NVH工程材料在轿车上优化设计的探讨

徐丰辰　李洪林　刘福

摘要：为了优化设计和降低噪声，从板件的声辐射特性开始，经声学灵敏度分析，测定车身各板件对噪声的贡献；选择NVH工程材料，形成设计方案，对设计方案进行测试验证。本文探讨了优化设计的过程和方法。

关键词：NVH工程材料；声学灵敏度；弹性模量；优化设计

1 前言

近几年，我国汽车产业市场竞争激烈，各主机厂都在努力降低成本，提高竞争力。在轿车NVH（振动、噪声、舒适性）工程上，同样需要优化设计、降低成本。

车内噪声由2个重要因素组成，其一是激励，其二是响应，它是激励与响应的乘积。激励力来自发动机，对于4缸4冲程的发动机，发动机每转1圈，要发生2次点火，因此在发动机的振动频谱上，主要激励来自2阶，其他阶次的激励很小；响应来自车身的固有特性：质量、刚度和阻尼，在一定的激励下，响应越小，整车噪声就会越小。NVH工程的优化设计，解决的是响应问题。

2 板件的声辐射特性

轿车的车身是由各种形状的板件组成，这些板件在发动机激励下会发生振动，振动在一定条件下会产生辐射，经空气传播，就形成了车内噪声，噪声的大小，由板件的声辐射特性确定。

2.1 板件发生声辐射的条件

产生声辐射的条件，是板件的振动频率要大于板件的临界频率。板件的临界频率与声波在空气中的传播速度和板件的固有特性相关，声波在空气中的传播速度是一个定值，板件的固有特性确定了该板件在什么条件下会产生声辐射，板件的固有特性是指钢板的厚度、密度、刚度、材质等。不同的钢板临界频率是不一样的，当振动频率低于临界频率时，不会产生能感觉到的声辐射。

2.2 板件的声辐射效率

声辐射效率也与板件的振动频率有关，当振动频率大于临界频率时，就会产生人耳能感觉到的声辐射，一般在低频时声辐射效率较高，高频时趋于平稳，

2.3 板件的形状

为提高车身板件刚度，有些部位常常冲压成各种瓦楞或凹凸等几何形状，或附加结构加强筋和加强板等，结构加强后的声辐射会较平面板件有所提高，在同样振动级下，冲压瓦楞板或凹凸结构的辐射声压级会高于平板结构。

降低车身板件传播噪声的有效途径是控制声辐射较高的板件振动，而不是要把车身所有板件的振动降低，最有效的方法是在板件上附加阻尼。因此，NVH工程优化设计的第一步，是测定板件的声辐射特性，即车身板件的声学灵敏度分析。

3 车身板件的声学灵敏度分析

3.1 分析理论

整车噪声初始噪声源的能量来自发动机、路面、轮胎、风噪等等，通过结构和空气传播，引起了车身板件的振动，其中，风噪要靠密封来解决。若只考虑固体传播途径对车内噪声的影响，则不论传播的途径如何，最终影响轿车内噪声的是车身所有板件的振动，振动板件激励了车内空气，由此产生了内部噪声，所有板件生成的声压叠加产生了内部声压。由于车身各板件的结构、形状、焊接等原因，其产生的振动噪声对车内噪声声压级的贡献是不同的，声学灵敏度分析，就是测定这些板件对车内噪声的贡献度。

将车身划分成n个单元板件，设车身空腔内任意点的声压级为Pj，令单元j在激励力F的激励下，以设定的频率发生振动，板件的振动级为Vj，由于该点振动引起的车身乘员室内i点声压见式（1）：

Pi，j=XVjF （1）

式中：Pi，j为j单元板件振动，引起车身乘员室内i点的声压；X为车身结构的状态参数。

Pi，j是j号单元板件的振动，在车身空腔内i点的声学贡献，其声学灵敏度见式（2）：

Pi，j/F=XVj （2）

当所有板件都振动时，空腔内i点声压可以表示为n个板件单元发生振动，引起声压的叠加，即i点总声压为Pj，车身总声学灵敏度可以表示为式（3）。

Pj是车身所有板件振动辐射噪声的总声压，Pj/F 是总声学灵敏度。车身声学灵敏度与各板件振动级Vj的叠加（总振动级）成正比，板件的振动级由设置在各板件上的加速度传感器测得。板件的振动级越高，对整车总振动级和声学灵敏度的贡献越大。

板件由激励力产生振动弯曲波，经车内空腔传递到检测点Pj，经历2个过程，即由激励力F到振动加速度V，再由加速度V到声压级Pj，相应的上述车身声学灵敏度可以分解成2项，V/F和Pj/V，见式（4）。

式中：V/F为车身激励力到振动加速度的传函；Pj/V为振动加速度到声压级的传函。

Pj/F分解成Pj/V和V/F，揭示了影响车身振动与噪声的3大因素：质量、刚度和阻尼。这3大因素对V/F有直接影响，其中，增加质量，模态频率下降，增加刚度，模态频率上移，增加阻尼，可降低模态频率的峰值，在模态频率较密集的频段，阻尼的影响大于质量和刚度。

刚度、质量、阻尼对Pj/V的影响是间接的。Pj/V的影响主要表现在板件表面的声辐射和声辐射的效率，当振动的频率大于临界频率时，板件就会产生声辐射，声压级受板件的声辐射效率和板件振动级的影响，低频时振动与空腔的耦合较严重，声辐射效率很高，这也是轿车在低频易产生共鸣、共振的原因之一，随着频率的增加，这种耦合在减弱，此时，声辐射效率趋于平稳，声压级主要受振动级的影响。

轿车车身的结构复杂，各类板件形状各异，相互之间存在交联耦合，在设计阶段进行板件的声学灵敏度分析，可以诊断出造成车内噪声的主要板件及其贡献量，以便在图纸阶段就进行优化设计并进行降噪处理。

3.2 实验方法

实验采用设计好的白车身，机械激振器激励，柔性测试结构，将车身板件划分若干个区域，各区域安加速度传感器，距驾驶员右耳200 mm处设声压计，激振器加扫频信号，频率20～200 Hz，见图1。

3.3 数据

采集数据：在扫频频率下，采集声压信号、各板件振动信号、激励力信号。

3.4 分析

A：声压级信号分析，采集声压信号做声压级分析，做声学灵敏度贡献图；

B：振动信号分析，由加速度传感器采集的信号做振动级分析，做板件的振动级标识图；

C：频谱分析，做在激励力作用下的车身各板件振动级频谱图。

4 阻尼材料的固有特性

在NVH工程中，阻尼材料是为降低振动模态频率的峰值而设计的，目前，应用最广泛的是以改性沥青为基材的阻尼材料。这类材料的物理性能可分为2类，一类是由使用环境和条件确定的性能，如耐温、耐湿、燃烧、下垂、密度、密合、减振性等，这些性能不但与配方有关，还与使用状态有关；还有一类是只与材料配方有关的性能，称其为固有特性，如材料的弹性模量E、最大阻尼ηmax、使用频率fx等。了解材料的这些特性，选择最佳性能的材料，是NVH工程材料在轿车上优化设计的重要环节。

阻尼材料的固有特性源于材料的配方，当配方选定后，其固有特性就确定了，图2 是阻尼材料的结构模型。

阻尼材料可以等效成一个具有一定质量m 、弹性模量E、刚度k、阻尼系数η的结构，当板件以一定的频率发生振动时，材料的阻尼系数η会产生相反的力来对抗它，弹性模量E决定了这种对抗的程度，质量m和刚度k决定了材料的频率范围。式（5）是阻尼材料的数学模型，其中ηmax是最大阻尼系数，E是弹性模量，系数a、b、c、d、e是材料配方的组成因子。

ηmax=aE4+bE3+cE2+dE+e （5）

式（6）、式（7）、式（8）是不同材料配方的数学模型：

配方A：

配方B：

配方C：

求解方程弹性模量E对阻尼系数ηmax的极值：

配方A：当弹性模量E=1 290 MPa时，阻尼系数ηmax=0.1797；

配方B：当弹性模量E=1 490 MPa时，阻尼系数ηmax=0.2023；

配方C：当弹性模量E=1 380 MPa时，阻尼系数ηmax=0.2388。

实验数据表明，最大阻尼系数ηmax一般都出现在弹性模量1 300～1 500 MPa左右。对于改性沥青基的阻尼材料，弹性模量过大，会进入玻璃态；弹性模量过小，会进入橡胶态。玻璃态与橡胶态的阻尼性能都不好，只有介于2种状态之间的转变态，材料才会有最佳的阻尼效果，而转变态中的最大阻尼系数，对应于上述弹性模量。

对阻尼系数的要求，应根据车身处理部位振动级的大小来确定。振动级较高时，产生的振动力就较大，为了对抗这种振动力，要求提高材料的阻尼系数，通常采用在最佳弹性模量下，增加厚度来解决。

阻尼材料的弹性模量与温度有关。调整配方，实质就是调整最大阻尼系数下的弹性模量出现在某个温度段上，要与使用要求相匹配，转变态的弹性模量范围一般为500～2 500 MPa。

5 补强材料的选用

补强材料是基于低频模态处理而设计的材料。汽车车身补强材料主要以环氧树脂为基材，高温加热后变硬，经烘烤粘贴到车身上，可与车身钢板共同形成补强结构。工程上把经补强材料调整后补强结构的刚度，与车身钢板刚度的比值，定义为补强材料的刚度比，见式（9）。

式中：k1为补强结构的刚度，N/m ；k2为测试基板的刚度，N/m ；f1n为补强结构的n阶共振频率，Hz ；f2n为测试基板的n阶共振频率，Hz：M1为补强结构的质量，kg；M2为测试基板的质量，kg。

补强材料的功能是增强车身的局部刚度。增强刚度的重要标志，是低频模态向高频发生偏移，频率偏移量与刚度比的关系见式（10）。

补强刚度比的值，是车身钢板与补强结构质量比与频率比平方的乘积。其中，在补强材料选定的情况下，质量比是常数，频率比是与环境温度、烘烤温度有关的，当环境温度变化时，结构频率会发生变化。设在某温度下，结构频率等于钢板频率，f1n=f2n= fn；令质量比m=M1/M2，则：

式（11）中，当时，其结构的补强刚度比等于质量比m，此时的状态为临界补强状态，没有发生频率向上偏移。若选用0.8 mm厚、密度7.8的钢板；1.5 mm厚、密度1.4的补强材料，此时的质量比为1.34，在上述条件下，要求补强材料在该结构的模态频率下，其补强刚度比要大于1.34，此时的温度为最高使用温度。

涂装车间烘烤线的温度对补强结构刚度比的影响见表1。

补强材料的选择，要首先确定涂装车间烘烤线的温度、需补强位置的频率、使用环境下的温度，然后选择补强材料的刚度比，测试频率偏移是否符合要求，实际应用还要视具体处理部位来确定。

6 密封材料的选用

密封材料的选用主要是对空腔风噪的处理。从车身设计结构上看，有的部位存在与外界相通的孔洞等，在行驶过程中，就会引发风噪。处理方法一般采用发泡材料，在涂装前安装在处理部位上，经涂装烘烤后，将孔洞封严。对材料的要求是发泡均匀密封性好，质量轻。目前的发泡材料，发泡倍率为2倍～20倍，具体应用视处理部位确定。

7 工程案例

某厂自主品牌轿车，5座3箱，发动机4缸4冲程，对其进行阻尼降噪NVH工程设计。

7.1 车身声学灵敏度分析

图3是该车车身声学灵敏度贡献图。