基于声品质评价的消声器护板改进设计

贺岩松，荣坤强，徐中明，杨振冬

(1.重庆大学机械工程学院，重庆 400044;2.重庆建设摩托车股份有限公司 技术中心 ，重庆 400054)

随着摩托车工业的发展及人民生活品质的提高，人们选购摩托车的标准除了优良的性能和可靠的质量外，对摩托车的NVH性能要求越来越高，对于摩托车噪声的要求不再停留在“安静”的层面，已经转向对听觉舒适度——声品质的关注。研究表明:对于家电和车辆等产品，用户对产品声品质的关注与对功能的关注已经处于相同的地位，并呈现出超越趋势［1－4］。因此，目前声品质问题已开始引起国内摩托车制造企业的广泛关注。

本文针对某摩托车企业的一款改型摩托车虽然整体噪声水平完全满足国家标准要求，但在市场上却有部分顾客反映其声品质较差的问题，进行整车噪声声源识别及消声器护板声强与分析，寻找问题的主要影响因素。通过对护板结构的改进，达到了提高整车声品质的目的，增强了产品的市场竞争力。

1 消声器护板声强试验与分析

声强方法是现代声源识别中应用最广泛、最可靠的一种方法［5－6］。在对该摩托车进行整车声强试验时，发现在1 000 Hz左右处消声器贡献量较大。为检验消声器护板对噪声辐射的贡献量，并检验是否由消声器振动引起护板共振，使之产生再生噪声，特别针对消声器护板进行了进一步的声强试验。试验时，首先对包含护板的部位划分网格单元，大小为8 cm×8 cm，然后在试验工况、环境相同的条件下分别测取有、无护板时，在发动机低、中及高速时消声器部位的声强。得到对应的声强谱图，如图1～3所示。

图3 全频段有、无护板时声强频谱图(5 000 r/min)

从图1～3可以看出，在各个工况下有护板时的声强频谱可以分为3个频段，分别为低于600 Hz的低频段、600～1 500 Hz的中频段及高于1 500 Hz的频段。而当取下护板时，声强频谱能量分段变得不明显，其中在有护板时中频段中在1 100 Hz左右处出现的峰值，而在取下护板后的声强频谱上则没有出现，由此推测1 100Hz左右的噪声与护板有密切关系。

从声强云图(图4、5)上可以清晰地看出护板的影响。

由图4、5可以看出，在全频段及600～1 500 Hz频段，有无护板声强云图差别较大，有护板时声强最大区域均在消声器覆盖件区域，而取下护板时声强明显减弱，对比有、无护板的声强云图，说明护板对噪声辐射产生较大影响。

如果将有、无护板时排气管部位的声功率进行比较，可以从总声能量的变化上分析护板再生噪声的声贡献量大小。有、无护板时测试表面的总声功率计算结果如表1所示。从表1也可以看出，护板对声功率的贡献量较大，拆除护板后声功率至少降低2 dB(A)。

表1 各个转速工况下有、无护板时的声功率比较

综合以上各个声强云图及声功率比较可以推断，护板在消声器的激励下产生严重的二次噪声，初步分析原因可能是由于护板刚度较小，某些阶模态频率较低，容易在消声器的激励下形成共振，产生二次噪声，所以有必要对护板进行模态求解与结构改进。

2 排气消声器护板的仿真分析及结构改进

2.1 消声器护板的约束模态

通过整车及有无护板的声强试验，发现护板对噪声的贡献量较大，特别在1 000 Hz左右较为明显，且在高速工况时更为突出，推测可能是护板刚度太小，模态较低，于是对护板进行模态分析。

护板几何模型如图6所示，由于厚度只有0.8 mm，长度与厚度比较大，在 Hypermesh中采用shell单元划分网格，单元大小为3 mm，按照实际固定位置施加约束，对其进行约束模态分析。前20阶模态频率如表2所示。

图6 护板几何模型

此护板的前几阶频率相对较低，在护板的前端、中部等处变形较为严重，容易引起共振，产生再生噪声，有必要对护板进行结构改进，提高固有频率。

2.2 消声器护板的结构改进

护板主要起到美观和防止烫伤的作用。在不影响美观的前提下，结合模态振型，考虑通过以下方式增加刚度:① 通过增加背部沟槽深度2 mm，增强护板背部刚度，减少背部的变形;②适当增加护板厚度，由0.8 mm增加到1 mm，增加整体刚度;③增加固定螺钉，由3点固定改成4点固定。护板改进方案如图7所示，仿真计算结果如表2所示。

图7 方案1、2结构

从仿真计算结果中看出:方案1为增加沟槽深度，加筋处理后护板的固有频率几乎没有变化，和原护板基本相同，如第1阶频率原护板为128.9 Hz，加筋后为126.4 Hz，不但没有升高，反而有所下降，分析原因可能是增加的2 mm沟槽深度太小，对整体的刚度提高作用不大，固此方案不易采用;方案2为增加护板厚度0.2 mm，效果较明显，特别是前几阶频率提高幅度较大，如第1阶由原来的128.9 Hz增加到249.5 Hz，第2阶由原来的210.0 Hz提高到370.5 Hz;方案3为增加固定点方案，其效果最好，第1阶频率增加到278.2 Hz，第2阶由210 Hz增加到408 Hz，其他各阶频率也均有大幅提高。针对仿真结果，建议采用第3种方案，即通过增加固定点的方式来提高护板的固有频率，减少噪声辐射。

表2 护板约束模态计算结果对比

3 摩托车声品质的试验验证

消费者对摩托车噪声的主观评价试验是验证改进措施效果的最直接方法，但主观评价结果与评价主体的心情、心理、生理等因素密切相关，评价的人为因素影响较大，而心理声学参数是描述噪声所造成的主观感受差异程度的客观物理量，可以定量地反映听觉感受的差别，消除个体差异的影响，便于进行定量分析［7－8］，因此本文通过客观评价参数对改进方案的效果进行验证。

3.1 样本的采集与选取

采用B＆K 4101型双耳麦克风分别记录定置工况下摩托车发动机在 1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 r/min状态下驾驶员双耳处的稳态噪声样本，每种工况的记录时间为15 s，各工况信号均采集2次。

3.2 客观评价试验验证

用于声品质客观评价的心理声学参数主要有声压级、响度、尖锐度、粗糙度、波动度等。试验使用B＆K的Sound Quality专业声品质分析模块，对试验的8组共24个声样本的主要心理声学参数进行计算与分析，结果如图8～10所示，图中改进方案1为增加护板厚度方案，改进方案2为增加固定点方案。

图10 响度统计曲线

从图8～10中，可以得到:

1)随着转速的提高，声压级(dB(A))逐渐升高;改进方案 1、2在各个转速工况下(除2 000 r/min工况外)，声压级均小于原状态，说明消声器改进方案对于降低整车噪声效果明显;方案2在2 000 r/min时的数据异常，可能是由于所选取的信号异常导致。

2)尖锐度随着转速的升高而增大，表明高频成分的多少与转速成正比;改进方案1、2在4 000 r/min以前的尖锐度均低于原车，说明通过改进消声器来降低声品质尖锐度的方法可行。由于大部分人比较讨厌高频声音，因此在设计产品时，要获得较高的声品质就必须设法抑制声音的高频成分。

3)响度随着转速的升高而缓慢升高，改进方案1、2在各个频率下均低于原方案，说明通过结构改进来降低响度的方法可行。响度与人对噪声信号的偏好性评价密切相关，响度越高主观偏好性越差，因此降低摩托车噪声的响度值是提高其声品质评价的最直接方法。

4 结束语

摩托车的声品质问题越来越受到人们的关注，针对某改型摩托车的声品质问题，通过消声器护板的声强分析与结构改进，得到了在发动机低、中和高速情况下噪声信号的多种心理声学客观评价参数，达到了提高整车声品质的目的。

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