汽车前围声学包中频插入损失仿真计算

姜东明，丁渭平，苏瑞强，杨明亮，马逸飞，朱 鹏

（1.西南交通大学 机械工程学院，成都 610031； 2.东风汽车公司 技术中心，武汉 430056）

汽车前围将发动机舱和驾驶室分隔开，在处于驾驶室这一侧的前围钣金上附加声学包可以大幅提升前围总成的隔声能力，能有效降低由发动机舱传递到车内的噪声。传统的声学包开发需要经过反复设计、制造、试验等过程，面临着低效率、高成本等问题。因此，通过仿真技术对声学包进行隔声性能分析已成为开发声学包的重要手段之一。

一些国内外学者对汽车前围声学包进行了相关研究。葛峰、Bertolini、Zhang基于SEA法对前围声学包的隔声性能进行了研究，以轻量化为目的对前围声学包进行了优化，但他们并未对多种声学包成型件区域划分方法进行分析[1–3]。杜爱民基于正交优化设计理论、SEA法，从材料厚度、密度、覆盖率、堵件设置方面对前围声学包进行了优化，得到了满足降噪性能和轻量化的最优设计，但他将前围声学包成型件简化为某一厚度的声学包平板件，且并未对该方法进行合理性说明[4]。

此外，这些研究主要通过SEA法[5]对前围声学包高频隔声性能进行了研究，忽略了前围声学包的中频隔声性能。车内中频噪声由空气辐射噪声以及结构振动所引致的结构噪声组成，在降低车内低频噪声和高频噪声的同时，还必须将车内的中频噪声水平控制在合理范围之内，这样才能全面改善汽车车内NVH水平。因此，对汽车前围声学包的中频隔声性能进行分析是非常有必要的。在学术界和工程界，对于中频问题，常用混合FE-SEA法[6]。低、中、高频本是一种相对概念，没有绝对的界线，学术界和工程界为了方便问题的描述，常取200 Hz～1 000 Hz为中频。

在充分考虑这些问题之后，以某车型的前围声学包成型件为研究对象，根据声学包成型件的三种区域划分方法建立了与其匹配的三种混合模型，计算该模型在200 Hz～1 000 Hz的插入损失，并通过与试验值对比，确定最优区域划分方法以及该模型对应于中频的有效频率区间。

1 声学包成型件状态解析

所研究的某车型前围声学包成型件采用的是一种复合材料，其结构形式为PET+EVA+PU，如图1所示。

图1 声学包成型件及其结构形式

前围声学包中的PET（3 mm）与EVA（2 mm）厚度均匀分布，而PU厚度分布不均匀。声学包成型件的厚度分布云图如图2所示。

图2 声学包成型件厚度分布云图

为方便后续在VA One仿真软件中创建声学包，需先根据声学包成型件的厚度分布云图将声学包成型件划分为不同厚度的平板件。为了探究不同的区域划分方式对仿真结果的影响，采用了粗划分（35块）、中划分（55块）、细划分（81块）这三种方法，划分完毕的声学包成型件可看作由厚度分别为5 mm、10 mm、13 mm、15 mm、17 mm、20 mm、21 mm、22 mm、23 mm、25 mm、28 mm的声学包平板件组合而成，如图3所示。

在VA One软件中创建前围声学包时需导入各层材料与声学性能相关的物理参数，然后根据图3中声学包成型件的区域划分情况定义不同的厚度即可。各层材料的物理参数可结合驻波管试验与FOAM-X软件获取。为验证所得参数的精确度，可将其导入NOVA软件并对某厚度声学包平板件的插入损失进行仿真，通过与试验值对比即可验证所获取的材料物理参数的精确度。

2 声学包材料物理参数获取及验证

2.1 声学包材料物理参数获取

首先分别测量出PET、EVA、PU的密度，然后对PET与PU这两种材料进行驻波管试验，获取其线性吸声系数、线性复反射因数实/虚部、线性复阻抗率实/虚部，驻波管试验如图4所示。再将这五个参数导入FOAM-X软件中进行材料物理参数识别，获取材料的孔隙率、流阻、弯曲度、黏性特征长度、热力特征长度这五个物理参数。对于PU材料，还需获得弹性模量、泊松比、阻尼损耗因子，这三个参数由专业检测机构测得。PET、EVA、PU的物理参数如表1所示。

2.2 声学包材料物理参数验证

图3 声学包成型件区域划分示意图

图4 驻波管试验

表1 各层材料的物理参数

为了验证所获取的材料物理参数的精确度，准备了与成型件各层材料相同的三块平板件，这三块平板件的各层材料厚度均匀分布且总厚度分别为10 mm、15 mm、20 mm，通过试验方法已获取了其插入损失。将表1中的物理参数导入NOVA软件，对这三块平板件的插入损失进行仿真，并与试验值进行对比，如图5至图7所示。

图5 平板件（10 mm）插入损失仿真值与试验值对比

图6 平板件（15 mm）插入损失仿真值与试验值对比

由于插入损失的仿真值与试验值都是用声压级表示的，对仿真值与试验值进行误差分析时，首先需根据式（1）将声压级转化为声压有效值，然后根据式（2）求得声压有效值的相对误差。声压有效值的相对误差结果如表2至表4所示。

图7 平板件（20 mm）插入损失仿真值与试验值对比

式中SPL为声压级；Pe为声压有效值；参考声压P0=2×10-5Pa；ε为声压有效值的相对误差；Pe1为插入损失仿真值对应的声压有效值；Pe2为插入损失试验值对应的声压有效值。

表2 平板件（10 mm）插入损失误差分析

表3 平板件（15 mm）插入损失误差分析

诸如Shao J[7]、邓江华[8]等许多国内外学者在对声学包进行仿真分析时采用的是±3 dB的误差标准，由式（1）、式（2）联立得到式（3），由式（3）可得到±3 dB的误差对应于声压有效值的相对误差。

式中ε为声压有效值的相对误差；SPL1为插入损失仿真值对应的声压级；SPL2为插入损失试验值对应的声压级。当SPL1-SPL2=﹢3 dB时，ε为41.3%；当SPL1-SPL2=-3 dB时，ε为29.2%。

由图5至图7可知，这三块平板件的插入损失仿真值与试验值的趋势基本一致。由表2至表4可知，10 mm的平板件插入损失仿真值与试验值的最大误差不超过13.9%，15 mm和20 mm的平板件插入损失仿真值与试验值的最大误差不超过12.9%，各误差都远低于29.2%，表明所获取的材料物理参数精度较高，可用于后续VAOne软件中声学包的创建。

表4 平板件（20 mm）插入损失误差分析

由于制作工艺的局限性，这三块平板件的厚度并非绝对的均匀分布，PU层的某些局部位置也存在空洞，这些都会为插入损失试验结果带来一定的误差；此外，在做驻波管试验之前需将声学包裁剪成直径为30 mm的圆柱体样件，驻波管试验要求试验样件与驻波管内壁紧密贴合且不变形，裁剪之后的样件通常无法同时满足这两点要求，这会为驻波管试验数据带来一定的误差，驻波管试验数据用于NOVA软件仿真，从而又为声学包平板件的插入损失仿真结果带来一定的误差。

3 仿真模型的建立

3.1 有限元模型的建立

在VA One软件中建立混合FE-SEA模型之前，需导入前围钣金的有限元模型，根据图3中的声学包成型件区域划分情况创建有限元结构子系统，再在上面附加声学包，有限元模型如图8所示。

3.2 混合FE-SEA模型的建立

混合FE-SEA法从有限元和统计学的意义出发，是一种计算中频问题非常有效的方法。建立的混合FE-SEA模型既能对较高模态密度的子系统进行快速计算，从而在整体上减少计算资源的耗费，又能避免单独使用FE法或SEA法所导致的对中频问题求解的不准确性。

对于FE部分的建立，将划分好区域的前围钣金有限元模型导入VA One软件中，将之前划分好的每块区域分别创建有限元结构子系统。然后定义声学包各层材料的物理参数，在各个区域上赋予对应厚度的声学包。汽车前围上有安装转向管柱、线束等零部件的过孔，为了使仿真和试验结果更加一致，仿真时采用橡胶对各个过孔进行密封。

图8 前围钣金有限元模型

对于SEA部分的建立，在前围两侧分别创建声源室声腔和接收室声腔，对这两个声腔进行仿真计算之后提取数据，并计算前围声学包成型件的插入损失。然后，在声源室声腔上加载1 Pa的声约束作为入射声。

最后，将两个声腔与每个有限元结构子系统创建混合连接关系，至此便完成了整个混合FE-SEA模型的建立，所建模型如图9所示。

图9 混合FE-SEA模型

4 声学包成型件插入损失的试验获取

声学包的隔声性能用插入损失（IL）描述，为了获取声学包成型件的插入损失，需要分别获取前围钣金在覆盖声学包前后的传递损失（TL），二者之差即为声学包的插入损失。传递损失的定义是结构一侧的入射声功率Wi与另一侧透射声功率Wt相差的分贝数，其数学表达式为

传递损失的测量采用混响室-半消室的试验方法。首先将白车身上的前围钣金切割下来并制作成工装，将工装安装在混响室与半消室的公共墙面的开口处，并用阻尼板对工装与墙面开口之前的缝隙进行密封。在混响室一侧，放置一个十二面体球形声源产生白噪声激励，通过工装前侧的4个麦克风测量不同位置的声压信号并求得平均声压级。在半消室一侧，利用声强探头在距离隔声构件5 cm的地方按照0.1 m/s～0.3 m/s的速度扫描前围钣金在覆盖声学包前后的两种状态，分别获得两种状态对应的平均声强级，并通过测试软件自动算出两种状态的传递损失，二者相减即为声学包的插入损失。声学包成型件的测试状态如图10所示。

图10 声学包成型件测试状态

5 结果分析

将前围声学包成型件的插入损失仿真结果与试验结果进行对比，如图11所示。

图11 前围声学包成型件插入损失仿真值与试验值对比

根据式（1）、式（2）对混合FE-SEA模型的声学包插入损失的仿真值与试验值进行误差分析，如表5至表7所示。

由图11与表5至表7可知，在200 Hz～630 Hz频段内，三种区域划分方式的仿真值与试验值的趋势基本一致，粗划分方式的仿真值与试验值的最大误差不超过18.5%，中划分方式的仿真值与试验值的最大误差不超过12.9%，细划分方式的仿真值与试验值的最大误差不超过10.8%，三种划分方式的误差都远低于29.2%，表明三种划分方式在200 Hz～630 Hz频段内的精度较高，且细划分方式是三种划分方式中精度最高的一种。在试验过程中，前围的边界条件是近似自由的，而仿真的边界条件是完全自由的，边界条件的不完全一致会导致误差的产生。此外，在对声学包进行区域划分时，目前只能依靠手动划分，区域划分的精准程度也会为仿真结果带来一定的误差。

三种区域划分方式的试验值与仿真值在800Hz～1 000 Hz的误差都偏大，主要原因是混合FE-SEA法本身具有一定的局限性，无法精确计算更高频段的问题，对于更高频段的问题应采用SEA法计算更为合理。此外，在试验过程中，试件的边界条件是近似自由的，而仿真模型的边界条件是完全自由的，边界条件的不完全一致也会导致误差的产生。

表5 粗划分模型的声学包插入损失误差分析

表6 中划分模型的声学包插入损失误差分析

表7 细划分模型的声学包插入损失误差分析

综上，在这三种区域划分方式中，区域划分越细致，仿真结果越好。虽然通过混合FE-SEA法得到的前围声学包插入损失在200 Hz～1 000 Hz频段内的仿真值与试验值存在一定的误差，但是在200 Hz～630 Hz频段内的插入损失仿真值与试验值较为吻合，从而表明细划分混合模型应用于200 Hz～630 Hz频段内的可行性。

6 结语

（1）将所获取的材料物理参数导入NOVA软件中，发现三种厚度的平板件插入损失仿真值与试验值具有较好的一致性，表明所获取的材料物理参数具有较高精度，可运用于相关建模分析中；

（2）根据厚度分布云图对声学包成型件进行了三种区域划分，并对这三种区域划分方法的仿真结果与试验结果进行了对比，结果表明细划分方法优于中划分方法，中划分方法优于粗划分方法；

（3）采用混合FE-SEA法建立的汽车前围声学包细划分混合模型，其插入损失仿真值与试验值在200 Hz～630 Hz频段内具有较好的一致性，表明了该混合模型在200 Hz～630 Hz频段内的有效性，同时为处理该类问题提供了参考。