mm、21 mm、22 mm、23 mm、25 mm、28 mm的聲學包平板件組合而成，如圖3所示。

在VA One軟件中創建前圍聲學包時需導入各層材料與聲學性能相關的物理參數，然后根據圖3中聲學包成型件的區域劃分情況定義不同的厚度即可。各層材料的物理參數可結合駐波管試驗與FOAM-X軟件獲取。為驗證所得參數的精確度，可將其導入NOVA軟件并對某厚度聲學包平板件的插入損失進行仿真，通過與試驗值對比即可驗證所獲取的材料物理參數的精確度。

2 聲學包材料物理參數獲取及驗證

2.1 聲學包材料物理參數獲取

首先分別測量出PET、EVA、PU的密度，然后對PET與PU這兩種材料進行駐波管試驗，獲取其線性吸聲系數、線性復反射因數實/虛部、線性復阻抗率實/虛部，駐波管試驗如圖4所示。再將這五個參數導入FOAM-X軟件中進行材料物理參數識別，獲取材料的孔隙率、流阻、彎曲度、黏性特征長度、熱力特征長度這五個物理參數。對于PU材料，還需獲得彈性模量、泊松比、阻尼損耗因子，這三個參數由專業檢測機構測得。PET、EVA、PU的物理參數如表1所示。

2.2 聲學包材料物理參數驗證

圖3 聲學包成型件區域劃分示意圖

圖4 駐波管試驗

表1 各層材料的物理參數

為了驗證所獲取的材料物理參數的精確度，準備了與成型件各層材料相同的三塊平板件，這三塊平板件的各層材料厚度均勻分布且總厚度分別為10 mm、15 mm、20 mm，通過試驗方法已獲取了其插入損失。將表1中的物理參數導入NOVA軟件，對這三塊平板件的插入損失進行仿真，并與試驗值進行對比，如圖5至圖7所示。

圖5 平板件（10 mm）插入損失仿真值與試驗值對比

圖6 平板件（15 mm）插入損失仿真值與試驗值對比

由于插入損失的仿真值與試驗值都是用聲壓級表示的，對仿真值與試驗值進行誤差分析時，首先需根據式（1）將聲壓級轉化為聲壓有效值，然后根據式（2）求得聲壓有效值的相對誤差。聲壓有效值的相對誤差結果如表2至表4所示。

圖7 平板件（20 mm）插入損失仿真值與試驗值對比

式中SPL為聲壓級；Pe為聲壓有效值；參考聲壓P0=2×10-5Pa；ε為聲壓有效值的相對誤差；Pe1為插入損失仿真值對應的聲壓有效值；Pe2為插入損失試驗值對應的聲壓有效值。

表2 平板件（10 mm）插入損失誤差分析

表3 平板件（15 mm）插入損失誤差分析

諸如Shao J[7]、鄧江華[8]等許多國內外學者在對聲學包進行仿真分析時采用的是±3 dB的誤差標準，由式（1）、式（2）聯立得到式（3），由式（3）可得到±3 dB的誤差對應于聲壓有效值的相對誤差。

式中ε為聲壓有效值的相對誤差；SPL1為插入損失仿真值對應的聲壓級；SPL2為插入損失試驗值對應的聲壓級。當SPL1-SPL2=﹢3 dB時，ε為41.3%；當SPL1-SPL2=-3 dB時，ε為29.2%。

由圖5至圖7可知，這三塊平板件的插入損失仿真值與試驗值的趨勢基本一致。由表2至表4可知，10 mm的平板件插入損失仿真值與試驗值的最大誤差不超過13.9%，15 mm和20 mm的平板件插入損失仿真值與試驗值的最大誤差不超過12.9%，各誤差都遠低于29.2%，表明所獲取的材料物理參數精度較高，可用于后續VAOne軟件中聲學包的創建。

表4 平板件（20 mm）插入損失誤差分析

由于制作工藝的局限性，這三塊平板件的厚度并非絕對的均勻分布，PU層的某些局部位置也存在空洞，這些都會為插入損失試驗結果帶來一定的誤差；此外，在做駐波管試驗之前需將聲學包裁剪成直徑為30 mm的圓柱體樣件，駐波管試驗要求試驗樣件與駐波管內壁緊密貼合且不變形，裁剪之后的樣件通常無法同時滿足這兩點要求，這會為駐波管試驗數據帶來一定的誤差，駐波管試驗數據用于NOVA軟件仿真，從而又為聲學包平板件的插入損失仿真結果帶來一定的誤差。

3 仿真模型的建立

3.1 有限元模型的建立

在VA One軟件中建立混合FE-SEA模型之前，需導入前圍鈑金的有限元模型，根據圖3中的聲學包成型件區域劃分情況創建有限元結構子系統，再在上面附加聲學包，有限元模型如圖8所示。

3.2 混合FE-SEA模型的建立

混合FE-SEA法從有限元和統計學的意義出發，是一種計算中頻問題非常有效的方法。建立的混合FE-SEA模型既能對較高模態密度的子系統進行快速計算，從而在整體上減少計算資源的耗費，又能避免單獨使用FE法或SEA法所導致的對中頻問題求解的不準確性。

對于FE部分的建立，將劃分好區域的前圍鈑金有限元模型導入VA One軟件中，將之前劃分好的每塊區域分別創建有限元結構子系統。然后定義聲學包各層材料的物理參數，在各個區域上賦予對應厚度的聲學包。汽車前圍上有安裝轉向管柱、線束等零部件的過孔，為了使仿真和試驗結果更加一致，仿真時采用橡膠對各個過孔進行密封。

圖8 前圍鈑金有限元模型

對于SEA部分的建立，在前圍兩側分別創建聲源室聲腔和接收室聲腔，對這兩個聲腔進行仿真計算之后提取數據，并計算前圍聲學包成型件的插入損失。然后，在聲源室聲腔上加載1 Pa的聲約束作為入射聲。

最后，將兩個聲腔與每個有限元結構子系統創建混合連接關系，至此便完成了整個混合FE-SEA模型的建立，所建模型如圖9所示。

圖9 混合FE-SEA模型

4 聲學包成型件插入損失的試驗獲取

聲學包的隔聲性能用插入損失（IL）描述，為了獲取聲學包成型件的插入損失，需要分別獲取前圍鈑金在覆蓋聲學包前后的傳遞損失（TL），二者之差即為聲學包的插入損失。傳遞損失的定義是結構一側的入射聲功率Wi與另一側透射聲功率Wt相差的分貝數，其數學表達式為

傳遞損失的測量采用混響室-半消室的試驗方法。首先將白車身上的前圍鈑金切割下來并制作成工裝，將工裝安裝在混響室與半消室的公共墻面的開口處，并用阻尼板對工裝與墻面開口之前的縫隙進行密封。在混響室一側，放置一個十二面體球形聲源產生白噪聲激勵，通過工裝前側的4個麥克風測量不同位置的聲壓信號并求得平均聲壓級。在半消室一側，利用聲強探頭在距離隔聲構件5 cm的地方按照0.1 m/s～0.3 m/s的速度掃描前圍鈑金在覆蓋聲學包前后的兩種狀態，分別獲得兩種狀態對應的平均聲強級，并通過測試軟件自動算出兩種狀態的傳遞損失，二者相減即為聲學包的插入損失。聲學包成型件的測試狀態如圖10所示。

圖10 聲學包成型件測試狀態

5 結果分析

將前圍聲學包成型件的插入損失仿真結果與試驗結果進行對比，如圖11所示。

圖11 前圍聲學包成型件插入損失仿真值與試驗值對比

根據式（1）、式（2）對混合FE-SEA模型的聲學包插入損失的仿真值與試驗值進行誤差分析，如表5至表7所示。

由圖11與表5至表7可知，在200 Hz～630 Hz頻段內，三種區域劃分方式的仿真值與試驗值的趨勢基本一致，粗劃分方式的仿真值與試驗值的最大誤差不超過18.5%，中劃分方式的仿真值與試驗值的最大誤差不超過12.9%，細劃分方式的仿真值與試驗值的最大誤差不超過10.8%，三種劃分方式的誤差都遠低于29.2%，表明三種劃分方式在200 Hz～630 Hz頻段內的精度較高，且細劃分方式是三種劃分方式中精度最高的一種。在試驗過程中，前圍的邊界條件是近似自由的，而仿真的邊界條件是完全自由的，邊界條件的不完全一致會導致誤差的產生。此外，在對聲學包進行區域劃分時，目前只能依靠手動劃分，區域劃分的精準程度也會為仿真結果帶來一定的誤差。

三種區域劃分方式的試驗值與仿真值在800Hz～1 000 Hz的誤差都偏大，主要原因是混合FE-SEA法本身具有一定的局限性，無法精確計算更高頻段的問題，對于更高頻段的問題應采用SEA法計算更為合理。此外，在試驗過程中，試件的邊界條件是近似自由的，而仿真模型的邊界條件是完全自由的，邊界條件的不完全一致也會導致誤差的產生。

表5 粗劃分模型的聲學包插入損失誤差分析

表6 中劃分模型的聲學包插入損失誤差分析

表7 細劃分模型的聲學包插入損失誤差分析

綜上，在這三種區域劃分方式中，區域劃分越細致，仿真結果越好。雖然通過混合FE-SEA法得到的前圍聲學包插入損失在200 Hz～1 000 Hz頻段內的仿真值與試驗值存在一定的誤差，但是在200 Hz～630 Hz頻段內的插入損失仿真值與試驗值較為吻合，從而表明細劃分混合模型應用于200 Hz～630 Hz頻段內的可行性。

6 結語

（1）將所獲取的材料物理參數導入NOVA軟件中，發現三種厚度的平板件插入損失仿真值與試驗值具有較好的一致性，表明所獲取的材料物理參數具有較高精度，可運用于相關建模分析中；

（2）根據厚度分布云圖對聲學包成型件進行了三種區域劃分，并對這三種區域劃分方法的仿真結果與試驗結果進行了對比，結果表明細劃分方法優于中劃分方法，中劃分方法優于粗劃分方法；

（3）采用混合FE-SEA法建立的汽車前圍聲學包細劃分混合模型，其插入損失仿真值與試驗值在200 Hz～630 Hz頻段內具有較好的一致性，表明了該混合模型在200 Hz～630 Hz頻段內的有效性，同時為處理該類問題提供了參考。