整車NVH半消聲室設(shè)計(jì)淺析

黃靈河　黃月芹　秦軍旭　何森東　韋習(xí)文

摘 要：結(jié)合聲學(xué)理論和實(shí)際情況，介紹整車半消聲室土建設(shè)計(jì)方法和工藝，以及試驗(yàn)室底盤測功機(jī)選型及聲學(xué)指標(biāo)要求，也闡述了NVH試驗(yàn)室建設(shè)的隔振工藝及指標(biāo)。建成后的整車NVH半消聲室將縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、適應(yīng)新產(chǎn)品的開發(fā)需求及提升試驗(yàn)驗(yàn)證能力。

關(guān)鍵詞：消聲室;NVH試驗(yàn)室;隔振;底盤測功機(jī)

1 引言

在我國汽車工業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，客戶對汽車各方面的要求也日益提高。消費(fèi)者除了對汽車的安全性重視外，乘坐舒適性也正在成為消費(fèi)者日益關(guān)注的問題。NVH是指Noise（噪聲）、Vibration（振動(dòng)）和Harshness（聲振粗糙度）。為了滿足消費(fèi)者的需求，如今各大汽車主機(jī)廠，包括零部件供應(yīng)商，都更加重視NVH的投入與研發(fā)。在汽車NVH正向開發(fā)過程中，還要考慮研發(fā)周期性和保密性，建設(shè)整車NVH消聲室就顯得非常重要。而且NVH測試在室外測試容易受環(huán)境、場地、天氣等外界因素的影響，例如胎噪、風(fēng)噪等受外界環(huán)境因素非常大，造成測量精度低、數(shù)據(jù)一致性差等問題。

2 消聲室

2.1 整車消聲室

消聲室是指房間各邊界有效吸收入射聲，房間內(nèi)部形成自由聲場，并且房間要隔絕外界噪聲干擾，如圖1。消聲室又分為全消聲室和半消聲室。全消聲室是指房間每個(gè)面全鋪設(shè)吸聲材料，半消聲室是指不是所有面鋪設(shè)吸聲材料的。汽車在實(shí)際中是在水泥或者瀝青路面上行駛的，由于汽車行駛過程中輪胎與地面相互作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲通過輪胎-懸掛傳到車內(nèi)產(chǎn)生噪聲，要準(zhǔn)確研究汽車的這一聲學(xué)特性，需要汽車置于一個(gè)不受外界干擾的環(huán)境中。為了更精確模擬汽車在實(shí)際行駛過程對聲學(xué)的研究，汽車整車NVH試驗(yàn)適合采用半消聲室。為了盡可能減少外界對試驗(yàn)的影響，整車NVH半消聲室設(shè)計(jì)為內(nèi)外房雙層結(jié)構(gòu)，如圖2。

整車NVH半消聲室主要進(jìn)行整車噪聲、振動(dòng)等相關(guān)的聲學(xué)指標(biāo)的測量和調(diào)試。根據(jù)半消聲室的聲學(xué)指標(biāo)要求，盡量減少外界對被測對象的干涉，內(nèi)房及測試設(shè)備需要隔振降噪處理。

2.2 消聲室設(shè)計(jì)基本要求

首先，整車NVH半消聲室是有聲學(xué)法規(guī)要求的，這就需要在前期設(shè)計(jì)階段考慮好。在ISO3745、GB6882中提到，理想的噪聲測量環(huán)境是除了地面是反射面外，沒有其他反射面的半自由聲場。整車NVH半消聲室主要用于研究汽車加減速度、巡航、怠速工況及通過噪聲的研究。這就對整車消聲室內(nèi)的自由場有聲學(xué)尺寸要求。在ISO3745中消聲室體積算法，公式（1）所示：

V≥100Va（1）

式中：

V為消聲室體積;

Va為被測試對象的體積。

在通過噪聲試驗(yàn)中，被測物件要完全處于自由場內(nèi)。除了對尺寸要求外，消聲室應(yīng)該還有試驗(yàn)車運(yùn)行所需的底盤測功機(jī)、點(diǎn)冷系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、吸隔聲門、尾氣排放、照明、有害氣體檢測系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等，除了配備這些設(shè)備外，消聲室應(yīng)該還具有足夠低的背景噪聲[1]。

3 整車半消聲室設(shè)計(jì)及技術(shù)參數(shù)

3.1 試驗(yàn)室土建施工

在整車NVH消聲室施工過程中，由于其聲學(xué)特性的要求和土建聯(lián)系緊密，土建部分除了要達(dá)到土建施工要求外，還需要滿足消聲室聲學(xué)工藝要求，這樣對施工的每個(gè)環(huán)節(jié)都要清楚并且跟進(jìn)，避免返工和影響消聲室的聲學(xué)性能。

土建施工要求：

（1）整車NVH半消聲室建筑結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外房的形式，外房要求是剪力墻結(jié)構(gòu)形式，澆注外房剪力墻體時(shí)需要澆注密實(shí)，避免產(chǎn)生空鼓，內(nèi)房要求是實(shí)心墻磚形式，內(nèi)外房墻面需要用水泥抹灰，抹灰也要避免空鼓，保證墻的隔聲性能。

（2）為了盡可能減少外界條件對內(nèi)房的干擾，內(nèi)外房連接需做隔振處理，內(nèi)外房隔振處理方式有多種，用特殊棉隔振和彈簧隔振的方案較多，本案用彈簧隔振方案，如圖3所示。施工過程中確保內(nèi)外房無硬性連接，澆注內(nèi)房底板鋼梁前，檢查鋼梁焊接部位是否還有縫隙，避免在澆注混凝土?xí)r導(dǎo)致內(nèi)外房形成硬連接。

（3）鋪設(shè)內(nèi)房隔振路軌表面必須保證平面水平度，這樣才能確保路軌受力均勻，隔振性能才能達(dá)到目標(biāo)要求。

（4）消聲室艙頂隔聲層要做隔振處理，隔聲墻與艙頂工藝，如圖4。

除了上述施工工藝外，還要綜合考慮設(shè)備布局對消聲室聲學(xué)特性的影響。

3.2 消聲室吸聲要求

通常消聲室常用吸聲材料有兩種，尖劈和平板吸聲材料。尖劈是采用玻璃纖維填充的吸聲結(jié)構(gòu)，如圖5～6。其主要利用外形構(gòu)成阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)，當(dāng)聲波從尖劈尖端入射時(shí)，由于逐漸過渡的原因，吸收聲波的頻率是連續(xù)的。根據(jù)此原理，可采用不同容重的吸聲材料結(jié)構(gòu)構(gòu)成阻抗變化層。這種吸聲結(jié)構(gòu)簡化了尖劈制作的復(fù)雜工序，在表面附上保護(hù)層即可設(shè)計(jì)出較好的外觀效果。金屬尖劈除了滿足聲學(xué)性能要求外還應(yīng)有抗機(jī)械碰撞能力、抗腐蝕、防油污能力，并便于清潔與維護(hù)。

根據(jù)研究，吸聲尖劈的理論截止頻率約相當(dāng)于吸聲結(jié)構(gòu)長度為1/4波長的頻率。本案尖劈結(jié)構(gòu)長度達(dá)到1.45m（不包含空腔尺寸），如圖6所示，那么其理論截止頻率為：

式中為聲速，為截止頻率，為尖劈長度。

此結(jié)構(gòu)通過由權(quán)威部門按照ISO10534-1：1996 駐波管法測試的聲學(xué)測試，實(shí)際下限截止頻率可達(dá)到50Hz，如表1所示。

3.3 消聲室隔聲要求

隔聲字面意思就是要隔絕外界的聲音，阻止外界的噪聲傳入消聲室。消聲室采用內(nèi)外房雙層結(jié)構(gòu)以及內(nèi)外房之間掛吸聲材料也是提高其隔聲量的手段。在消聲室中，門的隔聲性能也是一個(gè)很重要的因素。一個(gè)好的隔聲門應(yīng)該具有良好的隔聲性能和最優(yōu)化的邊緣效應(yīng)。

除了結(jié)構(gòu)上采取隔聲外，門窗預(yù)留口、空調(diào)系統(tǒng)換風(fēng)口、尾排系統(tǒng)預(yù)留口以及穿線孔等處理也是關(guān)鍵，例如門安裝后，需對門四周進(jìn)行密封處理，避免漏聲。一般門窗的面積相對墻的面積小得多，所以門窗的透射損失要比墻的透射損失低。以單層墻為例：則包括門窗在內(nèi)的該墻的平均傳遞損失計(jì)算公式為：

設(shè)門的面積為，透射系數(shù)為;墻的面積為，透射系數(shù)為。

上式中，當(dāng)時(shí)，門窗的隔聲設(shè)計(jì)較為合理。由于門窗縫的處理較為困難，對于門的隔聲設(shè)計(jì)，采用的條件比較合理，即在滿足使用條件的情況下，開洞越小越好。隔聲門用單層隔聲量Rw57的雙開隔聲門，內(nèi)外門組成的通行門總隔聲量要求≥65dB，門縫應(yīng)填高密度磁性密封條，以保證隔聲性能。

3.4 消聲室隔振要求

低頻振動(dòng)和沖擊可以影響NVH試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。減振的目的是控制干擾，將干擾振動(dòng)的不利影響控制在可接受的范圍內(nèi)。

消聲室外界可能有其它振動(dòng)源會(huì)對NVH測試產(chǎn)生影響。為了防止外界的振動(dòng)傳遞到消聲室內(nèi)，內(nèi)外房做隔振處理，并且要求其共振頻率低于10Hz，隔振效率不低于95%。隔振效率E計(jì)算公式（1）如下：

（1）

式中，為傳遞效率，為干擾頻率， 為固有頻率，為阻尼比。

除了內(nèi)房需要隔振外，試驗(yàn)室內(nèi)房相關(guān)的設(shè)備也需要隔振處理，比如底盤測功機(jī)基座需要彈簧支撐，內(nèi)房空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)需要座式彈簧減震器隔振，過線孔及管道安裝需要安裝隔振裝置。

3.5 轉(zhuǎn)轂及噪聲要求

底盤測功機(jī)是半消聲室最重要的測試設(shè)備之一，其選型和噪聲指標(biāo)是影響測試準(zhǔn)確性關(guān)鍵因素。轉(zhuǎn)鼓有機(jī)械軸承和液壓軸承。機(jī)械軸承由于有滾珠、轉(zhuǎn)子等機(jī)械部件，會(huì)有階次產(chǎn)生，其階次根據(jù)機(jī)械軸承里有多少轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)珠或是轉(zhuǎn)軸而定。機(jī)械轉(zhuǎn)轂使用時(shí)間久容易產(chǎn)生異響，聲學(xué)性能難達(dá)到要求。液壓軸承式轉(zhuǎn)轂要配備有額外的液壓泵和泵房，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓啟動(dòng)時(shí)，需要先讓液壓系統(tǒng)啟動(dòng)，液壓軸承的液壓充足后，轉(zhuǎn)鼓再啟動(dòng)。這樣液壓軸承式轉(zhuǎn)轂就不會(huì)有機(jī)械軸承式轉(zhuǎn)轂問題，而且聲學(xué)性能容易達(dá)到目標(biāo)要求。

底盤測功機(jī)還需配備舉升式作業(yè)地坑升降平臺(tái)。平時(shí)試驗(yàn)時(shí)，有些測試需要在車輛運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，同時(shí)也可以對底盤進(jìn)行檢查維護(hù)。有舉升式作業(yè)地坑升降平臺(tái)，也會(huì)極度的增加工作安全性和便捷性。即便是測試初期傳感器布置，如果有舉升式作業(yè)地坑升降平臺(tái)，會(huì)方便很多，增加工作效率。

底盤測功機(jī)噪聲要求：消聲室本底噪聲控制指標(biāo)：只開空調(diào)時(shí)，噪聲≤30dB（A）;只開空調(diào)，轉(zhuǎn)鼓不帶可更換鼓面以穩(wěn)定速度空轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)鼓沿軸線外側(cè)距離1米，距離轉(zhuǎn)鼓最高點(diǎn)高度1米處測量。滿足表2要求：

為保證測量準(zhǔn)確，半消聲室本底噪聲應(yīng)低于被測物噪聲10dB（A）以上。根據(jù)汽車噪聲試驗(yàn)的實(shí)際需要，消聲室本底噪聲按要求，室內(nèi)所有設(shè)備關(guān)閉：≤20dB（A）;普通通風(fēng)模式：≤25dB（A）;50%風(fēng)量通風(fēng)模式：≤30dB（A）;100%風(fēng)量通風(fēng)模式：≤45dB（A）。

4 消聲室聲學(xué)鑒定

4.1 自由場鑒定

本案試驗(yàn)室凈空間尺寸為：25m×20m×6.8m（長×寬×高），自由聲場尺寸為：22m×17m×5.3m（長×寬×高），可保證室內(nèi)通過噪聲試驗(yàn)系統(tǒng)的所有傳聲器均處于自由場中;

參照ISO3745—2003附錄A[2]和GB/T6882—2016《聲學(xué)聲壓法測定噪聲源聲功率級和聲能量級消聲室和半消聲室精密法》附錄A[3]和JJF1147—2006《消聲室和半消聲室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范》[4]的要求，對自由場半徑進(jìn)行鑒定。

在半消聲室地面中心放置指向性聲源，并以此為中心點(diǎn)，測試5條軌線，其中T1-T5為ISO 3745-2003所規(guī)定的5條基本軌線，從聲源位置到房間角落頂部。對于整車通過噪聲半消聲室，在滿足自由場長度≥22米，寬度≥17米的同時(shí)，自由場范圍同時(shí)覆蓋室內(nèi)通過噪聲試驗(yàn)傳聲器陣列。測試軌線通過試驗(yàn)室1/4區(qū)域內(nèi)室內(nèi)通過噪聲試驗(yàn)各傳聲器，如圖7所示。（圖中傳聲器數(shù)量僅作示意）。

每條軌線上測量點(diǎn)的位置從距離聲源0.5米開始到軌線結(jié)束，測量點(diǎn)間隔0.1米。采用單頻信號檢測，每個(gè)1/3倍頻程帶寬內(nèi)隨機(jī)抽取頻率作為檢測信號頻率，可根據(jù)需要增加測量軌線的數(shù)量，校準(zhǔn)曲線如圖8。該誤差在自由場半徑內(nèi)應(yīng)滿足表3要求：

5 結(jié)束

整車通過噪聲半消聲室建成后，可為各類轎車、微型客車、皮卡、SUV、輕卡等車型進(jìn)行整車內(nèi)、外部噪聲測試分析，室內(nèi)通過噪聲測試分析及噪聲源貢獻(xiàn)量分析，進(jìn)排氣振動(dòng)噪聲分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化，動(dòng)力總成及傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的分析及優(yōu)化，振動(dòng)噪聲傳遞路徑分析，車內(nèi)聲品質(zhì)優(yōu)化，道路噪聲降噪優(yōu)化、工作變形/實(shí)時(shí)模態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)分析等，為產(chǎn)品的開發(fā)、評價(jià)、診斷及改進(jìn)提供服務(wù)。提升了產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量和效率，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

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