整車NVH半消聲室設計淺析

黃靈河　黃月芹　秦軍旭　何森東　韋習文

摘 要：結合聲學理論和實際情況，介紹整車半消聲室土建設計方法和工藝，以及試驗室底盤測功機選型及聲學指標要求，也闡述了NVH試驗室建設的隔振工藝及指標。建成后的整車NVH半消聲室將縮短產品開發周期、適應新產品的開發需求及提升試驗驗證能力。

關鍵詞：消聲室;NVH試驗室;隔振;底盤測功機

1 引言

在我國汽車工業迅猛發展的同時，客戶對汽車各方面的要求也日益提高。消費者除了對汽車的安全性重視外，乘坐舒適性也正在成為消費者日益關注的問題。NVH是指Noise（噪聲）、Vibration（振動）和Harshness（聲振粗糙度）。為了滿足消費者的需求，如今各大汽車主機廠，包括零部件供應商，都更加重視NVH的投入與研發。在汽車NVH正向開發過程中，還要考慮研發周期性和保密性，建設整車NVH消聲室就顯得非常重要。而且NVH測試在室外測試容易受環境、場地、天氣等外界因素的影響，例如胎噪、風噪等受外界環境因素非常大，造成測量精度低、數據一致性差等問題。

2 消聲室

2.1 整車消聲室

消聲室是指房間各邊界有效吸收入射聲，房間內部形成自由聲場，并且房間要隔絕外界噪聲干擾，如圖1。消聲室又分為全消聲室和半消聲室。全消聲室是指房間每個面全鋪設吸聲材料，半消聲室是指不是所有面鋪設吸聲材料的。汽車在實際中是在水泥或者瀝青路面上行駛的，由于汽車行駛過程中輪胎與地面相互作用產生的結構噪聲通過輪胎-懸掛傳到車內產生噪聲，要準確研究汽車的這一聲學特性，需要汽車置于一個不受外界干擾的環境中。為了更精確模擬汽車在實際行駛過程對聲學的研究，汽車整車NVH試驗適合采用半消聲室。為了盡可能減少外界對試驗的影響，整車NVH半消聲室設計為內外房雙層結構，如圖2。

整車NVH半消聲室主要進行整車噪聲、振動等相關的聲學指標的測量和調試。根據半消聲室的聲學指標要求，盡量減少外界對被測對象的干涉，內房及測試設備需要隔振降噪處理。

2.2 消聲室設計基本要求

首先，整車NVH半消聲室是有聲學法規要求的，這就需要在前期設計階段考慮好。在ISO3745、GB6882中提到，理想的噪聲測量環境是除了地面是反射面外，沒有其他反射面的半自由聲場。整車NVH半消聲室主要用于研究汽車加減速度、巡航、怠速工況及通過噪聲的研究。這就對整車消聲室內的自由場有聲學尺寸要求。在ISO3745中消聲室體積算法，公式（1）所示：

V≥100Va（1）

式中：

V為消聲室體積;

Va為被測試對象的體積。

在通過噪聲試驗中，被測物件要完全處于自由場內。除了對尺寸要求外，消聲室應該還有試驗車運行所需的底盤測功機、點冷系統、空調系統、吸隔聲門、尾氣排放、照明、有害氣體檢測系統和監控系統等，除了配備這些設備外，消聲室應該還具有足夠低的背景噪聲[1]。

3 整車半消聲室設計及技術參數

3.1 試驗室土建施工

在整車NVH消聲室施工過程中，由于其聲學特性的要求和土建聯系緊密，土建部分除了要達到土建施工要求外，還需要滿足消聲室聲學工藝要求，這樣對施工的每個環節都要清楚并且跟進，避免返工和影響消聲室的聲學性能。

土建施工要求：

（1）整車NVH半消聲室建筑結構采用內外房的形式，外房要求是剪力墻結構形式，澆注外房剪力墻體時需要澆注密實，避免產生空鼓，內房要求是實心墻磚形式，內外房墻面需要用水泥抹灰，抹灰也要避免空鼓，保證墻的隔聲性能。

（2）為了盡可能減少外界條件對內房的干擾，內外房連接需做隔振處理，內外房隔振處理方式有多種，用特殊棉隔振和彈簧隔振的方案較多，本案用彈簧隔振方案，如圖3所示。施工過程中確保內外房無硬性連接，澆注內房底板鋼梁前，檢查鋼梁焊接部位是否還有縫隙，避免在澆注混凝土時導致內外房形成硬連接。

（3）鋪設內房隔振路軌表面必須保證平面水平度，這樣才能確保路軌受力均勻，隔振性能才能達到目標要求。

（4）消聲室艙頂隔聲層要做隔振處理，隔聲墻與艙頂工藝，如圖4。

除了上述施工工藝外，還要綜合考慮設備布局對消聲室聲學特性的影響。

3.2 消聲室吸聲要求

通常消聲室常用吸聲材料有兩種，尖劈和平板吸聲材料。尖劈是采用玻璃纖維填充的吸聲結構，如圖5～6。其主要利用外形構成阻抗漸變結構，當聲波從尖劈尖端入射時，由于逐漸過渡的原因，吸收聲波的頻率是連續的。根據此原理，可采用不同容重的吸聲材料結構構成阻抗變化層。這種吸聲結構簡化了尖劈制作的復雜工序，在表面附上保護層即可設計出較好的外觀效果。金屬尖劈除了滿足聲學性能要求外還應有抗機械碰撞能力、抗腐蝕、防油污能力，并便于清潔與維護。

根據研究，吸聲尖劈的理論截止頻率約相當于吸聲結構長度為1/4波長的頻率。本案尖劈結構長度達到1.45m（不包含空腔尺寸），如圖6所示，那么其理論截止頻率為：

式中為聲速，為截止頻率，為尖劈長度。

此結構通過由權威部門按照ISO10534-1：1996 駐波管法測試的聲學測試，實際下限截止頻率可達到50Hz，如表1所示。

3.3 消聲室隔聲要求

隔聲字面意思就是要隔絕外界的聲音，阻止外界的噪聲傳入消聲室。消聲室采用內外房雙層結構以及內外房之間掛吸聲材料也是提高其隔聲量的手段。在消聲室中，門的隔聲性能也是一個很重要的因素。一個好的隔聲門應該具有良好的隔聲性能和最優化的邊緣效應。

除了結構上采取隔聲外，門窗預留口、空調系統換風口、尾排系統預留口以及穿線孔等處理也是關鍵，例如門安裝后，需對門四周進行密封處理，避免漏聲。一般門窗的面積相對墻的面積小得多，所以門窗的透射損失要比墻的透射損失低。以單層墻為例：則包括門窗在內的該墻的平均傳遞損失計算公式為：

設門的面積為，透射系數為;墻的面積為，透射系數為。

上式中，當時，門窗的隔聲設計較為合理。由于門窗縫的處理較為困難，對于門的隔聲設計，采用的條件比較合理，即在滿足使用條件的情況下，開洞越小越好。隔聲門用單層隔聲量Rw57的雙開隔聲門，內外門組成的通行門總隔聲量要求≥65dB，門縫應填高密度磁性密封條，以保證隔聲性能。

3.4 消聲室隔振要求

低頻振動和沖擊可以影響NVH試驗的準確性。減振的目的是控制干擾，將干擾振動的不利影響控制在可接受的范圍內。

消聲室外界可能有其它振動源會對NVH測試產生影響。為了防止外界的振動傳遞到消聲室內，內外房做隔振處理，并且要求其共振頻率低于10Hz，隔振效率不低于95%。隔振效率E計算公式（1）如下：

（1）

式中，為傳遞效率，為干擾頻率， 為固有頻率，為阻尼比。

除了內房需要隔振外，試驗室內房相關的設備也需要隔振處理，比如底盤測功機基座需要彈簧支撐，內房空調鼓風機需要座式彈簧減震器隔振，過線孔及管道安裝需要安裝隔振裝置。

3.5 轉轂及噪聲要求

底盤測功機是半消聲室最重要的測試設備之一，其選型和噪聲指標是影響測試準確性關鍵因素。轉鼓有機械軸承和液壓軸承。機械軸承由于有滾珠、轉子等機械部件，會有階次產生，其階次根據機械軸承里有多少轉子、轉珠或是轉軸而定。機械轉轂使用時間久容易產生異響，聲學性能難達到要求。液壓軸承式轉轂要配備有額外的液壓泵和泵房，當轉鼓啟動時，需要先讓液壓系統啟動，液壓軸承的液壓充足后，轉鼓再啟動。這樣液壓軸承式轉轂就不會有機械軸承式轉轂問題，而且聲學性能容易達到目標要求。

底盤測功機還需配備舉升式作業地坑升降平臺。平時試驗時，有些測試需要在車輛運轉時進行實時診斷，同時也可以對底盤進行檢查維護。有舉升式作業地坑升降平臺，也會極度的增加工作安全性和便捷性。即便是測試初期傳感器布置，如果有舉升式作業地坑升降平臺，會方便很多，增加工作效率。

底盤測功機噪聲要求：消聲室本底噪聲控制指標：只開空調時，噪聲≤30dB（A）;只開空調，轉鼓不帶可更換鼓面以穩定速度空轉，在轉鼓沿軸線外側距離1米，距離轉鼓最高點高度1米處測量。滿足表2要求：

為保證測量準確，半消聲室本底噪聲應低于被測物噪聲10dB（A）以上。根據汽車噪聲試驗的實際需要，消聲室本底噪聲按要求，室內所有設備關閉：≤20dB（A）;普通通風模式：≤25dB（A）;50%風量通風模式：≤30dB（A）;100%風量通風模式：≤45dB（A）。

4 消聲室聲學鑒定

4.1 自由場鑒定

本案試驗室凈空間尺寸為：25m×20m×6.8m（長×寬×高），自由聲場尺寸為：22m×17m×5.3m（長×寬×高），可保證室內通過噪聲試驗系統的所有傳聲器均處于自由場中;

參照ISO3745—2003附錄A[2]和GB/T6882—2016《聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級和聲能量級消聲室和半消聲室精密法》附錄A[3]和JJF1147—2006《消聲室和半消聲室聲學特性校準規范》[4]的要求，對自由場半徑進行鑒定。

在半消聲室地面中心放置指向性聲源，并以此為中心點，測試5條軌線，其中T1-T5為ISO 3745-2003所規定的5條基本軌線，從聲源位置到房間角落頂部。對于整車通過噪聲半消聲室，在滿足自由場長度≥22米，寬度≥17米的同時，自由場范圍同時覆蓋室內通過噪聲試驗傳聲器陣列。測試軌線通過試驗室1/4區域內室內通過噪聲試驗各傳聲器，如圖7所示。（圖中傳聲器數量僅作示意）。

每條軌線上測量點的位置從距離聲源0.5米開始到軌線結束，測量點間隔0.1米。采用單頻信號檢測，每個1/3倍頻程帶寬內隨機抽取頻率作為檢測信號頻率，可根據需要增加測量軌線的數量，校準曲線如圖8。該誤差在自由場半徑內應滿足表3要求：

5 結束

整車通過噪聲半消聲室建成后，可為各類轎車、微型客車、皮卡、SUV、輕卡等車型進行整車內、外部噪聲測試分析，室內通過噪聲測試分析及噪聲源貢獻量分析，進排氣振動噪聲分析及設計優化，動力總成及傳動系統振動噪聲的分析及優化，振動噪聲傳遞路徑分析，車內聲品質優化，道路噪聲降噪優化、工作變形/實時模態振動試驗分析等，為產品的開發、評價、診斷及改進提供服務。提升了產品開發質量和效率，縮短了開發周期，降低了開發成本。

參考文獻：

[1]ISO3745-2003，Acoustics-Determination of sound power levels of noise sour cesusing sound pressure-Precision methods for anechoicandhemi-anechoicrooms[S].

[2]Acoustics-Determination of Sound Power Levels of Noise Sources Using Sound Pressure-Precision Methods for AnechoicandHemi-anechoicRooms：ISO3745—2003[S].

[3]聲學聲壓法測量噪聲源聲功率級和聲能量級消聲室和半消聲室精密法：GB6882—2016[S].

[4]消聲室和半消聲室聲學特性校準規范：JJF1147—2006[S].

[5]赫爾姆特·富克斯.噪聲控制與聲舒適：理念、吸聲體和消聲器[M].汪濤，查雪琴譯.北京：中國科學技術出版社，2012.

[6]查雪琴，H.V.Fuchs.消聲室聲學技術的革新[J].聲學學報，2003（4）：299-308.

[7]消聲室和半消聲室技術規范：GB50800—2012[S].