車身噪音的分析與控制

閻勤勞，楊志勇，朱 燾

（廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州510640）

汽車在行駛過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷加速和減速、路面情況的不斷變化，噪音不斷地通過(guò)車身構(gòu)件和車身縫隙的空氣傳入車內(nèi)。為了防止噪音的傳入，車身壁板在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)采取了消音措施[1]，如由車身結(jié)構(gòu)板、阻尼層（對(duì)約束阻尼結(jié)構(gòu)還包括約束層）等多層結(jié)構(gòu)組成。粘附阻尼層也可以提高車身壁板的吸聲與隔聲性能?？墒?，隨著車輛運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，其消音性能會(huì)逐漸下降。而通過(guò)分析多層板結(jié)構(gòu)的特性（層厚度、層數(shù)、空氣隙等）對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，還不能完整低解釋這種原因[2]，對(duì)于車身消音性能的恢復(fù)更提不出有效的方法。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，人們應(yīng)用有限元法、邊界元法[3]及統(tǒng)計(jì)能量法[4]等進(jìn)行了車身效應(yīng)的設(shè)計(jì)，而對(duì)于經(jīng)過(guò)一定時(shí)期運(yùn)行汽車的消音效能下降的分析涉足很少，本文根據(jù)車輛在運(yùn)行時(shí)期的隔音效果測(cè)試提出改進(jìn)隔音效果的措施。

1 車內(nèi)噪聲分析

應(yīng)用模態(tài)相似準(zhǔn)則[5]對(duì)SEA模型[6]施加聲載荷，測(cè)試駕駛員頭部聲子系統(tǒng)和后排乘員聲子系統(tǒng)的隔聲量，阻尼材料老化車身和加新阻尼材料車身的測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

由測(cè)試結(jié)果圖1所示可以看出，汽車的噪聲主要依靠車身的隔阻，車身噪聲阻尼材料的老化對(duì)于消除噪聲（450 Hz以上）確有作用，但不是主要的。在高于800 Hz的高頻階段，有阻尼車身的隔聲效果明顯好于阻尼材料老化車身，而在800 Hz以內(nèi)，故兩種情況下隔聲量沒(méi)有變化，此時(shí)有無(wú)阻尼，車身壁板的隔聲量均無(wú)太大變化，也反映出阻尼材料對(duì)高頻時(shí)聲處理的作用。

圖1 車身加阻尼前后車內(nèi)聲壓級(jí)比較[5]

當(dāng)計(jì)算出改變不同的阻尼層結(jié)構(gòu)厚度時(shí)[5]，不同材料組合相對(duì)于阻尼材料老化時(shí)車內(nèi)噪聲的變化如圖2所示。幾種不同阻尼層結(jié)構(gòu)組合，在駕駛員頭部聲學(xué)子系統(tǒng)和后排乘員子系統(tǒng)處計(jì)算得出的車身壁板隔聲量相對(duì)于阻尼材料老化車身的變化[7]（如圖2所示）。

圖2 阻尼層厚度不同組合時(shí)相對(duì)于阻尼材料老化車身的變化

由圖可以看出，在800 Hz以上時(shí)，隨阻尼層結(jié)構(gòu)厚度的變化，車身壁板的隔聲量有了明顯的改變，這也說(shuō)明，阻尼層結(jié)構(gòu)對(duì)中高頻的吸聲隔聲作用更為明顯。

2 車身的消音設(shè)計(jì)

車身壁板的阻尼層處理包括附加自由阻尼處理和約束阻尼處理，有些還在阻尼層間留有一定間隙的空氣層。自由阻尼結(jié)構(gòu)中車身結(jié)構(gòu)板為基板，在其上粘結(jié)阻尼層，在每個(gè)振動(dòng)周期中靠阻尼層的粘滯特性損耗振動(dòng)能量。約束阻尼結(jié)構(gòu)的最下與最上層分別為車身結(jié)構(gòu)板（基板）和約束層，中間為粘彈性阻尼層，在振動(dòng)中靠粘彈性阻尼層剪切應(yīng)變?cè)诿總€(gè)振動(dòng)周期中把基板的一部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能。本文主要對(duì)車頂棚、車地板及車門處的阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其中車頂與車門為具有空氣層的多層板結(jié)構(gòu)，車地板為三層約束阻尼結(jié)構(gòu)，其余壁板為兩層的自由阻尼結(jié)構(gòu)，車身壁板阻尼材料層與空氣層厚度的參數(shù)選取范圍如表1所示。

表1 阻尼材料層與空氣層厚度的取值[5]

由上述參數(shù)可知，車身的消音效果來(lái)源于消音設(shè)計(jì)，即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和噪聲阻尼材料的選用，那么由于車輛在運(yùn)行過(guò)程作用以及材料的不斷老化、污染，汽車的消音效果必然變差。

3 汽車運(yùn)行后對(duì)車身消音效果的影響

采用數(shù)值仿真方法可計(jì)算出多組隨阻尼層及空氣層厚度變化時(shí)對(duì)應(yīng)車內(nèi)兩個(gè)選定點(diǎn)的聲壓級(jí)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]方法可得到一組多輸入（多層板及空氣層厚度）對(duì)多輸出的非線性映射。對(duì)應(yīng)于每一頻率，通過(guò)對(duì)多輸入對(duì)多輸出的非線性函數(shù)求各變量的偏導(dǎo)即可得到在各頻率下設(shè)計(jì)變量對(duì)車內(nèi)聲壓的靈敏度。

通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入輸出的學(xué)習(xí)，可得到在各個(gè)頻率段下，車身壁板阻尼層厚度參數(shù)對(duì)車身壁板隔聲量的非線性映射，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值可獲得各輸出對(duì)應(yīng)輸入變量的映射函數(shù)。即輸入空間R5（5個(gè)設(shè)計(jì)變量）對(duì)輸出空間R3（3個(gè)頻率下的車身壁板隔聲量）的非線性映射函數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用三層結(jié)構(gòu)，輸入層節(jié)點(diǎn)為5，輸出層節(jié)點(diǎn)為3，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為2.另外，設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)率為0.1，學(xué)習(xí)次數(shù)500次，許可誤差0.000 01，此時(shí)檢驗(yàn)樣本輸出誤差均控制在5%以內(nèi)，達(dá)到滿意效果。

可求得在頻率為800 Hz、2 000 Hz以及10 000 Hz時(shí)，輸入變量相對(duì)于車身壁板隔聲量的非線性映射函數(shù)為

式中 S1，S2，S3分別表示在頻率為 800 Hz、2000 Hz以及10 000 Hz時(shí)的隔聲量映射函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值與閾值分別為

通過(guò)求映射函數(shù)對(duì)阻尼層結(jié)構(gòu)厚度參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)，可得到不同頻率下阻尼層結(jié)構(gòu)變量對(duì)車內(nèi)聲壓級(jí)的靈敏度，進(jìn)行歸一化處理后如圖3所示。

圖3 相對(duì)于各層厚度的歸一化聲－結(jié)構(gòu)靈敏度

圖3 所示說(shuō)明具有阻尼層和空氣層的車頂蓬的聲傳遞損失靈敏度是最高的。在800 Hz時(shí)，增加車頂裝飾層和空氣層的厚度有利于提高壁板隔聲性能。而在其他兩個(gè)頻率，二者的作用是相反的，即要想在同時(shí)改變車頂阻尼結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高隔聲性能，必須在增加車頂裝飾層厚度的同時(shí)減小車頂空氣層的厚度。對(duì)車底板及車門阻尼結(jié)構(gòu)，對(duì)車身壁板的隔聲量靈敏度較小，且車門空氣層對(duì)隔聲量的影響為負(fù)，即減小車門空氣層的厚度可提高壁板隔聲量。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）車身的密封是保障降低車內(nèi)噪音的主要條件，可是，隨著車輛的運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，車身結(jié)構(gòu)必然產(chǎn)生一定的變化，使車身的密封性能下降，因此及時(shí)地對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整復(fù)原，不僅僅有利于汽車的使用安全，還對(duì)消除車內(nèi)噪音有著直接的關(guān)系。

（2）車內(nèi)噪聲阻尼層的結(jié)構(gòu)、材料的形狀對(duì)消除噪聲均有直接影響，隨著汽車運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，其各方面都會(huì)產(chǎn)生變化，如由于灰塵，阻尼材料孔隙度的下降、阻尼材料的老化致使材料心能變化等。所以必須對(duì)車內(nèi)阻尼材料進(jìn)行定期清潔或采用其它恢復(fù)阻尼材料性能的措施。

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