基于声能量传递分析的空腔阻隔结构布置方案设计

牛胜福， 张立军， 赵英龙， 孟德建， 曹 诚， 陈 阳， 马扎根， 余卓平

(1. 同济大学 汽车学院，上海 201804； 2. 上汽大众汽车有限公司，上海 201805； 3. 上海华特汽车配件有限公司，上海 201822)

在汽车产品开发过程中，由于车身侧围结构形式不可避免地出现一些空腔连通车内外，从而导致车外噪声等环境因素进入乘员舱[1]，各大整车厂通过侧围填充技术阻断空气声在侧围空腔的传递[2]。目前针对空腔阻隔结构的降噪性能和传递损失，在材料级[3]、部件级[4]都展开过研究，并已有相关试验标准[5-6]。针对低频范围内阻隔结构填充技术的研究已比较成熟，研究者主要通过试验和仿真手段测试车身及侧围空腔模态的变化[7]，探究阻隔结构抑制侧围空腔结构声的效果[8]。而汽车侧围空腔的泄漏空气声以中高频为主[9]，目前针对中高频范围内的研究大多是通过试验手段比较空腔阻隔结构的性能及隔声效果[10]，非常耗时耗力。虽有部分研究者利用统计能量分析建立整车SEA模型[11-12]，得出车身空腔噪声能量云图[13]，从而指导阻隔结构布放位置，但未关注空气声在侧围的传递路径，对汽车生产过程中的成本控制是不利的。

本文利用基于SEA所建立的侧围简化模型，进行声能量从激励源至舱内声腔的传递分析，重点关注主要的噪声泄漏源、侧围空腔的主要泄漏段以及声能量从车外到车内的主要传递路径，根据分析结果正向指导阻隔结构在车身侧围布置方案的设计。

1 整车SEA模型及简化侧围模型

1.1 整车SEA模型

本研究建立的整车SEA模型基于上海大众提供的Passat车身的有限元模型，整车SEA模型由车身结构和声腔子系统两部分组成，根据统计能量分析特点，整车模型的各子系统的参数是在时间、空间和频率上经过统计平均处理得到的，因此建立整车SEA模型时可忽略部分细节特征[14]，从而得到具有统计平均意义的模型。

车身结构部分共划分为五个模块，分别是车顶及行李舱盖模块、车门模块、发动机舱模块、地板模块和车身的侧围模块，而每个模块又包含若干个基本子系统，他们由VA One软件中提供的基本构件平板、梁、单(双)曲率板等组成，由此所建立的车身结构模型，如图1。

图1 整车SEA结构模型Fig.1 Whole-Body SAE model

整车SEA结构模型各部分材料属性及参数由软件内置数据库提供。

由驾驶室二维板、壳子系统围成的密闭声腔定义为舱内声腔子系统，声腔内流体定义为空气。为提高舱内声腔噪声水平预测的精确度，将舱内声腔划分为8个声腔子系统，分别对应左前、左后、右前、右后的乘员腿部和头部位置。

图2 舱内声腔子系统Fig.2 Acoustic cavities inside the passenger compartment

1.2 SEA模型激励的添加

为获得系统的响应，需对SEA模型添加外部激励，整车的激励主要来自四个方面：发动机舱声辐射激励、发动机悬置振动激励、悬架对车身的激励以及车外气流对车身的脉动压力。发动机舱的声辐射激励可以通过测量发动机舱与乘员舱之间的面板(发动机舱防火墙)的平均声压大小来确定[15-16]，且本研究所使用的仿真软件VA One支持添加声压激励。图3(左)是风洞试验中对车身脉动压力的测量。由于成本限制，车身每块板件通常选取有限个点作为测点，根据上海市地面交通工具风洞中心的实验经验，实验中每块板件选定3个脉动压力接近最大值的点作为测点，实验得到的脉动压力经过平均处理，作为车身表面的脉动风压激励添加至SEA模型。

除风压激励以外，本文还利用如图3(右)所示的半消声转鼓试验，获得了发动机辐射噪声、轮胎噪声，以及发动机悬置、悬架连接位置的振动加速度作为激励添加到SEA模型中[17]。其中发动机工作时其燃烧噪声、进排气噪声和结构振动噪声将直接作用在驾驶室与发动机舱之间的防火墙，其激励可根据测得的发动机舱防火墙上的声压级添加。由于研究频率较高，发动机舱根据统计能量假设，已经近似成为混响场，取一点测量即可以近似等效为整体的声压值。并且为避免不同位置的声压差别过大，试验中采取多次测量、不同位置分别测量取平均值的方法，确定防火墙子系统的声压激励。试验测得防火墙声压级如图4所示。发动机工作时的振动通过动力总成悬置传递给车架，通过测量车身上发动机悬置点加速度来确定相应激励。胎噪以能量谱的形式添加至前后轮罩处，即获取前后轮罩相应位置声压级，计算得到相应声能量，作为激励添加至前后轮罩。

图3 车身脉动压力试验(左)及半消声转鼓试验(右)Fig.3 Wind Tunnel Experiment (Left) and Semi-anechoic Drum Test (Right)

图4 试验所测得发动机防火墙声压级Fig.4 Measured SPL on the engine firewall

1.3 简化侧围模型

由于本课题主要研究侧围空腔阻隔结构对改善整车噪声水平的效果，故这里只需关心声能量在侧围空腔中的流动，并比较施加激励时不同侧围空腔对舱内声腔输入声能量的贡献大小。因此在不影响结果可靠性的情况下，分析能量传递时不考虑车顶棚以及防火墙等部件，并将乘员舱内左侧4个声腔子系统作为一个整体分析。

而整车SEA模型是左右对称的，因此只考虑左边一半车身。下图是简化后的侧围SEA模型。

图5 用于声能量传递路径分析的简化侧围模型Fig.5 Simplified Side-Body Model

由于后面要在空腔中添加阻隔结构，因此在建立整车SEA模型时将门槛梁等划分成若干段，A、B、C柱也被分为上下两段，“断开处”是可能将放置阻隔结构的部位。在侧围简化SEA模型中同样保持侧围的划分不变，并为分析方便有如下命名。

图6 侧围结构划分及命名Fig.6 Names of Pillars and Rocks

1.4 阻隔结构建模与传递损失计算

本课题所采用的阻隔结构由密封膨胀胶EVA和塑料支撑板PA66组成，下图展示了该阻隔结构的CAD结构示意图。

图7 空腔阻隔结构模型Fig.7 CAD Model of Cavity Filler

由于支撑板尺寸较小，杨氏模量较大，在所分析的频段内模态密度较低，用统计能量分析方法将会有较大的误差，而有限元模型处理低模态密度问题较为准确，因此使用有限元方法建立塑料支撑板模型。VA One软件中的Noise Control Treatment模块可以添加EVA声学包装作为密封膨胀胶EVA。最后定义EVA与支撑板之间的连接即完成阻隔结构的建模，如图8所示。

当进行单个阻隔结构的降噪分析时，首先需要计算单个支撑板有限元模型的振动模态，获得结果文件后再进行SEA-FE混合求解[17]。而为了检验空腔阻隔结构的整车降噪效果，需要将若干阻隔结构放入整车模型中，然后进行噪声预测分析。对不止一个阻隔结构的降噪分析时，无法将各个阻隔结构的结果文件分别导入，必须同时对这些结构的振动模态进行求解，导致系统自由度大大增加，使计算量急剧增加，并且计算的误差也会显著增大。

图8 空腔阻隔结构模型Fig.8 SAE model of cavity filler

这里解决的方法是将阻隔结构的隔声特性体现在声腔之间的面连接上，因为VA One软件中面连接是允许定义其传递损失的，所以需要计算阻隔结构的隔声量。利用VA One软件的“Hybrid Transmission Loss”及SAE J1400阻隔材料隔声量试验标准[18]可分别计算支撑板和密封膨胀胶部分的隔声量，再利用式(1)可算得阻隔结构组合件的总隔声量[19]，如图9所示。

(1)

图9 阻隔结构总隔声量Fig.9 Transmission Loss of cavity filler

2 声能量传递分析

比较合理的空腔阻隔结构布放方案，不仅意味着要达到控制噪声的目的，而且在满足目的的条件下要考虑成本。在给出布放方案前，要先进行激励源至舱内声腔声能量传递的分析，得到主要激励源、噪声主要泄漏部位以及主要的声能量传递路径，基于这些结果进行阻隔结构的布置，将会满足降噪和控制成本的双重要求。

为了使分析过程更加有条理，本研究引入“三层次分析法”，即把激励源至舱内声腔声能量的传递路径划分为三个层次：层次一为激励源，由他向侧围系统提供声能量；层次二为侧围的各个空腔，其内的声能量来自激励源，这些空腔与舱内声腔是“互通”的，即可以向舱内声腔传递能量，也可以收到舱内声腔传递而来的能量，这里主要研究侧围向舱内声腔传递的声能量，同时侧围空腔之间也可以互相传递能量，即能量在侧围空腔的流动；层次三为舱内声腔，为声能量接收端。基于该三个层次进行能量流动的分析，得到主要激励源(层次一)、主要泄漏段(层次二)、以及声能量主要传递路径(层次一至层次三)，三层次划分如图10所示。

图10 声能量传递路径层次划分Fig.10 Three stages of acoustic path

2.1 主要激励源的确定

为了尽量从源头有效封堵噪声激励源，需要确定主要激励源，即按照激励源对舱内声腔输入功率及声压级贡献量进行排序后，指导后续的空腔阻隔试件布置。图11和12分别是三个激励源单独作用时舱内声腔输入功率大小和舱内声腔的声压级。

图11 各激励源单独作用时舱内声腔输入功率Fig.11 Acoustic power of cavity when three excitations are applied separately

根据三个激励分别单独作用时舱内声腔的输入功率和声压级，中频段前轮罩激励和B柱下端激励作用比较明显，后轮罩激励较弱，高频段前轮罩激励作用显著增强，且明显强于B柱下端激励和后轮罩激励。因此三个激励的重要程度从大到小次序为前轮罩激励、B柱下端激励、后轮罩激励，即为指导布置空腔阻隔结构时考虑的优先顺序。

图12 各激励源单独作用时舱内声压级Fig.12 SPL in passenger compartment when three excitations are applied separately

2.2 主要泄漏段的确定

为了找到从侧围空腔向乘员舱泄漏噪声的主要孔洞及缝隙，进行有目标的空腔阻隔结构布置，这里进行侧围空腔主要泄漏部分的分析。

图13 是侧围模型所有外部激励同时作用时，各部分空腔对舱内声腔输入声功率占比。这里将每部分空腔对舱内声腔的功率输入分为两个部分：泄漏传声和管壁传声，即通过泄漏点泄漏进去的声能量和通过空腔“管壁”振动传递的声能量，其中在VA One软件中管壁传声部分声能量按照质量定律(Mass Law)计算得到。

图13 施加所有激励时各部分对舱内声腔输入功率占比Fig.13 Acoustic power flowing into cavity of different parts of pillar and rock including leaking and mass law

图14 各部分声腔泄露功率占比Fig.14 Acoustic power leaking into cavity of different parts of pillar and rock

其中各部分空腔泄漏传递的声功率占总泄露传递声功率的百分比如图14所示。可以看出，中频段(200 ～1 000 Hz)B柱下段、A柱下段和B柱上段泄漏占主要部分，C柱上段泄漏占比也较大；高频段(100 ～8 000 Hz)，B柱上段、C柱上段、前顶纵梁泄漏占比较大。因此主要泄漏部分有：B柱上段、B柱下段、A柱下段、C柱上段和前顶纵梁。其中在整个中频和高频段，B柱上段泄漏都占总泄漏传声的绝大部分，因此在布置空腔阻隔结构时要注意封堵这部分空腔。

2.3 声能量主要传递路径

2.3.1 前轮罩激励下声能量主要传递路径

这里以前轮罩激励为例，分析激励源至舱内声腔声能量传递路径的分析。

首先对舱内声腔输入功率进行分析，对于贡献较大的空腔，继续分析其对应声腔子系统的输入声功率，层层上溯可确定由激励源至舱内声腔的主要传递路径。图15是前轮罩激励下各段声腔对舱内声腔输入功率占比。从图中可以看出，中频段舱内声腔声功率的主要输入源是前门槛梁和A柱下段，高频段主要输入源是B柱上段、前顶纵梁及C柱上段。

图15 前轮罩激励下各段空腔对舱内声腔输入功率占比Fig.15 Acoustic power flowing into cavity of passenger compartment

显然，通过前门槛梁和A柱下段传入舱内声腔的声功率直接来自前轮罩激励，不用进一步分析，而对于前顶纵梁，其声功率既可能来自A柱上段，也可能来自B柱上段，因此需要进一步分析，确定其声功率来源。根据图16前轮罩激励下前顶纵梁输入功率来源，前顶纵梁的声功率几乎全部来自A柱上段空腔的对应声腔，从而又确定一条路径，即声功率从前轮罩激励出发，先后经过A柱下段、A柱上段、前顶纵梁，最后传入舱内声腔。

可以用同样的方法确定B柱上段声腔声功率来自B柱下段，B柱下段声功率来自前门槛梁，则又可以确定两条路径。

图16 前顶纵梁输入声功率来源Fig.16 Acoustic power in up pillar_f

对于C柱上段，可以用同样的方法确定其声功率几乎全部来源于后顶纵梁，而后顶纵梁声功率可能来源于B柱上段，也可能来源于前顶纵梁，或者两者占有不同比重，所以再对后顶纵梁进行分析，如图17是后顶纵梁输入功率的来源。

图17 后顶纵梁输入声功率来源Fig.17 Acoustic power in up pillar_r

则根据比例关系可以算出分别由B柱上段和前顶纵梁传入后顶纵梁，进而传入C柱上段的声功率，其中经由前顶纵梁传递过来的响应路径归为其他(因为占比较小)。

根据以上分析可以确定前轮罩激励到舱内声腔的五条声能量主要传递路径(如图18所示)。

(1) 路径1：前轮罩激励产生声能量，经A柱下段传递到舱内声腔；

(2) 路径2：前轮罩激励产生声能量，经前门槛梁传入舱内声腔；

(3) 路径3：前轮罩激励产生声能量，先后经过前门槛梁、B柱下段、B柱上段，最后传入舱内声腔；

(4) 路径4：前轮罩激励产生声能量，先后经A柱下段、A柱上段、前顶纵梁，最后传入舱内声腔；

(5) 路径5：前轮罩激励产生声能量，先后经过前门槛梁、B柱下段、B柱上段、后顶纵梁、C柱下段，最后传入舱内声腔。

通过其他非主要路径传递的声能量部分统一归为“Others”部分。

图18 前轮罩激励至舱内声腔声能量主要传递路径Fig.18 Major paths of acoustic power when excitation under front wheel cover is applied

五条主要传递路径及others传递的声能量大小关系，如图19。

图19 前轮罩激励下各主要路径传递声功率大小关系Fig.19 Acoustic power of each path when excitation under front wheel cover is applied

根据上图可以看出，中频段，路径1和路径2传递声能量较为显著，高频段，路径3传递声能量最为显著，路径4和路径5也占有一定比例。

2.3.2 B柱下端激励下声能量传递路径分析

根据上面前轮罩激励下声能量传递路径的分析，同样可以确定B柱下端激励下主要传递路径，如图20所示。各主要传递路径传递声能量大小关系如图21，中频段，路径4和路径3传递的声能量占主要部分，路径2和路径4页占有一定比例；高频段，路径4传递声能量占绝大部分，其次是路径5和路径6传递的声能量。

图20 B柱下端激励至舱内声腔声能量主要传递路径Fig.20 Major paths of acoustic power

图21 B柱下端激励下各主要路径传递声功率大小关系Fig.21 Acoustic power of each path

2.3.3 后轮罩激励下声能量传递路径分析

后轮罩激励下声能量主要传递路径如图22所示，各主要传递路径传递声功率，如图23所示。

图22 后轮罩激励至舱内声腔声能量主要传递路径Fig.22 Major paths of acoustic power when excitation under rear wheel cover Is applied

图23 后轮罩激励下各主要路径传递声功率大小关系Fig.23 Acoustic power of each path

根据图23，中频段，路径1传递声能量最为显著，随着频率增大，路径2传递声能量逐渐增大；高频段，路径2传递声能量占绝大部分，其次是路径4和路径3。

3 空腔阻隔结构布置方案优化

3.1 阻隔结构布置方案的确定

上一章已经分析了激励源至舱内声腔的声能量流动，本节阻隔结构布置方案的制定正是基于之前的分析，从三个方面制定三个不同的布置方案。本文主要优化的是阻隔结构的位置，所以使每个阻隔结构的隔声特性保持一致。同时考虑到实际生产中成本的控制，这里阻隔结构的个数限定在5到6个左右。

方案一：主要对三个激励源进行封堵，布置如图24所示。方案二：同时考虑封堵激励源以及声能量主要传递路径，布置如图25所示。方案三：同时考虑激励源、主要泄漏段和声能量主要传递路径，具体布置如图26所示(含原厂方案的阻隔结构布置方案)。阻隔结构布置原厂方案示意图，见图27。

图24 阻隔结构布置方案一示意图Fig.24 Arrangements 1 of cavity fillers

图25 阻隔结构布置方案二示意图Fig.25 Arrangements 2 of cavity fillers

图26 阻隔结构布置方案三示意图Fig.26 Arrangements 3 of cavity fillers

图27 阻隔结构布置原厂方案示意图Fig.27 Original arrangements of cavity fillers

3.2 各布置方案整车降噪效果对比

通过在整车SEA模型中添加阻隔结构，即定义声腔之间的面连接的传递损失，可以得到各方案添加阻隔结构后驾驶员头部声腔声压级的值，和未添加阻隔结构时的声压级对比可以得到相应降噪量，三个方案阻隔结构的降噪量对比，如图28。

可以看出三个方案中阻隔结构降噪效果最好的是方案三，其次是方案二，最后是方案一。

图28 各方案降噪量对比Fig.28 Noise reduction of cavity fillers of different arrangements

(1) 方案一中为了封堵激励源，放置了六个阻隔结构，降噪效果反而没有方案二和方案三好，可见封堵激励源是不可取的。另外，实际应用中，整车的外部激励并不是像前面侧围模型中激励那样集中，所以封堵激励源并不可行。

(2) 方案二稍好于方案一的降噪效果，是由于方案二中考虑激励源的同时考虑了声能量的主要传递路径。相对于方案一，方案二中将后轮罩附近的阻隔结构放置到B柱上段和下段之间，并且取消了放置在B柱下端激励右边的阻隔结构，因为在传递路径分析中，从B柱下端传递到后门槛梁的声能量很小，不在主要传递路径范畴内，B柱上段和下段之间的阻隔结构有效“阻隔”了声能量的传递路径。

(3) 方案三的降噪效果最好，是因为方案三中阻隔结构的布置同时考虑了激励源、泄漏段和声能量传递路径。相对于方案二的阻隔结构的布置，方案三中将前门槛梁处的阻隔结构放置到了A柱上段和前顶纵梁之间，是由于前顶纵梁是主要泄漏段之一，在高频段会直接泄漏噪声至驾驶员头部声腔，虽然去掉前门槛梁处阻隔结构，但是前门槛梁并不是主要泄漏段，同时B柱下端的阻隔结构仍能够有效“阻隔”声能量向B柱传递，因此该方案呈现了相对较好的降噪效果。

方案三与原厂方案的降噪效果对比，见图29。

图29 原厂方案与方案三降噪量对比Fig.29 Noise reduction of arrangement 3 and original arrangement

根据图29所示，方案三与原厂方案的降噪效果接近，部分频段方案三效果稍优于原厂方案，而原厂方案所用的空腔阻隔结构的数量多于方案三，意味着方案三比原厂方案更加节省成本。

4 结 论

由于现实生产中成本、装配等因素的考虑，进行空腔阻隔结构的布置时不仅要考虑主要激励源的作用，还要同时考虑噪声的主要泄漏段以及声能量传递路径，利用“三层次分析法”进行声能量传递分析得到的结果指导阻隔结构的布置，能够考虑成本等因素的同时达到较好的降噪效果。

三种方案的降噪效果反过来验证了利用侧围简化模型分析的可行性，即在整车模型分析侧围空腔声能量流动较复杂时，可以考虑将侧围模型简化出来单独分析，并且不考虑车顶棚以及防火墙等部件，同时将乘员舱内左侧4个声腔子系统作为一个整体分析，其定性结果基本保持一致，说明侧围模型简化方法的可靠性。

由于阻隔结构的填充一般在白车身涂装工艺过程中进行，并经过高温膨胀等处理，对各布置方案逐一进行整车阻隔结构的填充和降噪效果的对比，需要大量的人力和资金投入。本研究针对阻隔结构试验耗时耗力的缺点，通过风洞及转鼓试验获取较准确的激励添加至经整车厂验证的模型，进而通过仿真对比各方案的降噪效果，并得到较好的布置方法，进而为阻隔结构的布置提供新的思路。

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