整车车内噪声仿真的SEA分析方法研究及应用

侯献军，郭 金，杜松泽，郭彩祎，刘志恩

(1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉 430070；2.汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉 430070)

整车车内噪声仿真的SEA分析方法研究及应用

侯献军1,2，郭 金1,2，杜松泽1,2，郭彩祎1,2，刘志恩1,2

(1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉 430070；2.汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉 430070)

关于整车车内噪声的仿真分析方法，在理论上，FEM/BEM方法可以进行全频段的仿真，但由于高频噪声的波长短，且在仿真初期结构材料的参数不确定，FEM/BEM参数识别和计算难度大，在这种情况下，基于能量平均思想的统计能量方法显现出其特定的求解优势。针对SEA分析方法理论就该方法在车内噪声应用领域展开探讨，从整车车内噪声激励源及噪声传递途径、整车NVH性能开发方法和整车SEA建模方法三个角度对车内高频噪声仿真进行阐述。SEA仿真在整车方面的应用现阶段主要用来指导声学包开发，对SEA仿真中的关键科学问题与工程实际的结合，介绍2个典型工程案例：其一基于双墙理论的车门隔声量优化，通过建立相对独立的双墙模型，提高建模过程中的仿真精度；其二通过控制声学包装优化变速箱高频啸叫，采用车内双层地毯的优化方法，降低驾驶员头部的声压1.31 dB。通过SEA方法对车内高频噪声进行仿真显著改善车辆的NVH性能，提高车辆乘坐舒适性，可为相关领域的研究提供参考及借鉴。

声学；整车噪声；高频噪声；子系统；统计能量法；噪声控制

车内噪声控制是车辆NVH的重要内容。车内噪声主要来自于发动机及相关部件激励、传动系统激励、旋转附件激励、轮胎激励、风噪激励等。典型车内噪声贡献量分布如图1所示，激励所产生的振动及噪声主要通过结构路径和空气路径传递，前者传递频率成分主要为400 Hz以下，后者传递频率成分主要为400 Hz以上。

图1 车辆噪声贡献量分布

对车内结构的振动产生的低频噪声，有限元（FEM）、边界元（BEM）仿真方法已被证明能够准确地反映实际情况，但是随着频率的增高，结构波的波长就越短，使得有限元所需要的单元数目随着频率的增加而急剧增大，导致计算量大大增加[1]。在实际工程结构中，建模初期整车系统参数具有不确定性，而高频振动对系统参数的微小变化十分敏感，并且在动态分析中包含有大量的高阶模态，模态重合率随频率升高而增大，导致计算不准确。统计能量法（SEA）从子系统之间的能量传递建立能量方程进行求解，进而解决中高频尤其是高频的动态分析问题。

国内外学者针对整车SEA分析方法进行了相关研究，Terence等通过对实际测试隔声量值与SEA仿真值进行对标，验证了统计能量方法仿真的可行性[2]。Martin等通过对损耗因子进行修正，实现整车SEA仿真模型的对结构传递路径和空气传递路径的预测[3]。Brian等用统计能量法探究不同声学包的隔声性能[4]；陈鑫等在对车辆整体系统划分之后，找出主要的噪声贡献系统，有针对性的进行吸隔声方案处理[5]；陈书明等通过对SEA的综述分析，结合FEA提出了能量有限元法，进而指导车内的声学包设计[6]。刘涛等通过整车噪声传递路径分析研究了工程设计中车身子系SEA模型，通过实例分析验证SEA方法的可行性[7]。前人在SEA的研究中，直接按照相关软件进行建模，没有考虑提高建模的精度的问题。

本文应用SEA方法，针对整车车内噪声控制，结合建模过程中的关键技术分析，将双墙理论应用于车门仿真技术，提高建模精度。同时通过对车内声学包装的控制优化变速箱的啸叫噪声，指导声学包开发，提高整车NVH性能。

1 统计能量分析方法（SEA）

1.1 统计能量基本理论

SEA方法的本质是将复杂结构系统或者声学系统划分成若干个耦合的子系统，分析研究载荷作用下子系统间的能量传递[8]。一个系统通常由多个子系统组成，通过建立子系统能量流动方程，确定子系统的质量、要分析的频率范围、子系统之间的阻尼损耗因子和输入系统的能量，对能量流动方程求解得出子系统在对应频率范围的平均响应能量，并将其转换成所需要的物理参量。

关于统计能量模型建立时，提出以下假设[1]：

(1)子系统间的耦合是线性的，守恒的，不存在非保守性质的耦合；

(2)在所研究的频率范围内，能量在具有共振频率的子系统之间传递；

(3)系统的激励为不相干的随机激励，且相互独立，具有模态非相干性，并可以应用能量的线性相加原理；

(4)在给定的子系统中，给定频带内所有共振模态之间能量等分；

(5)互易性原理适用于不同的子结构间；

(6)任意两个子结构间的能量流与振动时耦合的子结构间的实际能量差成正比，即能量流与平均模态能量间的差值成正比。

两子系统的能量分析模型如图2所示，建立两个子系统间的能量流关系方程

式中η=2ξωn；

通常情况下，一个系统由多个系统组成，将这些能量平衡方程联系起来写成矩阵形式

式中ω—分析中心频率/Hz；Pi—输入能量/W；ηi—阻尼损耗因子；ηij—耦合阻尼损耗因子；Ei—子系统能量；ni—子系统模态密度。

图2 两子系统的能量分析模型

式（3）是利用统计能量分析方法建模的最基本表达式，求解计算方程时在考虑模型外界输入激励的条件下，结合对声学包结构的材料测试特性和子系统之间对用的损耗因子以及模态密度，求出系统的能量；求得每个子系统上的能量Ei[9]。根据式（4）将能量转化

式中M—每个子系统对应的质量；(V)—对应子系统的振动速度；(P)—对应子系统的声压；ρ—子系统材料密度；c—对应材料中的声速。

通过求解方程，将对应系统的所包含的能量转化为对应的位移、子系统的速度和应变等可以衡量的工程量。

1.2 建模中的关键技术

1.2.1 结构阻尼损耗因子

求解能量流动方程时，首先应确定外界激励的输入能量，对整体进行子系统划分；通过实验测试确定各个子系统间的统计能量分析参数，将所得结果作为统计量的输入，通过能量流动路径获得各个子系统能量的大小，最后将振动能量转化为动力响应[10]。

其中结构阻尼损耗因子，模态密度和声载荷测试是建模过程中的关键技术。

主要板件的结构阻尼损耗因子测量原理如图3所示。

图3 阻尼损耗因子测量

在测试过程中，力锤激励加速度传感器附近区域，记录振动加速度传感器曲线衰减速率，衰减斜率即为板件的结构阻尼损耗因子，该测试方法即为异点导纳测试方法。

1.2.2 模态密度

模态密度测量方法如图4所示，测量力锤与加速度传感器之间的FRF曲线。模态密度计算原理如式（5）所示。

图4 模态密度测量原理

式中V—记录的速度值；A—加速度；F—施加力的大小；G(f)—虚部的圆频率；n(f)—模态密度。

FRF曲线的虚部除以1/3倍频程中心频率，乘以4倍被测板件质量，即为被测板件的模态密度。需要进行阻尼损耗因子和模态密度的测试的部件如表1所示。

表1 阻尼损耗因子和模态密度主要测试部件

除此之外，还需测试主要内饰部件吸隔声性能，包括防火墙内/外前围、顶棚、地毯、行李箱吸音垫等内饰件以及他们的流阻率、孔隙率、曲折因子、黏性特征长度、热特征长度。以此确定他们的噪声贡献量和隔声性能。

1.2.3 声载荷测试

声载荷测试的主要目的是进行模型的校核和作为模型计算工况的输入，测试分为理想工况测试和运行工况测试两部分进行。在测试过程中，主要是基于传递函数的方法，采用基于能量的PBNR测试方法。需要在车外和车内布置麦克风，麦克风布点位置如图5所示。

测试结束之后，进行SEA模型校核，首先对模型的理想工况进行校核，对标过程中考虑NCT设置和传递路径，对泄漏等进行处理，其中的关键建模测试部位：防火墙、车门、地板、轮罩将理想工况模型校核完成后进行运行工况模型校核。第一，怠速运行时，主要用于对顶棚钣金件面积修正；挡风玻璃面积修正、动态特性、损耗因子；对行李箱盖泄露处理和泄压阀处泄漏处理；同时对A/B/C柱钣金及内饰板厚度当量处理。第二，匀速工况运行时，主要考虑对轮罩NCT处理；考虑分析轮包模态特性；轮包钣金面积修正。其中需要校核注意的关键部位：挡风玻璃、行李箱、轮包。

图6为某A级轿车SEA模型校核结果，由图可以看出，车内噪声在高频范围内误差在5%以内，统计能量法可行。

图5 麦克风布置

2 案例分析

2.1 车门隔声量优化

一般情况下，车门内外板之间距离比较小，法线方向声腔比较窄，声音是垂直射入，然而SEA理论认为声音是向四周散射，这就造成了对板件隔声量的高估。因此车门隔声量仿真模拟的过程中，采用如图7所示的双墙理论模型进行建模仿真。

图7 双墙理论原理图

双墙模型隔声量与双层墙模型隔声量曲线对比如图8所示。

由图中可以看出，在高频段，由于双墙模型的作用整体隔声量要明显高于双层墙，如果在建模过程中忽略该问题将会带来仿真结果的差异，最终引起模型的不准确。

同一车门SEA模型，使用双墙理论，通过结构之间的相互结合，保证双墙之间的相对独立，建模仿真差异如图9所示，由图可见，对于同一车门隔声量模型，高频仿真结果差异可达到10 dB。

2.2 变速箱啸叫控制

对某MPV车型进行NVH性能综合提升过程中主观评价出现高频啸叫噪声，初步判断为变速箱齿轮啮合噪声。变速箱频谱图如图10所示，由图中可见，对于变速箱工作噪声主要以高频噪声为主，这也在客观上印证了主观评价结果。

对该车型建立整车SEA仿真模型，并进行传递路径贡献量分析，分析结果显示，驾驶员头部声腔噪声来源主要为中央通道。基于SEA仿真结果对整车地毯进行声学包装改造，如图11所示。

图8 双墙模型隔声量与双层墙模型隔声量曲线对比

图9 车门隔声量优化仿真结果

图10 变速箱3 000 r/min时啸叫频谱图

图11 地毯改造

改造内容包括在限制地毯重量前提下的地毯吸声和隔声性能调整，最终达到地毯声学包装的高频吸声性能的明显提升。优化前后结果对比如图12所示。

图12 地毯优化的仿真结果

由图中可知驾驶员头部声腔高频段噪声明显降低，主观评价结果变速箱啸叫明显消除。

3 结语

本文综合讨论了应用于乘用车高频噪声仿真的统计能量方法，并详细介绍了使用该方法的关键建模问题，包括阻尼损耗因子、模态密度、声学包装材料测试和声载荷测试的计划算原理和方法，基于上述研究得到如下结论。

（1）运用SEA整车建模方法，有效指导声学包装的开发过程。通过测试和仿真，找出主要的噪声传递路径，在建模过程中对关键双墙理论的详细阐述有效指导仿真工作，结合SEA方法通过实际测试结果对比提高仿真精度

（2）对整车的声学包进行针对性优化设计，提高车辆的NVH性能，对于高速时车内的噪声变速箱啸叫，通过优化地毯的声学包，降低驾驶员头部的高频噪声1.31 dB。为SEA在汽车隔声、吸声材料设计中提供了方向，缩短开发时间，提高车辆的乘座舒适性。

[1]姚德源，王其政.统计能量分析原理及其应用［M］.北京：北京理工大学出版社，1995.

[2]STEVENGMATTSON,DAVIDLABYAK,JEFF PRUETZ,et al.Pridiction of muffler insertion loss by a hyprid fe acoustic-sea model[C].SAE Paper:2009-01-2042.

[3]MARTIN G FOULKES,SAILESH RAJANI,XIAND I ZENG.A case study on airborne road noise reduction of a passenger vehicle[C].SAE International:2003-01-1407.

[4]BRIAN H TRACEY.Transmissionlossforvehicle sound package with foam layers[C].SAE International:2009-01-1670.

[5]陈鑫.基于SEA方法的轿车车内噪声分析与控制研究[D].长春：吉林大学，2008.

[6]陈书明.轿车中高频噪声预测与控制方法研究[D].吉林大学，2011.

[7]刘涛，顾彦.统计能量分析在汽车车内噪声分析中的应用［J］.噪声与振动控制，2006，26(2)：66-69.

[8]潘国俊.乘用车车内高频噪声的统计能量法建模分析与改进[D].南京：南京航空航天大学，2014.

[9]李晓政.黄其柏，王勇.车辆室内噪声的统计能量分析优化仿真［J］.噪声与振动控制，2005，25(3)：29-32.

[10]王震坡，何洪文.统计能量方法用于汽车振动噪声的分析研究［J］.汽车科技，2001(6).

Research andApplication of SEAAnalysis Method for Vehicle Interior Noise Simulation

HOU Xian-jun1,2,GUO Jin1,2,DU Song-ze1,2,GUO Cai-yi1,2,LIU Zhi-en1,2
(1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology,Wuhan 430070,China)

Among the simulation analysis methods of vehicle interior noise,the FEM/BEM method can be used to simulate in the whole frequency band theoretically.However,due to the short wavelength of high frequency noise and the material uncertainty in preliminary simulation,it is difficult to identify the FEM/BEM parameters and realize the calculation.In this case,the statistical energy analysis(SEA)method based on energy averaging has specific advantage.In this paper,the application of this method to internal noise simulation of vehicles is discussed.The theory of the SEA analysis method is summarized.The internal high-frequency noise simulation is elaborated in three aspects:the excitation source and transfer path of the internal noise,the method of NVH performance development and the SEA modeling method.The application of the SEA simulation in the vehicle is mainly used to guide the development of acoustic package.To combine the key scientific problem in the SEA simulation with engineering practice,two typical examples are given.The first is to improve the simulation accuracy by establishing a relatively independent double leaf model based on double wall theory;and the second is to optimize gearbox’s high-frequency howling by controlling the acoustic package.The sound pressure near the driver’s head is reduced by 1.31 dB by laying double layer interior carpet.The simulation and reduction of the high frequency noise by using the SEA can significantly improve the NVH performance and the ride comfort of the vehicle.This paper may provide a reference for related fields.

acoustics;vehicle noise;high-frequency noise;subsystem;statistical energy analysis(SEA);noise control

TU112.3

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.025

1006-1355(2017)05-0119-05

2017-03-03

汽车排气噪声品质的阶次量化与声音设计研究（51575410）

郭金（1992－），男，河南省南阳市人，硕士生，主要研究方向为整车NVH。

侯献军，男，博士生导师。

E-mail:houxj@whut.edu.cn