基于SEA的前圍隔音量仿真與試驗(yàn)對標(biāo)分析

周權(quán) 黃祚華 李星

摘要：本文進(jìn)行了多款平板隔音墊和某車型前圍隔音墊的隔聲窗試驗(yàn)，得到了各隔音墊的隔音量試驗(yàn)結(jié)果。并通過統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行了各隔音墊樣件的SEA建模、仿真分析和對標(biāo)工作，分析了泄露、隔音墊反裝等各種上況等對于前圍隔音的影響。驗(yàn)證了仿真分析方法的準(zhǔn)確性和有效性，為車身前圍隔音墊的綜合性選擇提供了數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：SEA;隔音墊;隔聲窗;對標(biāo)

1引言

車身NVH性能作為車輛整體NVH性能的一部分，對于實(shí)現(xiàn)整體NVH性能達(dá)標(biāo)非常關(guān)鍵。目前國內(nèi)各主要主機(jī)廠在車身結(jié)構(gòu)NVH力而的技術(shù)水平相差小大，而在車身中高頻NVH技術(shù)方面卻差別明顯。車身低頻結(jié)構(gòu)噪聲通過車身結(jié)構(gòu)本體傳播，可以通過改變車身剛度、阻尼和質(zhì)量等方式進(jìn)行優(yōu)化，而車輛中高頻噪聲主要是空氣傳播噪聲，主要通過吸隔音的方式進(jìn)行優(yōu)化^[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲是典型的中高頻噪聲，也是車輛上最大的噪聲源，因此車身前圍及隔音墊的設(shè)計(jì)對于降低車內(nèi)噪聲水平非常重要。雖然通過試驗(yàn)可以得到隔音墊的隔聲量，但足這種后期的試驗(yàn)結(jié)果很難指導(dǎo)隔音墊的前期設(shè)計(jì)工作，前期的設(shè)計(jì)往往具有很大的盲目性和效果的不確定性^[2]。通過SEA仿真預(yù)測技術(shù)可以很好的進(jìn)行隔音墊鋪層材料的選擇、各層材料順序和厚度的確定、設(shè)計(jì)結(jié)果的達(dá)標(biāo)性預(yù)測等工作，從而在車型開發(fā)的早期就進(jìn)行前圍隔音墊的設(shè)計(jì)，避免后期隔音量不達(dá)標(biāo)的情況。本文對某車型前圍隔音摯進(jìn)行SEA建模和仿真分析，并與隔聲窗試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對標(biāo)，驗(yàn)證建模的準(zhǔn)確性，同時(shí)針對前圍仿真結(jié)果及其影響因素進(jìn)行了一系列的研究和探討。

2隔音墊隔音量試驗(yàn)

2.1隔聲系統(tǒng)介紹

隔聲量試驗(yàn)采用PSA所制作的小型隔聲箱進(jìn)行。在進(jìn)行大量的分析和反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用圖l的測量結(jié)構(gòu)^[3]。小隔音箱由上、下兩個(gè)箱體組成，上箱體的尺寸為1m×1m×1m，5個(gè)壁面，通過特殊的吸音材料和結(jié)構(gòu)的密封處理，近似消聲室;下箱體的尺寸為1m×1m×0.7m，5個(gè)壁面均為一定厚度的水泥，為混響室;上、下兩個(gè)箱體之間用厚度為0.77mm的鋼板隔開，作為參考測試件，被測對象置于其上;在下箱體中有按一定位置布局的4個(gè)高音喇叭、9個(gè)低音喇叭作為聲源，保證聲源在[250Hz，10000Hz]的范圍內(nèi)有足夠的發(fā)聲聲功率。通過特殊的隔音和密封處理，聲源發(fā)出的聲音，只能透過被測樣件傳到測量室;傳到上箱體中噪聲被按一定位置布局的4個(gè)傳聲器接收;通過圖l所示的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，將實(shí)際被測件和參考測試件接收端聲壓級(jí)的差值來計(jì)算隔音量。

2.2平直隔音墊的選取

選取了四家不同供應(yīng)商所提供的共15種典型的前圍隔音墊進(jìn)行基于小隔聲箱的隔音音試驗(yàn)，這些隔音墊的材料組成包含了PET、EVA、PU發(fā)泡、雙組份棉、硬氈、軟氈、PE膜等各種常見材料。因小隔聲箱尺寸限制，將所有隔音墊制作并切割成700mmx700mm規(guī)格的均勻厚度平直件，以減少試驗(yàn)和仿真的難度及不確定性，方便仿真模型的調(diào)試，增加對標(biāo)結(jié)果的一致性。選取的隔音墊材料組成及厚度等信息如下表l所示。

2.3隔聲量試驗(yàn)

在小隔聲箱中對隔音墊進(jìn)行了隔聲最試驗(yàn)，對小混響室中聲壓進(jìn)行了測量，以確定聲能量是否滿足進(jìn)行隔聲量試驗(yàn)的條件。小混響室中測量聲壓如圖3所示：

通過圖中混響室聲壓曲線可以看出，雖然在1000-2000Hz頻率范圍出現(xiàn)了聲壓波動(dòng)，但是在試驗(yàn)全頻段范圍之內(nèi)，總體聲壓始終維持在lOOdB以上，且未出現(xiàn)急劇的聲衰減現(xiàn)象。由此可以判斷，混響室巾的聲壓狀態(tài)滿足基本試驗(yàn)要求。

對以上隔音墊進(jìn)行隔聲量試驗(yàn)，并通過隔聲量計(jì)算公式對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，得到各前圍隔音墊的試驗(yàn)隔聲量結(jié)果。隔聲量計(jì)算公式如下式

其中P表示測點(diǎn)處聲壓，A表示被測件面積，表示空氣密度，c表示聲速^[4]。

在進(jìn)行隔音墊隔聲量計(jì)算時(shí)，需要得到隔聲墊單獨(dú)的隔聲量結(jié)果，因此需減去鋼板的隔聲量結(jié)果。單獨(dú)隔音墊隔音量汁算公式如下。

由于對于小隔聲箱來說，小混響室和消聲室的被測件而積相同，因此聲功率之比等于聲壓之比，因此隔聲量公式可以轉(zhuǎn)化為式（6）中的形式。

通過隔聲量試驗(yàn)和公式計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化，得到以上符種平直前圍隔音墊的隔聲量結(jié)果。

通過以上比較可以看出，所選的隔音墊面密度越大，隔聲量效果越好。試驗(yàn)結(jié)果滿足隔聲量質(zhì)量定律。

由上圖5試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在質(zhì)量相差不大的情況下，雙組份棉的吸音效果優(yōu)于PU發(fā)泡。

3 隔音墊SEA仿真

3.1平直鋼板隔音量仿真及精確化

采用FEM和SEA混合建模及仿真分析方法進(jìn)行隔音墊的隔聲量仿真分析。通過有限元計(jì)算得到平直鋼板件50-1000Hz的模態(tài)位移結(jié)果，并導(dǎo)人到聲學(xué)包仿真計(jì)算軟件中進(jìn)行子系統(tǒng)自動(dòng)劃分。由于該板件厚度和尺寸均勻，因此整塊板件模態(tài)密度一致，將其劃分為一個(gè)子系統(tǒng)即可。同時(shí)根據(jù)小隔聲窗的尺寸和特性模擬構(gòu)建半消聲室聲腔了系統(tǒng)和混響室子系統(tǒng)，并與鋼板進(jìn)行子系統(tǒng)的連接。消聲室、混響室、鋼板什的子系統(tǒng)連接SEA模型如下圖6所示：

子系統(tǒng)劃分完成后，通過進(jìn)行子系統(tǒng)的仿真模態(tài)密度與理論計(jì)算模態(tài)密度以及波數(shù)對比、確定子系統(tǒng)尺寸及劃分方法的合理性。子系統(tǒng)模態(tài)密度理論計(jì)算公式為：

其中S表示子系統(tǒng)面積，C_L表示子系統(tǒng)中的縱向波速度，t表示子系統(tǒng)厚度^[5]。

仿真計(jì)算和理論計(jì)算的模態(tài)密度、波數(shù)（1/3倍頻程）對比曲線如下圖7、圖8所示：

通過模態(tài)密度曲線對比可以看出，在有限元計(jì)算頻率范圍內(nèi)（50-1000Hz），仿真計(jì)算結(jié)果曲線在理論公式計(jì)算結(jié)果附近波動(dòng);而在多尺度虛擬SEA頻率范圍內(nèi)，仿真計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果幾乎重合，驗(yàn)證了子系統(tǒng)劃分和尺寸劃分的準(zhǔn)確性。

同時(shí)通過對子系統(tǒng)劃分性能評(píng)價(jià)參數(shù)曲線也可以評(píng)判子系統(tǒng)劃分的合理性，評(píng)價(jià)參數(shù)曲線如下圖9所示：

其中最重要的是s/s這個(gè)參數(shù)。通過查看三條曲線，選取曲線突變下降處頻率為過渡頻率的截止頻率，起始頻率選取這個(gè)截止頻率之前最接近的三分之一倍頻程中心頻率。也就是說在該三分之一頻段內(nèi)，只有這一段是可以用來創(chuàng)建子系統(tǒng)的，其后面的頻率段因?yàn)闆]有完全計(jì)算到后面的Fmax而無法得到準(zhǔn)確的模態(tài)信息而不可用。

由于在進(jìn)行小隔聲窗隔音試驗(yàn)時(shí)，未單獨(dú)進(jìn)行參考鋼板本身的隔聲景試驗(yàn)，鋼板的隔聲最仿真分析結(jié)果同板件理論隔聲量結(jié)果進(jìn)行了對比，由于板件是比較規(guī)則的平直鋼板，因此仿真結(jié)果與理論結(jié)果的對比吻合度可以很好地反映仿真建模的精確度。單壁板隔聲量理論公式如下所示。

Tl= 201og（mf）-47dB （9）

其中m表示板件面密度，f表示頻率。

二者對比結(jié)果如下圖10所示。可以看出，無論是在較低頻率范圍，還是在中高頻范圍，仿真隔聲景與理論隔聲量吻合度很好，驗(yàn)證了鋼板隔音量仿真模型精確性。

3.2 隔聲量仿真與試驗(yàn)對標(biāo)

構(gòu)建鋼板什與所選隔音墊組合的SEA仿真分析模型，并進(jìn)行隔音量仿真分析。對分析數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到各型隔音摯的仿真隔音量。

由上圖14可以看出，各型隔音墊仿真與試驗(yàn)結(jié)果對標(biāo)較好，對標(biāo)曲線走勢一致，且中高頻對標(biāo)誤差基本保持在3-5dB范圍之內(nèi)。

由圖15可以看出，隔音墊D5的仿真與試驗(yàn)對標(biāo)走勢一致，在1250Hz頻率范圍內(nèi)，無論是試驗(yàn)還是仿真結(jié)果都表明隔音量非常小，在1250Hz以上，隔音墊的吸聲功能有所體現(xiàn)，隔聲量迅速增加。

為考察中間PE膜對隔聲性能的影響，將D6隔音墊的巾問PE膜由0.3mm增加到0.5mm，對兩種不同厚度PE膜隔音墊的隔聲量進(jìn)行了仿真和對比，對比結(jié)果如卜圖16所示。由圖可以看出，中間PE膜的厚度對隔音墊的隔聲量影響很大，特別是在1000Hz以上中高頻。

對隔音墊D5，在進(jìn)行隔音量仿真試驗(yàn)對標(biāo)的基礎(chǔ)上，將EVA和纖維層進(jìn)行了反裝，模擬隔音摯在車身前圍反裝的工況。通過仿真分析結(jié)果可以看出，將隔音墊反裝后，隔音墊隔聲量在全頻段急劇下降，隔聲性能大大降低。由此可以看出，隔音墊設(shè)計(jì)過程中，中涂層和彈性層的分層鋪設(shè)以及參數(shù)設(shè)計(jì)非常重要，同時(shí)隔音墊的安裝也對隔聲量有很火影響。

4 結(jié)語

在不考慮工裝實(shí)際水平的情況下，平直隔音墊的仿真和試驗(yàn)結(jié)與實(shí)際隔音墊的隔聲量是具有很好地一致性的，因此通過考察平直隔音摯隔音量對于實(shí)際隔音墊的選取具有很強(qiáng)的參考價(jià)值。隔音量較好的隔音墊，如果在工裝過程巾進(jìn)行很好的控制，其隔音效果會(huì)與仿真結(jié)果具有較好的一致性。

同時(shí)，進(jìn)行聲學(xué)包仿真分析，除了需要豐富的理論知識(shí)和成熟的仿真技術(shù)之外，還需要進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，這些儲(chǔ)備主要包括材料微觀參數(shù)數(shù)據(jù)庫、材料吸聲系數(shù)和隔聲量數(shù)據(jù)庫、競品車整車及部件的吸隔音數(shù)據(jù)、各種吸隔聲材料的重量、成本數(shù)據(jù)庫。只有具備了以上方面的數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)備，才能較好的丌展聲學(xué)包仿真工作，從而很好的為車型NVH性能正向開發(fā)服務(wù)。

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