用統計能量方法分析和優化前圍聲學包

摘"要：前圍聲學包是阻隔機艙內噪聲向車內傳遞的最主要手段。建立SEA模型，從材料參數、厚度和覆蓋率等方面分析內前圍的隔聲性能，從泄漏方面分析過孔件的隔聲性能，對前圍聲學包進行優化，以提高其隔聲性能，降低整車車內噪聲。

關鍵字：汽車；發動機機艙；SEA；前圍聲學包；統計能量法；優化

中圖分類號：TB533+.2""文獻標志碼：B""文章編號：1671-5276（2024）02-0166-04

Statistical Energy Analysis And Optimization of Dash Sound Package

XU Linqian1， YUE Zhiqiang2， GENG Jian2

（1. Qinghai University of Technology，Xining 810028，China； 2. Great Wall Motor Co.， Ltd.， Baoding 071033，China）

Abstract：Dash sound package is the most important means to block the noise in cabin from transmitting to vehicle. This paper builds the SEA model， analyzes the sound insulation performance of the inner enclosure from the aspects of material parameters， thickness and coverage， analyzes the sound insulation performance of the perforated parts in terms of leakage， and optimizes the dash sound package of the front enclosure， so as to improve its sound insulation performance and reduce the noise in vehicle.

Keywords：vehicle；engine cabin；SEA；dash sound package；statistical energy method；optimization

0"引言

隨著汽車工業的快速發展，消費者對汽車的關注不僅僅在外造型與使用方面，還考慮乘坐的舒適性［1］。汽車的舒適性與NVH（noise vibration harshness）性能有關，聲學包是汽車廠家降低整車車內噪聲水平的關鍵手段之一［2］。

前圍聲學包包括內、外前圍隔熱墊以及各種過孔件包括線束、離合踏板、制動踏板、油門踏板、轉向管柱、空調的暖水管、膨脹閥和進風口等［3］。前圍聲學包是機艙內噪聲向車內傳遞的主要路徑之一，能夠有效吸收機艙內噪聲并阻隔其向車內的傳遞。前圍聲學包NVH性能對車內降噪和車內聲品質提升起到重要作用［4］。內前圍隔熱墊是前圍聲學包中最主要的產品之一。

利用某款車的前圍鈑金建立SEA（SEmantic-aware Alignment）模型，從材料參數、厚度和覆蓋率等方面分析內前圍的隔聲性能，從泄漏方面分析過孔件的隔聲性能，對前圍聲學包進行優化，提高其隔聲性能，降低整車車內噪聲，提高聲品質。這對汽車前期設計有一定指導意義。

1"分析原理

1.1"SEA統計能量原理

統計能量SEA可將整個復雜系統分解為若干耦合的子系統，每一個子系統代表一組模態。根據系統的各種參數建立起各個子系統間能量流動的關系，每一子系統耗散和傳遞能量，應用能量守恒原理于每個子系統及整個系統，通過求解能量平衡方程得到每個子系統上能量，從而得到最后的響應。采用統計模態、能量功率流來描述各子系統的狀態和系統間的相互作用關系，將噪聲問題表達為子系統間的能量關系，再將能量轉換成聲壓級來表示噪聲大小［5］。

SEA模型的建立需要一定的特定條件：保守耦合系統 、“弱耦合”連接、 每個波段上各個模態能量相以及激勵源互不相干、共振響應、共鳴響應等。

兩個子系統的能量分析模型如圖1所示。建立兩個子系統間的功率流關系方程：

∏1=ωη1E1+ωη12E1－ωη12E2（1）

∏2=ωη2E2+ωη21E2－ωη12E1（2）

對于N個子系統的大系統，功率流方程組可以表示為

ωηE=∏（3）

式中：ω為子系統的固有頻率；η為阻尼損耗因子；E為子系統能量；∏為輸入能量［6］。

1.2"前圍系統隔聲量

前圍系統由前圍鈑金、內外前圍隔熱墊及各種過孔件等組成。由于材質和厚度等原因造成透射系數不一致，為求前圍系統的隔聲量，需求平均透射系數τ［7］：

τ-=τ1s1+τ2s2+…+τnsns1+s2+…+sn=∑ni=1τisi∑ni=1sn（4）

前圍系統的隔聲量

STL=10lg（1/τ-）（5）

插入損失IL表示內前圍隔熱墊出現前后某固定點的噪聲聲壓級的降低：

IL=STL1-STL2（6）

式中：STL1表示鈑金+件的隔聲量；STL2表示鈑金的隔聲量。

1.3"等效厚度

由于內前圍隔熱墊厚度不一，為了對前圍隔熱墊的空間合理描述，所以引入等效厚度定義：

d-=∑ipi/d2i－1/2（7）

式中：d為厚度；pi為各部分的占比。

2"模型的建立

2.1"SEA模型

基于某款車型前圍鈑金的有限元模型，建立SEA仿真分析模型如圖2所示。劃分子系統，共17個，其中有6個是過孔件的子系統。在SEA統計能量模型中，建立了2個聲腔，1個模擬混響室，1個模擬全消聲室，前圍鈑金置于兩聲腔之間，在混響室聲腔上加載1Pa單位聲壓，如圖3所示。

2.2"模型輸入參數

以內前圍隔熱墊材質為EVA+PU發泡的分析為例，在SEA模型中，輸入鈑金和EVA的參數（密度ρ、彈性模量E、泊松比ν、阻尼損耗因子η）如表1所示，PU發泡的材料參數如表2所示。

3"SEA 仿真分析

內前圍隔熱墊的隔聲性能與自身的材料參數、厚度和覆蓋率等因素有關［8］。泄漏一般由過孔件（線束膠套、轉向管柱膠套、真空助力泵等）引起的。材料參數、厚度、覆蓋率和狀態的仿真分析關閉過孔件連接，泄漏的分析打開過孔件連接。

3.1"材料參數的影響

EVA的厚度為2mm，分別計算PU發泡密度為80和60（表3）的插入損失，如圖4所示（本刊黑白印刷，相關疑問咨詢作者），PU發泡60的IL比PU發泡80的IL高0～1.2dB，密度降低20kg/m3，前圍隔熱墊的隔聲性能提升。

鈑金—PU發泡—EVA形成“質量—彈簧—質量”系統如圖5所示。PU發泡60的材料較軟，能量衰減得多，透射的能量少，IL相對高。PU發泡的參數與配方和生產工藝有關，通過調整材料配方、比例和工藝等實現。合理的材料參數可實現隔聲性能不變，同時使零部件輕量化。

3.2"厚度的影響

對內前圍隔熱墊做厚度分布，厚度分布占比如表4所示，根據等效厚度式（7）計算，等效厚度為11mm、10mm以下厚度占比為27.85%，比重較大。調整各個厚度占比，使等效厚度分別為15mm和20mm，內前圍隔熱墊不同厚度的隔聲性能對比如圖6所示，等效厚度15mm的IL比等效厚度10mm的IL高0.4～2.5dB，等效厚度20mm的IL比等效厚度15mm的IL高0～3dB。合理的厚度分布即空間布局對提升IL有特別重要作用。

3.3"覆蓋率的影響

前圍鈑金為了安裝線束過孔、空調膨脹閥和空調進風口等過孔，生產時不得不沖壓出凹凸臺以及加強筋之類的結構；上下鈑金間焊接時留下的焊縫和一些工藝空洞以及共同焊接在一起的突出部分；為了增強剛度，增加的加強板；為了安裝制動和油門踏板，安裝較大的支架；內前圍隔熱墊很難完全覆蓋［9］。如圖7所示，覆蓋100%的IL在5 000Hz以上頻段比覆蓋率99.99%的IL高0.3～1.6dB；覆蓋100%的IL在1 000Hz以上頻段比覆蓋率99%的IL高0.9～16dB；覆蓋率減少1%，隔聲性能下降16dB，性能嚴重衰減。提升內前圍隔熱墊的覆蓋率對前圍聲學包IL至關重要。

3.4"泄漏的影響

輸入過孔件的隔聲量，打開各個過孔的連接仿真分析［10］，如圖8所示，不打開過孔的IL比打開過孔的IL在全頻段高0.2～14.5dB，過孔件的隔聲性能低于鈑金加內前圍隔熱墊。

通過分析，過孔件隔聲在全頻段衰減，已經嚴重削弱了前圍聲學包的隔聲能力。在前圍聲學包設計過程中，要嚴格控制過孔件的聲密封，減少聲泄漏的產生。過孔件的隔聲量需要達到或者超過前圍鈑金加隔熱墊的隔聲量。

4"前圍聲學包優化

根據仿真分析的結論，在滿足現有前圍聲學包結構和空間不變的情況下，根據實際情況進行優化：

1）空調膨脹閥由單邊覆蓋優化為雙邊覆蓋，一邊覆蓋鈑金，一邊覆蓋前圍隔熱墊，如圖9所示；

2）前圍隔熱墊在線束過孔處開米字孔，增加前圍隔熱墊覆蓋率，如圖10所示；

3）前圍隔熱墊安裝螺柱由8個變為12個，分布均勻，減少前圍隔熱墊的不貼合問題；

4）在駕駛室側轉向管柱增加一個護罩，材質為PP+ABS+吸音棉。

針對優化前后實車隔聲量進行對比試驗，車輛放置在全消聲室或半消聲室，車內模擬混響場，車外為消聲場［11］。優化后，前圍系統隔聲量提高0.8～6.4dB（圖11），效果明顯。進行車內噪聲測試，駕駛員右耳的聲壓級降低0.5dB（A），語言清晰度提高2%AI。優化前圍系統聲學包后，車內噪聲降低，車內聲品質提高。

5"結語

1）通過SEA仿真分析前圍系統聲學包，對聲學包的優化提供實際的數據支持，縮短開發周期，避免前期問題。

2）通過仿真分析，合理的材料參數可以減小質量，保證隔聲性能不降低且實現輕量化。

3）前期設計預留空間，實現厚度的合理分布，提升前圍系統的隔聲性能。

4）較高的覆蓋率，過孔件的隔聲量超過或等于鈑金加隔熱墊的隔聲量，避免聲學泄漏。

5）鈑金盡量避免凸臺設計，平面盡量平整，有利于前圍隔熱墊與鈑金貼合。

6）過孔件的隔聲能力提升還需進一步研究。

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收稿日期：20221010