用统计能量方法分析和优化前围声学包

摘"要：前围声学包是阻隔机舱内噪声向车内传递的最主要手段。建立SEA模型，从材料参数、厚度和覆盖率等方面分析内前围的隔声性能，从泄漏方面分析过孔件的隔声性能，对前围声学包进行优化，以提高其隔声性能，降低整车车内噪声。

关键字：汽车；发动机机舱；SEA；前围声学包；统计能量法；优化

中图分类号：TB533+.2""文献标志码：B""文章编号：1671-5276（2024）02-0166-04

Statistical Energy Analysis And Optimization of Dash Sound Package

XU Linqian1， YUE Zhiqiang2， GENG Jian2

（1. Qinghai University of Technology，Xining 810028，China； 2. Great Wall Motor Co.， Ltd.， Baoding 071033，China）

Abstract：Dash sound package is the most important means to block the noise in cabin from transmitting to vehicle. This paper builds the SEA model， analyzes the sound insulation performance of the inner enclosure from the aspects of material parameters， thickness and coverage， analyzes the sound insulation performance of the perforated parts in terms of leakage， and optimizes the dash sound package of the front enclosure， so as to improve its sound insulation performance and reduce the noise in vehicle.

Keywords：vehicle；engine cabin；SEA；dash sound package；statistical energy method；optimization

0"引言

随着汽车工业的快速发展，消费者对汽车的关注不仅仅在外造型与使用方面，还考虑乘坐的舒适性［1］。汽车的舒适性与NVH（noise vibration harshness）性能有关，声学包是汽车厂家降低整车车内噪声水平的关键手段之一［2］。

前围声学包包括内、外前围隔热垫以及各种过孔件包括线束、离合踏板、制动踏板、油门踏板、转向管柱、空调的暖水管、膨胀阀和进风口等［3］。前围声学包是机舱内噪声向车内传递的主要路径之一，能够有效吸收机舱内噪声并阻隔其向车内的传递。前围声学包NVH性能对车内降噪和车内声品质提升起到重要作用［4］。内前围隔热垫是前围声学包中最主要的产品之一。

利用某款车的前围钣金建立SEA（SEmantic-aware Alignment）模型，从材料参数、厚度和覆盖率等方面分析内前围的隔声性能，从泄漏方面分析过孔件的隔声性能，对前围声学包进行优化，提高其隔声性能，降低整车车内噪声，提高声品质。这对汽车前期设计有一定指导意义。

1"分析原理

1.1"SEA统计能量原理

统计能量SEA可将整个复杂系统分解为若干耦合的子系统，每一个子系统代表一组模态。根据系统的各种参数建立起各个子系统间能量流动的关系，每一子系统耗散和传递能量，应用能量守恒原理于每个子系统及整个系统，通过求解能量平衡方程得到每个子系统上能量，从而得到最后的响应。采用统计模态、能量功率流来描述各子系统的状态和系统间的相互作用关系，将噪声问题表达为子系统间的能量关系，再将能量转换成声压级来表示噪声大小［5］。

SEA模型的建立需要一定的特定条件：保守耦合系统 、“弱耦合”连接、 每个波段上各个模态能量相以及激励源互不相干、共振响应、共鸣响应等。

两个子系统的能量分析模型如图1所示。建立两个子系统间的功率流关系方程：

∏1=ωη1E1+ωη12E1－ωη12E2（1）

∏2=ωη2E2+ωη21E2－ωη12E1（2）

对于N个子系统的大系统，功率流方程组可以表示为

ωηE=∏（3）

式中：ω为子系统的固有频率；η为阻尼损耗因子；E为子系统能量；∏为输入能量［6］。

1.2"前围系统隔声量

前围系统由前围钣金、内外前围隔热垫及各种过孔件等组成。由于材质和厚度等原因造成透射系数不一致，为求前围系统的隔声量，需求平均透射系数τ［7］：

τ-=τ1s1+τ2s2+…+τnsns1+s2+…+sn=∑ni=1τisi∑ni=1sn（4）

前围系统的隔声量

STL=10lg（1/τ-）（5）

插入损失IL表示内前围隔热垫出现前后某固定点的噪声声压级的降低：

IL=STL1-STL2（6）

式中：STL1表示钣金+件的隔声量；STL2表示钣金的隔声量。

1.3"等效厚度

由于内前围隔热垫厚度不一，为了对前围隔热垫的空间合理描述，所以引入等效厚度定义：

d-=∑ipi/d2i－1/2（7）

式中：d为厚度；pi为各部分的占比。

2"模型的建立

2.1"SEA模型

基于某款车型前围钣金的有限元模型，建立SEA仿真分析模型如图2所示。划分子系统，共17个，其中有6个是过孔件的子系统。在SEA统计能量模型中，建立了2个声腔，1个模拟混响室，1个模拟全消声室，前围钣金置于两声腔之间，在混响室声腔上加载1Pa单位声压，如图3所示。

2.2"模型输入参数

以内前围隔热垫材质为EVA+PU发泡的分析为例，在SEA模型中，输入钣金和EVA的参数（密度ρ、弹性模量E、泊松比ν、阻尼损耗因子η）如表1所示，PU发泡的材料参数如表2所示。

3"SEA 仿真分析

内前围隔热垫的隔声性能与自身的材料参数、厚度和覆盖率等因素有关［8］。泄漏一般由过孔件（线束胶套、转向管柱胶套、真空助力泵等）引起的。材料参数、厚度、覆盖率和状态的仿真分析关闭过孔件连接，泄漏的分析打开过孔件连接。

3.1"材料参数的影响

EVA的厚度为2mm，分别计算PU发泡密度为80和60（表3）的插入损失，如图4所示（本刊黑白印刷，相关疑问咨询作者），PU发泡60的IL比PU发泡80的IL高0～1.2dB，密度降低20kg/m3，前围隔热垫的隔声性能提升。

钣金—PU发泡—EVA形成“质量—弹簧—质量”系统如图5所示。PU发泡60的材料较软，能量衰减得多，透射的能量少，IL相对高。PU发泡的参数与配方和生产工艺有关，通过调整材料配方、比例和工艺等实现。合理的材料参数可实现隔声性能不变，同时使零部件轻量化。

3.2"厚度的影响

对内前围隔热垫做厚度分布，厚度分布占比如表4所示，根据等效厚度式（7）计算，等效厚度为11mm、10mm以下厚度占比为27.85%，比重较大。调整各个厚度占比，使等效厚度分别为15mm和20mm，内前围隔热垫不同厚度的隔声性能对比如图6所示，等效厚度15mm的IL比等效厚度10mm的IL高0.4～2.5dB，等效厚度20mm的IL比等效厚度15mm的IL高0～3dB。合理的厚度分布即空间布局对提升IL有特别重要作用。

3.3"覆盖率的影响

前围钣金为了安装线束过孔、空调膨胀阀和空调进风口等过孔，生产时不得不冲压出凹凸台以及加强筋之类的结构；上下钣金间焊接时留下的焊缝和一些工艺空洞以及共同焊接在一起的突出部分；为了增强刚度，增加的加强板；为了安装制动和油门踏板，安装较大的支架；内前围隔热垫很难完全覆盖［9］。如图7所示，覆盖100%的IL在5 000Hz以上频段比覆盖率99.99%的IL高0.3～1.6dB；覆盖100%的IL在1 000Hz以上频段比覆盖率99%的IL高0.9～16dB；覆盖率减少1%，隔声性能下降16dB，性能严重衰减。提升内前围隔热垫的覆盖率对前围声学包IL至关重要。

3.4"泄漏的影响

输入过孔件的隔声量，打开各个过孔的连接仿真分析［10］，如图8所示，不打开过孔的IL比打开过孔的IL在全频段高0.2～14.5dB，过孔件的隔声性能低于钣金加内前围隔热垫。

通过分析，过孔件隔声在全频段衰减，已经严重削弱了前围声学包的隔声能力。在前围声学包设计过程中，要严格控制过孔件的声密封，减少声泄漏的产生。过孔件的隔声量需要达到或者超过前围钣金加隔热垫的隔声量。

4"前围声学包优化

根据仿真分析的结论，在满足现有前围声学包结构和空间不变的情况下，根据实际情况进行优化：

1）空调膨胀阀由单边覆盖优化为双边覆盖，一边覆盖钣金，一边覆盖前围隔热垫，如图9所示；

2）前围隔热垫在线束过孔处开米字孔，增加前围隔热垫覆盖率，如图10所示；

3）前围隔热垫安装螺柱由8个变为12个，分布均匀，减少前围隔热垫的不贴合问题；

4）在驾驶室侧转向管柱增加一个护罩，材质为PP+ABS+吸音棉。

针对优化前后实车隔声量进行对比试验，车辆放置在全消声室或半消声室，车内模拟混响场，车外为消声场［11］。优化后，前围系统隔声量提高0.8～6.4dB（图11），效果明显。进行车内噪声测试，驾驶员右耳的声压级降低0.5dB（A），语言清晰度提高2%AI。优化前围系统声学包后，车内噪声降低，车内声品质提高。

5"结语

1）通过SEA仿真分析前围系统声学包，对声学包的优化提供实际的数据支持，缩短开发周期，避免前期问题。

2）通过仿真分析，合理的材料参数可以减小质量，保证隔声性能不降低且实现轻量化。

3）前期设计预留空间，实现厚度的合理分布，提升前围系统的隔声性能。

4）较高的覆盖率，过孔件的隔声量超过或等于钣金加隔热垫的隔声量，避免声学泄漏。

5）钣金尽量避免凸台设计，平面尽量平整，有利于前围隔热垫与钣金贴合。

6）过孔件的隔声能力提升还需进一步研究。

参考文献：

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收稿日期：20221010