基于隔声超构材料改善城镇客车低频下噪声问题的研究

◎陈启新

一、引言

随着我国经济快速发展，人们的生活水平日益提升，消费者对城镇客车乘坐舒适性的要求也在逐步提高，这也将迫切要求城镇客车需要提高其运行时为乘客提供的NVH 品质。但是目前对城镇客车的NVH 特性的研究方法主要集中在通过改进城镇客车车身结构以及在结构中填充吸声材料进而达到提高城镇客车的NVH 品质。但是城镇客车的NVH 品质特征关注点主要体现为在低频段的振动噪声状况影响较大，但是这些方法对于城镇客车低频段的振动噪声问题的改善效果不甚理想，因而本文拟提出通过对研究生期间所研究客车车型的研究结果，通过采用隔声超构材料与薄膜型材料应用于城镇客车车身结构之中，进而达到改善城镇客车在低频下范围内的振动与噪声问题，从而提高城镇客车的NVH 品质。

二、某城镇客车车身骨架结构三维实体模型建模

本文所针对的某城镇客车车身属于半承载式车身类型，车身骨架结构较为复杂，骨架间的各个零部件之间的连接类型也具有多种形式。本文研究所构建的该城镇客车车身结构骨架主要可分为骨架前围、顶棚骨架、左右侧围骨架、后围骨架、底盘骨架以及底盘车架骨架这六大部分。

对该城镇客车的车身结构进行简化时，对于保险杆、内饰纹路等一些对车身结构振动与噪声影响极其轻微的部分但是对三维建模增加较大难度的部分非承载性构件，在建模过程中进行适当简化及忽略，同时对美观性的局部特征及其小尺寸空洞等对车身结构性质影响甚微的部分特征也采取了简化及忽略的处理方式进行三维建模，这样能够确保在不影响对该城镇客车车身骨架结构进行模拟分析所的分析结果的前提下极大地简化了建模及其分析的难度，从而提高了分析计算的精确度及其模拟分析的可行性。

在整个车身结构骨架建模的过程中，主要采取的简化措施主要有以下几方面内容：

1.忽略内外蒙皮对该城镇客车车身骨架结构的支撑作用；

2.对非重要部位的非结构需要的部位特征及其装饰部件进行简化；

3.简化了对客车结构强度影响不大的非承载性构建（如保险杆等）。

该城镇客车车身结构由不同截面规格的钢管构建而成，车身骨架结构中主要涉及的截面类型主要包括：槽型钢截面、矩形空心钢管截面、矩形实体钢管等。由材料性能研究结果可以知：在材料截面积以及壁厚不变的情况下，矩形冷弯型钢制件具有的抗弯性能略微低于开口断面结构的抗弯性能，但矩形冷弯钢管在抗扭性能较之具有更佳的优势。该车型城镇客车的车身骨架结构主要采用的是Q235 和16Mn，其力学性能如表1所示。

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通过在三维建模软件CATIA 建模软件中建立该城镇客车车身骨架结构的三维实体模型，并将构建的三维实体模型导入至软件HyperMesh 中，通过调用HyperMesh 软件中的提取中面功能，进行对该城镇客车车身骨架结构中面模型的抽取构建，并通过将建模后得到的三维实体膜型导入至分析软件LMS Virtual.Lab 软件中，综合使用得到该城镇客车车身骨架结构三维实体模型。

教师叙述的这个故事，描绘出一个自学成才的学生形象，并阐述了自己认同的观点，即学生要有自我意识，要学会自学。他在叙事过程中重新组织了自己的教学经验，将故事和观点进行了有机结合，对学生学习和自己教学进行了一次深刻的反思，通过这种方式生成了自己的实践性知识，可以说叙事就是教育经验的一种理论形式。

通过对比学习以往对客车车身骨架结构振动激励源的研究成果后发现：引起客车车身骨架结构振动的激励源主要包括以下方面：

1.行驶工况路面对车轮作用的激励源：在城镇客车行驶在城镇道路工况下，车辆会因为行驶路面的平整度状况而受到不同程度的振动激励力，进而使得车轮在该激励力下产生变形，并同时通过车轮、车桥、减振悬架等部件进而传递至客车车身，进而引起车身骨架结构产生相应的振动状况。

2.发动机激励源：城镇客车在怠速或行驶过程中，在发动机燃烧燃料完成一个工作。

循环过程中，尤其是做功冲程中，做功冲程产生的爆发力通过活塞、连杆等传递至曲轴，从而将动力经离合器、变速器、传动轴及差速器等部件传递至驱动轮，从而驱动车辆行驶。在此过程中，发动机产生的动力经过不同部件时，发动机功率分别转换成相应部件的动能以及惯性力矩，从而形成不同方向的激励力，并通过这些部件与车身骨架结构的接触进而传递至车身各个部分，从而成为车身骨架结构振动的主要激励源。

三、车身室内噪声产生机理及影响因素

车身室内噪声是指城镇客车行驶在各种工况下，由外界及自身结构及其部件所产生的激励源的激励力作用下，在车身内部声腔中所产生的各种噪声之和。对于在车辆室内声腔内所产生的室内噪声，其产生的途径及方式主要可以分为两大类，分别为空气传播方式（空气波动）与固体传播方式（车身结构振动方式）。空气传播方式主要是指噪声通过从车辆车身骨架结构连接处的空间范围经以空气作为传播媒介进行传播；固体传播噪声则是指由于车辆车身骨架结构的振动对车身室内空间因车身壁板振动而形成的辐射噪声传播至车身室内区域。对于城镇客车运行工况过程中，通过两条途径传递而来的对车身室内声腔产生噪声的主要影响因素的影响形式分别为：1. 在客车行驶过程中，空气在车身周围所产生的风激励噪声，将通过车身结构的缝隙传递至车辆室内声腔，进而产生所谓的风激励噪声；2.在发动机等部件产生的机械噪声、轮胎所受到的路面激励力以及发动机等运动部件产生的激励力等激励源激励力的综合作用下，传递至客车车身结构继而所引起客车车身结构产生振动，客车车身骨架结构的振动将会对客车车身室内声腔进行振动辐射，继而形成所谓的结构振动辐射噪声。机械噪声（主要由发动机产生）、风激励噪声以及摩擦噪声这三类噪声源则为客车在运行工况下，客车车内室内声腔形成噪声的主要来源。

通过以往对车身室内声腔噪声情况的研究结果的学习可以知道，在客车车身骨架振动的中低频段（20Hz～400Hz）范围中，传递至车身室内声腔的噪声主要是通过固体传播方式为客车室内声腔噪声的主要传递来源，而在振动的高频段（＞500Hz）范围内，传递至客车车身室内声腔的噪声则主要是通过空气传播方式为客车室内声腔噪声的主要传递来源。

四、某城镇客车振动与噪声状态分析

通过对某城镇客车进行振动与噪声分析，通过仿真分析可以看出：该城镇客车研究模型在低频范围内，客车车身骨架结构的振动主要来源于发动机部位的振动，从而引起驾驶乘坐区域产生较为集中的噪声影响，同时由于客车车身顶棚所采用的外蒙皮常较薄而出现振动较为剧烈的现象。在80Hz--100Hz 范围内出现了较大的声压峰值，对驾驶员影响较大，易使驾驶员感到疲惫。

五、声学隔声超构材料优势

在线性噪声的隔音问题中，根据能量守恒定律，对于某一个特定的振动频率范围，振动系统的声学总能量包括声学材料吸收的能量及其通过声学材料发生反射与折射这几部分的能量总和，欲实现隔声降噪目标，传统的隔声材料则主要是通过增大声学材料吸声噪声能量（例如填充多孔性、泡沫类材料）或反射噪声能量进而实现降噪目标。

在传统隔声降噪的设计中，主要是通过隔声材料或共振结构实现，隔声材料的隔声性能与结构、材料和声波频率有关，并且传统隔声材料主要是以均质板为隔声基体，通过在均质板表面敷贴粘弹性阻尼材料、加筋等方式提高隔声性能，增加了隔声材料的质量和密度，同时要求提高隔声层的声阻抗或优化吸声、隔声材料组合达到改善隔声性能效果，因而使得隔声材料具有更高的质量密度、厚度，良好的密封性以及材料覆盖效果，这将不利于对隔声材料实现轻量化与轻薄化，并且对于低频段隔声效果作用不大。

声学隔声材料属于一种新型的特种复合材料，在声学材料中，等效质量密度和等效体积模量是决定声波在介质中传播的两个关键参数。其关键原理在于通过对材料的关键物理尺度进行一定序构设计，使得原有材料产生异于传统材料，获得传统材料所不具备的超常物理性能的复合材料。

在声学隔声超构材料的独特新奇物理效应中，最典型的特征就在于声学超构材料的材料等效表征参数可以出现负值。通过对隔声超构材料精心设计，使得其声学超构材料亚波长单元为共振单元，与背景入射场干涉产生强局域共振，则声学超构材料的等效质量密度与等效体积模量将表现初频率色散特性，并且在共振频率附近达到负值。

理论研究表明：声学超构材料声学超构材料偶极子共振时，会产生负的等效质量密度；单极子共振时，会产生负的等效弹性体积模量；当偶极、单极同时共振时，将出现“双负”效应（负的等效体积模量和负的等效质量密度）；当等效参数出现负值时，将会造成声波的折射率以及等效波速变成虚数，这将使得声波在介质中的传播无法继续前进，因而当亚波长单元表现出负参数特性时，该材料结构将能够表现出一定程度的声音衰减效用。

声学隔声超构材料可以通过通过对材料结构进行轻质、小体积的巧妙设计，使得声波与人工周期弹性复合材料产生相互作用，在特定频率范围内对没有对应振动模式即存在声禁带，使得声波的传播受到抑制作用，从而实现良好的隔声性能，尤其对于改善低频段内的降噪作用具有传统隔声材料无法比拟的优势。

六、薄膜型材料的降噪原理及其优势

当传播的声波频率与使用于降低声波传播能量的声学超构材料振动模式的频率相互接近时，传播的入射声波的振动将与声学薄膜材料的振动将发生相互抵消的现象，从而使得声波无法继续向前传播，继而起到隔声降噪的目的，因而在探究薄膜型声学超构材料在隔声工作中所对应的结构特点时，只需了解材料的振动形态即可直观得到声学超构材料结构的工作频率。

对于其中一种由张紧并固定在腹膜环的薄膜和固定在薄膜上的质量块组成的薄膜型声学超构材料，薄膜薄板声学超构材料通过利用薄膜薄板小弯曲刚度特性，能够在低频范围内的声波激励下发生弯曲共振并同入射波相互耦合，增加其共振模式，进而提高了该薄膜薄板声学超构材料内部在低频范围内声波的能量密度，达到隔绝或者吸收低频声波的效果。同时，可以通过在两个薄膜之间使用不同的吸收材料对其进行填充或者通过采用使用框架对两个薄膜薄板进行合理支撑，进而进一步提升该薄膜薄板型声学超构材料的隔声性能。

2008 年，Yang 等人提出了一种在一个小面积弹性薄膜上附加一个质量块，并且在薄膜四周使用硬边界进行固定的薄膜型谐振器的超常材料结构，由于该薄膜自身存在着低频范围的振荡模式，并且该膜型中的质量块其本身的谐振频率能够对薄膜的谐振频率起到调整谐振频率的作用，因而能够使得该种薄膜型谐振器结构在低频范围内（200～300Hz）实现声波的衰减，并且能够实现负的等效质量密度。

与此同时，Wang 等的研究结果表明，在声学自由场中，还可以通过利用层状声学超构材料同时实现对噪声声学的完美吸收及其对噪声宽带绝缘的处理机理，通过对两个填充了多孔材料的声学超构材料进行一定方式的耦合，从而组成层状膜型的声学超构材料，将层状膜型声学超构材料的上层声学超构材料的谐振频率调整到与下层声学超构材料反共振频率相同，在临界频率声波的激发之下，层状声学超构材料就能够有效地将噪声的声能集中至耦合后的这两种膜型材料之间的区域，将声能以填充多孔材料的方式进而转换为热能。

与具有质量块组成的薄膜型声学超构材料相比，在薄膜板型隔声超构材料中没有质量块的膜型声学超构材料能够在一定程度上表现出比附有质量块类型的膜型隔声超构材料更加明显的隔声性能特性。

Li 等提出了一种没有附着质量块的多层蜂窝膜型声学超构材料，该型声学超构材料能够通过对蜂窝膜型声学超构材料的一些参数进行调整，例如细胞数、蜂窝芯厚度、膜厚度、膜的材料及膜的层数等参数，从而调节声波传输的损耗幅值。

Gao 等设计了一种低面密度蜂窝硅橡胶声学超构材料，通过在此材料中加入蜂窝铝，进而降低了此超构材料整体结构的张力状况，使得薄膜的振动情况接近于薄板的振动情况，并且其实验结果表明，此蜂窝超构材料所造成的声传输损耗大大高于单层硅橡胶超构材料，蜂窝结构的单元结构厚度以及边长都会影响阻尼控制区的声传输损耗情况。

在近些年的研究中，Fan 等人构造出具有薄膜外层的周期性小孔的多层板结构的超常材料，通过利用该薄膜的单极共振及薄膜的高阻抗特点，进而实现了在500Hz 下的低频宽带多角度的吸声效果。

七、声学隔声超构材料改进城镇客车的降噪构想

研究生期间对此车身骨架结构进行了优化改善，主要优化方式是通过对车身骨架结构进行模态分析计算、室内声腔声学强度与声学贡献度分析计算、耦合车身骨架结构与室内声腔腔体进而分析计算声-固耦合膜型模态，进而找到对该城镇客车在低频范围内振动与噪声影响较大的局部结构区域，进而通过对所确定局部结构进行不断修改结构，通过增加加强筋等方式进行车身结构优化改进。对改进后的车身骨架结构不断进行反复分析验证，直至达到预期的改进效果。但是通过不断修改车身骨架结构以及采用通过增加加强筋的方式对车身骨架结构进行优化改进的效果，尽管改善了该城镇客车在低频范围内的振动与噪声状况，但是也在一定程度上增加了客车的整体重量，对客车的燃油经济性与动力性均存在一定程度的影响。

预期解决方案：

方案一：通过对客车在低频范围内的振动与噪声状况进行模态分析后，在车身骨架结构出现较大振动变形处使用附加有质量块的薄膜型隔声超构材料与原有材料共同协调使用于车身骨架结构之中，通过减少传统材料的使用同时使用隔声超构材料，在尽可能不增加整车质量的条件下，达到提高整车减振、隔声的综合效果；

方案二：由于无附有质量块的薄膜型隔声超构材料具有结构小、质量轻、在低频范围内能够形成带隙抑制低频声波的传播特性，因而可以通过使用无附有质量块的薄膜型隔声超构材料对车辆在低频范围内振动较大的位置，从而能够更好的进行外界噪声传递过程中的隔声以及车身结构振动所辐射的噪声，可以重点通过在发动机区域的驾驶舱区域铺设该薄膜型声学超构材料，进而最大程度隔绝因发动机运行产生并传入车身室内声腔的噪声，达到降噪效果。

八、总结

通过对该城镇客车研究模型进行模拟分析，发现该城镇客车模型的低频振动模态特性，找到其振动噪声的关键区域，进而提出通过采用声学隔声超构材料中的薄膜薄板型声学超构材料对该模型在发动机区域的驾驶舱区域、车身顶棚区域进行铺设薄膜薄板型声学超构材料。本次的研究方法对相关企业后续改进客车噪声问题具有一定的参考价值。