等效輻射聲功率分析方法在控制車內(nèi)低中頻噪聲中的應(yīng)用

錢凱 馬廣團 張凡 薛順達(dá)

摘? 要：為解決汽車車內(nèi)低中頻噪聲對駕駛員及乘客的乘坐舒適性問題，以某SUV汽車作為研究對象，以等效輻射聲功率（ERP）理論為基礎(chǔ)，利用有限元數(shù)值仿真技術(shù)，分析在Trim Body（TB）車身硬點連接處施加三向振動加速度進(jìn)行模態(tài)頻率響應(yīng)分析，根據(jù)車身ERP的響應(yīng)，在車身前圍板、前地板、后地板、后輪罩及車身頂蓋，合理的布置阻尼貼片。最后，通過對比有無阻尼貼片狀態(tài)下的駕駛員及后排乘客的輻射聲功率及噪聲傳遞函數(shù)（NTF），分析結(jié)果表明：增加阻尼貼片的輻射聲功率在200-400Hz最大能降低4dB（A），同時NTF較優(yōu)化前在100Hz-300Hz有3-5dB的降低，在300-400Hz有最大將近10dB的降幅，優(yōu)化效果較為理想，為解決車內(nèi)噪聲中低頻聲品質(zhì)問題提供了優(yōu)化思路及方向。

關(guān)鍵詞：等效輻射聲功率;模態(tài)頻率響應(yīng);噪聲傳遞函數(shù);聲品質(zhì)

中圖分類號：U463.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2020）03-0041-07

Abstract： In order to solve the drivers and passengers comfort problems of low-middle noise in vehicles， a SUV vehicle was taken as the research object， and the equivalent radiation acoustic power （ERP） theory was used as the basis to analyze the finite element numerical simulation technology. Forced modal frequency response analysis is performed by applying a three-positions vibration excitation at the hard points which connection of the Trim Body （TB） body. According to the response of the body ERP， Reasonable layout of damping patches in the front panel， front floor， rear floor， rear wheel cover， and roof cover. Finally， with the damp patches， between the 200-400Hz， the ERP values have about 5 dB（A） reduced， at the same， by comparing the noise transfer function （NTF） of the driver and rear passengers， the optimization schemes show that， NTF result with damp patches is reduced by 3-5dB from 100Hz to 300Hz， and about 10dB drop between 300-400Hz， and the optimization schemes are useful. It have provides optimization schemes for solving those problems of low-middle frequency sound quality in interior noise.

1? ? 引言

目前隨著電動汽車在國內(nèi)的迅速發(fā)展，在滿足電動車的續(xù)航能力及整車開發(fā)成本的前提下，車內(nèi)噪聲問題直接影響著產(chǎn)品的競爭力。在整車開發(fā)后期，整車模具及工藝基本確定的狀態(tài)下，如何在保證整車輕量化及續(xù)航的前提下，如何降低車內(nèi)的中低頻噪聲問題已至關(guān)重要。

南車電力機車劉厚林利用輻射聲功率技術(shù)，對城軌車輛的結(jié)構(gòu)進(jìn)行起筋及鋪設(shè)阻尼貼片技術(shù)設(shè)計，有效的降低了車內(nèi)噪聲[1];趙偉豐搭建時域弱耦合傳遞路徑分析模型，利用路徑貢獻(xiàn)量識別技術(shù)，識別出后縱臂為車內(nèi)噪聲的主要傳遞路徑，最后通過優(yōu)化后縱臂襯套剛度，高效的解決了車內(nèi)路噪問題[2];趙春針對某SUV在粗糙路面行駛時車內(nèi)噪聲偏大的問題，實車采集車輛輪心載荷并建立整車有限元模型，主要對200Hz以內(nèi)的低頻噪聲進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，使車內(nèi)噪聲值達(dá)到目標(biāo)要求[3];國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心嚴(yán)輝利用傳遞路徑的手段，通過優(yōu)化前圍及前風(fēng)擋玻璃支撐剛度，有效的解決了高轉(zhuǎn)速工況下的車內(nèi)轟鳴問題[4]。

本文主要針對整車開發(fā)后期，在開發(fā)模具及工藝已經(jīng)完全確定的狀態(tài)下，在不增加開發(fā)成本及保證輕量化的前提下，利用等效輻射聲功率技術(shù)手段，降低車內(nèi)的中低頻噪聲。首先利用等效輻射聲功率技術(shù)，在Trim Body的連接硬點處，施加單位力的激勵，進(jìn)行強迫模態(tài)頻率響應(yīng)分析，確定車前圍板、前地板、后地板、輪罩及頂蓋等位置的聲功率較大的位置，并在相應(yīng)的位置鋪設(shè)阻尼貼片，并完成聲功率的計算及噪聲傳遞函數(shù)計算，分析結(jié)果表明：在100-300Hz及300-400Hz范圍內(nèi)，等效輻射聲功率（ERP）及噪聲傳遞函數(shù)（NTF）值都有較大的降低。

1? ? 輻射聲功率的基本理論

1.1? ?平板結(jié)構(gòu)的輻射聲功率基本理論

下面以一平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行基本理論描述，平板在外界激勵下，板件產(chǎn)生法向振動位移? ? ，板件的振動速度為? ? ?，具體的輻射聲功率公式如下[5]：

1.2? ?平板結(jié)構(gòu)的輻射聲功率計算

下面以一簡單平板結(jié)構(gòu)為例，分析其在加筋以及鋪設(shè)阻尼貼片兩種方案的輻射聲功率變化情況，板的長為100mm，寬為100mm，板厚為0.8mm，四個邊角進(jìn)行固定，在一邊施加1N的單位法向力，圖1、2、3分別為原方案，起筋方案以及鋪設(shè)阻尼貼片方案，具體方案如下：

圖4為原狀態(tài)、起筋及鋪設(shè)阻尼貼片方案輻射聲功率對比從對比結(jié)果可以得出：起筋和鋪設(shè)阻尼貼片都能有效的降低板件的輻射聲功率，但兩者在原理上卻有所不同。起筋為增加了板件的剛度從而提升和改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，降低了板件的法向振動速度，從而降低了板件的輻射聲功率，鋪設(shè)阻尼貼片是通過附加阻尼，降低在共振頻率處的峰值，從而降低了板件的輻射聲功率。

所以在工程上，通過加加強筋以及鋪設(shè)阻尼貼片都能有效的降低結(jié)構(gòu)的輻射聲功率，本文主要是在考慮整車開發(fā)后期，結(jié)構(gòu)模具已經(jīng)開發(fā)完畢的情況下，鋪設(shè)阻尼貼片是目前比較有效的方法。

2? ? 帶內(nèi)外飾車身（TB）的分析模型

帶內(nèi)飾車身具體是指整車去除動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)，只留下白車身、擋風(fēng)玻璃、前后車門、機艙蓋、尾門、儀表板、前后翼子板、左右側(cè)圍、動力電池和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等部分組成的車身。圖5為某SUV模型。

2.1? ?TB車身的輻射聲功率計算

2.1.1 TB車身連接硬點描述

由于主要分析整車在勻速車速行駛時的車內(nèi)噪聲，所以計算輻射聲功率的加載點為：1001-左前擺臂安裝點;1002-前擺臂右前安裝點;1003-前擺臂左后安裝點;1004-前擺臂右后安裝點;1005-左前減振器座;1006-右前減振器座;1007-左后拖曳臂安裝點;1008-右后拖曳臂安裝點;1009-左后彈簧安裝點;1010-右后彈簧安裝點;1011-左后減振器安裝點;1012-右后減振器安裝點，并未考慮動力總成激勵點以及排氣掛鉤安裝點等。主要原因是大量的實車測試結(jié)果顯示，勻速工況下，前后擺臂及前后懸安裝點對車內(nèi)噪聲起主要貢獻(xiàn)作用。

2.1.2 激勵點載荷獲得

開發(fā)車型目前還沒有量產(chǎn)，根據(jù)對前期的雜合車進(jìn)行道路測試，車速為60Km/h，普通的水泥路面，在前后減振器座及后彈簧座布置加速度傳感器，測試的加速度數(shù)據(jù)如圖7：

通過對市場上開發(fā)的車型進(jìn)行對標(biāo)及經(jīng)驗積累，本論文主要考慮在前圍板、前地板、后地板、中通道、左右輪罩以及頂蓋鋪設(shè)阻尼貼片，所以這里也主要計算這幾個部件的輻射聲功率，這里將雜合車連接硬點的振動加速度作為激勵載荷，同時考慮相位信息，計算頻率范圍為50-400Hz，計算步長為1Hz，計算完之后，再對輻射聲功率進(jìn)行線性疊加，疊加的結(jié)果如下圖8：

圖8中，紅色區(qū)域為輻射聲功率較大的區(qū)域位置，該區(qū)域在路面激勵下，較為容易產(chǎn)生較大的輻射噪聲，從而影響到駕駛員及乘客的舒適性。

2.2? ?TB車身的阻尼貼片的位置確定

根據(jù)圖8的分析結(jié)果，下面別對前圍板、前地板、中通道、后地板、后輪罩及頂蓋的阻尼貼片進(jìn)行位置的確定，具體分析如下：

（1）在加載點的強迫模態(tài)頻率響應(yīng)作用下，前圍板輻射聲功率較大的區(qū)域主要分布在前圍板中間及兩側(cè)區(qū)域，針對此區(qū)域鋪設(shè)了4處厚度為3mm的阻尼貼片，具體區(qū)域見圖9：

（2）前地板與中通道為一整體，面積較大，在外界激勵下，很容易產(chǎn)生輻射噪聲，所以在產(chǎn)品開發(fā)前期，一般要求前地板一階固有頻率至少控制在70Hz以上，前地板射聲功率較大的區(qū)域主要集中在駕駛員及副駕駛員腳踩踏處，中通道主要集中在靠中通道前端部分，地板后端區(qū)域分布較為分散，針對此區(qū)域鋪設(shè)了9處厚度為3mm的阻尼貼片，具體區(qū)域見圖10：

（3）后地板與前地板同樣是較大的薄板結(jié)構(gòu)，一般要求此處的模態(tài)控制在70Hz以上，同時也要避開聲腔的一階Z向模態(tài)，從而防止產(chǎn)生轟鳴而影響到乘客的乘坐舒適性。后地板的輻射聲功率主要集中在后排座椅下面及后地板尾部，正對此區(qū)域鋪設(shè)了2處厚度為3mm的阻尼貼片，具體區(qū)域見圖11：

（4）后輪罩結(jié)構(gòu)較小，一般剛度及模態(tài)都比較高，理論上可以考慮不鋪設(shè)阻尼貼片，但參考競品車型以及考慮到后輪的胎噪，這里在輻射聲功率較為集中的位置左右各鋪設(shè)了1塊3mm的阻尼貼片，來提升乘客的乘坐舒適性，具體的區(qū)域見圖12：

（5）頂蓋作為整車?yán)锩孀畲蟮陌寮Y(jié)構(gòu)，同時也是外觀結(jié)構(gòu)，很難進(jìn)行起筋或者其它的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，一般設(shè)計時主要在下面增加頂蓋橫梁，增加頂蓋的剛度，但在電動車開發(fā)過程中，增加頂蓋橫梁意味著增加開發(fā)成本以及整車重量，在電動車開發(fā)過程中，鋪設(shè)阻尼貼片能很好的解決輕量化及聲輻射問題。本論文中頂蓋輻射聲功率較大的位置主要集中在靠近前頂橫梁及后頂蓋橫梁兩個位置，所以這里鋪設(shè)了4處厚度為3mm的阻尼貼片，具體的區(qū)域見圖13：

3? ? 優(yōu)化結(jié)果對比

通過分析結(jié)果，車身總共鋪設(shè)了22塊大小不一的阻尼貼片，對鋪設(shè)阻尼貼片的TRIM Body進(jìn)行輻射聲功率和噪聲傳遞函數(shù)分析（NTF），具體的分析結(jié)果如下：

3.1? ?聲功率結(jié)果對比

圖14為有無阻尼貼片對輻射聲功率的影響結(jié)果，通過曲線對比可以得出如下結(jié)論：

（1）在100-200Hz的頻率范圍之內(nèi)，鋪設(shè)阻尼貼片在104Hz、125Hz、142Hz、160Hz以及183Hz這幾個峰值，能有效的降低車身的輻射聲功率值1-2dB（A）。

（2）在200-400Hz整個寬頻帶之間，車身輻射聲功率最大能降低4dB（A），最小能降低1dB（A）左右，效果比較明顯。

（3）鋪設(shè)阻尼貼片能有效的降低低頻及中頻的輻射聲功率幅值，對中頻的較寬頻段降低輻射聲功率能起了一個很好的抑制作用。

3.2? ?噪聲傳遞函數(shù)（NTF）結(jié)果對比

噪聲傳遞函數(shù)作為考查底盤硬點在單位激勵力下，車內(nèi)駕駛員及乘客人耳處對聲音的靈敏程度的一個重要的考量指標(biāo)，控制好噪聲傳遞函數(shù)的幅值，就能夠有效的控制路噪，這里重點分析鋪設(shè)阻尼貼片對NTF的影響。由于整車硬點數(shù)量比較多，同時考慮到車身結(jié)構(gòu)基本上左右對稱的情況，這里只考慮左側(cè)硬點的NTF結(jié)果，具體的分析結(jié)論如下：

（1）圖15、16為擺臂安裝點到車內(nèi)的噪聲傳遞函數(shù)結(jié)果，擺臂作為車輪與車身的連接件，提升該處的NTF性能能夠有效的優(yōu)化車內(nèi)噪聲，在100-150Hz、200-250Hz及325-400Hz范圍內(nèi)，NTF幅值能夠有效的降低3-4dB。

（2）圖17為前減振器總成安裝點到車內(nèi)的噪聲傳遞函數(shù)結(jié)果，在100-150Hz及180-400Hz整個區(qū)間范圍內(nèi)，鋪設(shè)阻尼貼片的方案較無貼片的方案整體NTF幅值都有較為明顯的性能提升，降低幅值最大能達(dá)到10dB左右，效果較為明顯。

（3）圖18、19為后彈簧座及后阻尼器安裝點到車內(nèi)的噪聲傳遞函數(shù)結(jié)果，在120Hz及220Hz左右，鋪設(shè)阻尼貼片較無阻尼片方案有將近2dB左右的降低，在300-400Hz之間，也有1-3dB的降低。

（4）圖20為后拖曳臂安裝點到車內(nèi)的噪聲傳遞函數(shù)結(jié)果，在120Hz左右，鋪設(shè)阻尼貼片較無阻尼片方案有將近2dB左右的降低，在200-260Hz之間，也有1-7dB的降低，整體效果相當(dāng)明顯。

4? ? 結(jié)論

本文以某SUV汽車為分析對象，利用輻射聲功率理論，以前圍板、前地板、后地板、后輪罩及頂蓋作為鋪設(shè)阻尼貼片的對象，結(jié)合分析結(jié)果，針對性的在這些對象的具體位置合理的布置阻尼貼片，形成了可實現(xiàn)的，基于單位力激勵的噪聲的優(yōu)化流程，同時以輻射聲功率及噪聲傳遞函數(shù)作為評價，并有相應(yīng)結(jié)論如下：

（1）針對簡單的平板結(jié)構(gòu)，利用輻射聲功率理論，鋪設(shè)阻尼貼片能夠有效的降低結(jié)構(gòu)的輻射聲功率。

（2）利用輻射聲功率理論，可以快速的識別出車身結(jié)構(gòu)潛在的鋪設(shè)阻尼貼片的位置及大小，大大提升了優(yōu)化的工作效率。

（3）在前圍板、前地板、后地板、后輪罩及頂蓋合理的鋪設(shè)阻尼貼片，能有效的降低低頻及中頻的輻射聲功率幅值。

（4）在前圍板、前地板、后地板、后輪罩及頂蓋合理的鋪設(shè)阻尼貼片，能有效的降低低頻及中頻的噪聲傳遞函數(shù)幅值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉厚林，郭海洋，唐勇軍.不銹鋼城軌車輛薄板結(jié)構(gòu)輻射聲功率優(yōu)化分析[J].電力機車與城軌車輛2011（01）：9-24.

[2]趙偉豐，王文彬，周浩東.車內(nèi)低頻噪聲問題的分析與控制[J].噪聲與振動控制，2019（03）：142-146.

[3]趙春，邢玉濤，王弘巖. 路面激勵下車內(nèi)噪聲改善方法[J]. 汽車電器，2018（07）：30-33.

[4]嚴(yán)輝，宋飛，王成，陳林. 基于傳遞路徑的車內(nèi)轟鳴聲解析與優(yōu)化[J].汽車科技，2017（04）：30-34.

[5]孫勇敢，黎勝，包振明.彈性邊界條件下彈性基礎(chǔ)加筋板聲輻射特性研究[J].噪聲與振動控制，2019（01）：16-23.