汽車室內(nèi)噪聲設(shè)計進展及發(fā)展趨勢研究

張守元，楊良會，梁耕龍，辛　雨

（北京新能源汽車股份有限公司，北京　102606）

Zhang Shouyuan，Yang Lianghui，Liang Genglong，Xin Yu

汽車室內(nèi)噪聲設(shè)計進展及發(fā)展趨勢研究

張守元，楊良會，梁耕龍，辛雨

（北京新能源汽車股份有限公司，北京102606）

Zhang Shouyuan，Yang Lianghui，Liang Genglong，Xin Yu

摘要：汽車NVH（Noise，Vibration & Harshness）性能水平已成為衡量汽車品質(zhì)的重要指標，文中總結(jié)了當代汽車NVH設(shè)計方法并重點敘述了汽車室內(nèi)噪聲設(shè)計的最新技術(shù)進展，討論了當今環(huán)境保護對汽車設(shè)計的影響，預(yù)測了NVH技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：汽車；NVH；最新進展；發(fā)展趨勢

0　引言

當今消費者對汽車振動噪聲水平更加敏感并將其作為衡量整車品質(zhì)的重要標志，為滿足市場需求，過去10年中轎車室內(nèi)噪聲水平平均下降10 dBA[1]。在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，車室內(nèi)遠程通訊和語音識別系統(tǒng)的應(yīng)用對車內(nèi)噪聲水平提出更高的要求，最近工程技術(shù)的進步和新材料的不斷出現(xiàn)為噪聲控制提供了新的解決方案。文中重點敘述了室內(nèi)噪聲控制方法和室內(nèi)聲學(xué)材料工程應(yīng)用的最新進展，總結(jié)了近年來室內(nèi)噪聲設(shè)計方法的研究成果及其應(yīng)用，預(yù)測了NVH技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

1　室內(nèi)噪聲控制

車輛振動噪聲控制必須貫穿于整車研發(fā)過程而不能依靠先設(shè)計后修改的方法，為實現(xiàn)整車噪聲目標而對部件提出的設(shè)計要求必須與整車開發(fā)相結(jié)合[2]。在設(shè)計后期或車輛批量生產(chǎn)以后再提高NVH性能會增加整車成本和重量，甚至在一些情況下由于修改方案致使NVH目標難以實現(xiàn)。

所有的車輛振動噪聲問題可分為3部分——噪聲源、傳遞路徑和接受體。對噪聲源進行控制通常是最有效但也是最復(fù)雜的方法，因為很難對所有噪聲源進行識別和量化。最新的一些測試設(shè)備和試驗技術(shù)可以準確識別噪聲源，得出發(fā)動機噪聲、齒輪噪聲、動力總成噪聲、風噪、輪胎噪聲和排氣噪聲等產(chǎn)生的根本原因，并在車輛早期設(shè)計階段提出解決方案。某些噪聲源如發(fā)動機、傳動系和輪胎等噪聲水平比幾年前明顯下降，在項目開發(fā)初期識別這些主要噪聲源并提出解決方案會降低NVH設(shè)計成本。對接受體如駕駛員或乘客進行噪聲控制是不實際的，帶有耳麥的個人音響系統(tǒng)能夠屏蔽室內(nèi)噪聲傳入耳內(nèi)，但在有些國家?guī)Ф滖{駛屬于違法行為。通過傳遞路徑控制噪聲則需要識別結(jié)構(gòu)傳播和空氣傳播的多條路徑，試驗和仿真方法結(jié)合可用來確定主要的傳遞路徑。一旦識別出主要路徑便可據(jù)此選擇適當?shù)姆椒ê吐晫W(xué)材料進行噪聲控制。

NVH設(shè)計過程中必須平衡各種降噪方法，使每種方法對整體噪聲貢獻大致相同，避免過度設(shè)計或設(shè)計不足。過度設(shè)計的優(yōu)勢會受限于其他NVH設(shè)計并且增加成本；設(shè)計不足如沒有經(jīng)過聲處理的板件、聲泄漏等會形成薄弱區(qū)域，影響整車NVH性能甚至抵消過度設(shè)計。每種振動噪聲問題都會有不同的解決方法，要根據(jù)設(shè)計性能和成本進行選擇。供應(yīng)商和整車制造商已經(jīng)發(fā)展出一種選擇解決方案的方法[3]，首先對重要影響因子賦予加權(quán)系數(shù)并對每種方案相對影響因子進行評估，最終對評價結(jié)果排序。典型的影響因子見表1。最優(yōu)的車輛NVH設(shè)計能夠提高燃油經(jīng)濟性并滿足環(huán)境法規(guī)要求，是一種高性能、低成本、輕量化的解決方案。

表1　NVH方案選擇影響因子

振動噪聲控制方法會有很大不同，沒有一種產(chǎn)品或技術(shù)能夠解決所有的NVH問題，因此需要廣泛的聲學(xué)材料以設(shè)計出最優(yōu)的室內(nèi)降噪方案。整車制造商把車輛看作是系統(tǒng)的整合而不是零部件的簡單裝配，由于系統(tǒng)間復(fù)雜的相互作用，零部件在不同系統(tǒng)中設(shè)計有不同的功能。為實現(xiàn)這些需求，整車制造商同一級供應(yīng)商合作使其具備NVH整合能力并負責車內(nèi)聲學(xué)材料布置，包含NVH聲學(xué)材料的部件見表2。

表2　包含NVH聲學(xué)材料的部件

聲學(xué)材料選擇主要考慮顧客期望、文化傳統(tǒng)、環(huán)境污染和政府法規(guī)等因素。顧客對室內(nèi)噪聲期望水平基于車型和價格因素，對于全球發(fā)行的汽車，地區(qū)文化傳統(tǒng)和燃油成本也會對顧客期望產(chǎn)生影響。材料回收法規(guī)、CAFé法規(guī)和排放標準也是聲學(xué)材料選擇必須考慮的因素。例如在歐洲和北美地區(qū)，由于顧客偏好和政府法規(guī)等不同會產(chǎn)生2類不同的室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計。圖1包含了轎車室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計材料類型及其常用位置。任何車輛應(yīng)用的聲學(xué)材料類型和數(shù)量都同噪聲源、傳遞路徑和接受者要求有關(guān)，通過以上材料的綜合應(yīng)用可有效地進行室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計。

1.1吸聲材料

根據(jù)對吸聲材料的應(yīng)用方法不同，吸聲材料可具有不同的功能。當材料被固定于車室內(nèi)表面時，可以減少反射聲能，降低室內(nèi)混響噪聲水平，當材料嵌于結(jié)構(gòu)內(nèi)部時可以降低噪聲向室內(nèi)空間的傳播。吸聲材料可粘附于車內(nèi)的許多板件，其中最主要的應(yīng)用是頂棚和地毯。最好的頂棚吸聲材料是纖維或泡沫結(jié)構(gòu)，這些材料可在相當寬的頻域范圍內(nèi)有效吸聲，由于頂部空間布置要求，厚度通常是頂棚吸聲設(shè)計的限制因素。多孔表面及纖維或泡沫底層設(shè)計可顯著增強地毯的吸聲特性。車室內(nèi)最大的潛在吸聲部件是座椅，因為座椅具有大面積的外部表面并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有較厚的多孔泡沫，利于吸聲的座椅外表面是有較高聲阻抗的織物或帶有聲學(xué)設(shè)計穿孔花紋的皮革。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后的布座椅與無穿孔的皮革座椅相比可降低室內(nèi)噪聲1～3dBA，如圖2所示。

轎車的其他部件如衣帽架、發(fā)動機蓋、防火墻等也必須經(jīng)過吸聲處理，門板、立柱和后備箱區(qū)域的吸聲材料通常是多層纖維和泡沫。所有吸聲材料的特性主要受材料厚度、聲阻抗、穿孔率和表面特性的影響[4]。輕質(zhì)纖維毛毯和泡沫材料由于吸聲性能良好已經(jīng)取代以前使用的高密度材料，這些輕質(zhì)材料包括小直徑纖維或胞狀結(jié)構(gòu)泡沫。多層吸聲結(jié)構(gòu)用于選擇性吸聲，如在某一窄帶頻域內(nèi)最大化吸聲，寬頻域吸聲或有限厚度內(nèi)具備最優(yōu)性能。對于大多數(shù)多層結(jié)構(gòu)，表面的聲學(xué)性能決定內(nèi)部材料的性能發(fā)揮。室內(nèi)高的吸聲性能只能降低混響噪聲水平，對不經(jīng)過反射表面的直達聲影響很小。

1.2隔聲材料

隔聲材料用以降低2個不同區(qū)域間噪聲的傳播如發(fā)動機室和室內(nèi)空腔或輪艙和室內(nèi)空腔，隔聲材料性能通過傳遞損失來表示。通常密度較大的雙層板和低阻抗的中間隔離層組成的結(jié)構(gòu)具有高的傳遞損失，同等重量下帶有隔離層的雙層板結(jié)構(gòu)比單層板結(jié)構(gòu)的傳遞損失要大。典型的隔聲材料為多層填充性熱塑料聚合物，這些隔聲材料用于地板、防火墻、后備箱和輪艙等系統(tǒng)，中間隔離層采用纖維或泡沫可以增強隔聲性能。隔聲材料的安裝位置還包括儀表板中的靜音板、載貨區(qū)地板、隔離后備箱和室內(nèi)空腔的后座椅背部及衣帽架。隔聲性能對引起聲泄漏的小孔或周邊密封條件特別敏感，因此用于周邊密封的墊圈和防護套應(yīng)作為整體聲學(xué)系統(tǒng)的一部分進行仔細設(shè)計，一些新型墊圈和密封設(shè)計近幾年被逐漸用于防火墻等板件隔聲。密封不嚴造成的聲泄漏使傳遞損失下降明顯，如圖3所示，由于小孔引起的0.25％泄漏也會使傳遞損失明顯下降，周邊密封不嚴與小孔存在的結(jié)果類似。

最近研發(fā)的輕質(zhì)隔聲材料去除了傳統(tǒng)厚重的隔板并使用了一種特殊設(shè)計的隔離層，改進了雙層板共振區(qū)域的傳遞損失，提高了隔聲層的吸聲性能，但在高頻區(qū)域傳遞損失有所下降，在大大減輕重量的同時獲得了相同的降噪水平，如圖4～圖5所示。雖然此類材料已成功用于地板和防火墻隔聲，但不會取代傳統(tǒng)的隔聲材料。由于整車制造商對重量、成本和性能的不同要求，2種技術(shù)各有優(yōu)勢。

門窗密封條需要在不同材料如玻璃和車門或車身和車門間保持較高的傳遞損失，因此也看作隔聲材料，當今門窗密封條采用2層或3層設(shè)計并通過迷宮密封以提高隔聲性能?？蓴U展密封材料、結(jié)構(gòu)空隙填充泡沫和阻尼材料等在其主要功能之外也可看作隔聲材料。對于可擴展材料，密封性能比延展率更加重要，因為好的延展性不一定保證好的密封。阻尼材料能夠降低結(jié)構(gòu)低頻振動能量，根據(jù)質(zhì)量定律，阻尼層和金屬板件的結(jié)合能顯著提高吻合頻率以上的高頻傳遞損失[5]。

1.3阻尼材料

阻尼材料能夠衰減結(jié)構(gòu)內(nèi)部能量，降低振動水平，通常存在2種形式：自由阻尼層和約束阻尼層，約束阻尼層由于具有剪切損失其阻尼效果優(yōu)于自由阻尼層。自由阻尼層包括粘彈性涂敷材料和噴涂材料，噴涂材料的選擇要考慮噴涂設(shè)備、維護和材料費用對整車成本的影響。約束阻尼層包括彈性材料和剛性體表層，兩者可以通過壓力敏感膠、磁涂層或噴涂層連接。約束阻尼層的變化形式包括雙夾板和層壓鋼板結(jié)構(gòu)，這些三明治結(jié)構(gòu)在鋼板間加入粘彈性材料以減少單層鋼板時的振動。對任何阻尼材料其阻尼性能通過損失因子描述，損失因子隨溫度和頻率變化，每種阻尼材料都有其最佳的適用范圍。損失因子在彈性材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近達到最大，材料成型時通過使用添加劑可以提高或降低玻璃化溫度，而且通過使用多種彈性材料可以將玻璃化溫度擴展到較寬的溫度范圍。實際中為發(fā)揮最大的阻尼特性，阻尼材料的玻璃化溫度應(yīng)在常用工作范圍以內(nèi)。共振發(fā)生時阻尼是最有效的減振方法，高于或低于共振頻率區(qū)域阻尼的減振效果并不明顯。

阻尼材料也有輕量化發(fā)展趨勢，最新的約束阻尼層結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)阻尼材料重量下降50％且大量使用可回收材料，但其阻尼性能并無明顯差異。

與選擇適當?shù)淖枘岵牧贤戎匾氖沁x擇合適的施加位置和用量。在振動最大的位置施加阻尼可獲得最好的減振效果，如果阻尼沒有施加在關(guān)鍵位置，其減振性能會大大降低，通常在不影響整體性能的情況下去除多余的阻尼材料以節(jié)約成本和減輕重量。阻尼涂層厚度按振動大小分布，如波腹上涂層厚，波節(jié)上不涂，厚度逐漸變化，阻尼效率就會高很多[5]。

智能阻尼作為一種新型的材料概念是利用壓電晶體將機械能轉(zhuǎn)化為電能，然后調(diào)整線路電阻對其衰減，這種材料仍處于發(fā)展階段。預(yù)成型可延展密封材料雖然屬于隔聲材料，但也可看作阻尼材料，因為其在安裝后經(jīng)過油漆烤箱熱處理會如阻尼材料一樣延展。此類材料最關(guān)鍵的性能是封條質(zhì)量，高的延展性能可以減少空隙密封材料的使用，降低成本，但穩(wěn)定一致的密封厚度也是體積延展材料性能的重要指標。

1.4隔振裝置

隔振裝置可以減少振動部件到系統(tǒng)其他部件力的傳遞，如由合成橡膠、金屬彈簧或其他彈性材料制成的發(fā)動機懸置、扭轉(zhuǎn)減振器、懸架襯套或車身懸置等。這些部件通常在高于共振頻率的區(qū)域內(nèi)有效，而在共振頻域內(nèi)主要是與彈性裝置一起安裝的阻尼器控制振動位移。隔振裝置在通過隔離避免來自發(fā)動機、懸架或傳動系統(tǒng)的振動引起車身共振方面非常有用。

最新的彈性材料具有內(nèi)部能量耗散（阻尼）特性、耐久性和大溫度范圍內(nèi)較長的使用壽命，很多材料具有非線性特性以在某些特定頻率下提高動態(tài)性能。動態(tài)剛度比是影響彈性元件隔振性能與車身輸入力水平的重要因子，其定義為車身連接點剛度與彈性元件剛度的比值Kratio=Kbody/Ki。彈性元件剛度的降低受連接點位移變化等約束條件限制，提高車身連接點剛度是提高隔振傳遞率的有效方法[6]。

多通道數(shù)據(jù)采集和高速計算技術(shù)使線性質(zhì)量減振器和雙模式曲軸減振器得以廣泛應(yīng)用，此類減振器的安裝位置和目標頻率的準確性尤為關(guān)鍵。微孔聚氨酯材料是具有獨特動態(tài)隔振特性的新型材料，此類材料可以提高使用耐久性并降低成本。半主動和主動振動控制應(yīng)用控制理論和精確算法在寬頻輸入下將振動控制在較低水平，半主動系統(tǒng)即主動懸置把系統(tǒng)動態(tài)特性看作輸入力函數(shù)并在較寬頻域內(nèi)具有最優(yōu)性能?？赊D(zhuǎn)換液壓懸置是典型的主動懸置，它通過控制內(nèi)部液體流動改變本身阻尼特性，空氣彈簧作為主動懸置也得到廣泛應(yīng)用。主動振動控制系統(tǒng)通過產(chǎn)生與輸入力大小相等相位相反的作用力以抵消原始振動[7]。2種主動控制方法都是依靠復(fù)雜的傳感器和控制系統(tǒng)對時刻變化的輸入產(chǎn)生響應(yīng)，主動控制技術(shù)對中低頻振動噪聲控制有廣闊的應(yīng)用前景[8]。

2　室內(nèi)聲場設(shè)計發(fā)展趨勢

隨著低碳和環(huán)保意識的增強，人們已十分關(guān)注使用車輛對環(huán)境的影響，主要的汽車制造商也不斷致力于環(huán)保汽車的研發(fā)。美國汽車法規(guī)要求新車生產(chǎn)中使用大量的可回收材料包括生產(chǎn)后回收和消費后回收材料，NVH材料也面臨同樣趨勢。材料回收的花費使其成本高于傳統(tǒng)材料，因此聲學(xué)材料選取應(yīng)綜合考慮整車制造商要求、經(jīng)濟性和環(huán)境法規(guī)。歐洲環(huán)保法規(guī)比美國更加嚴格，甚至要求提供材料的最終處理指導(dǎo)報告，整車制造商和供應(yīng)商已經(jīng)開始考慮車輛拆解的方便性以使一些特殊部件在生命周期結(jié)束后便于回收，因此有必要在設(shè)計初期便設(shè)立目標考慮此類環(huán)保問題。

NVH工程技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展也出現(xiàn)一些明顯趨勢，聲學(xué)材料性能、成本、重量的最優(yōu)化已是車輛開發(fā)項目的核心，而且不斷縮短的設(shè)計與開發(fā)周期使首次設(shè)計至關(guān)重要，當整車制造商追求更高的設(shè)計與生產(chǎn)效率時這些會變得更加關(guān)鍵。系統(tǒng)工程正逐步取代單個零部件設(shè)計成為主流，這種協(xié)同設(shè)計方法提高了零部件間的集成。系統(tǒng)工程的最終目標是模塊化，即多個部件組成一個模塊以減少裝配時間，這種理念已經(jīng)被一些生產(chǎn)商付與實施，它可以顯著減少裝配操作并能引起整車裝配方式的革命。系統(tǒng)工程和集成化的發(fā)展結(jié)果是加速供應(yīng)商整合，出現(xiàn)超級供應(yīng)商。通常容易被忽略的嗡嗡聲、嘯叫聲和嘎嘎聲（Buzz，Squeak，Rattle：BSR）和聲品質(zhì)必將成為整車NVH設(shè)計的一部分，BSR噪聲通常由車身板件配合不當或載荷作用下振動過大引起，此類噪聲通常被其他噪聲掩蓋，只有室內(nèi)噪聲較低時才得以暴露。為防止相鄰板件彼此干擾產(chǎn)生BSR問題，板件連接處可通過膠帶、涂層或噴涂加以處理。聲學(xué)材料可以調(diào)節(jié)室內(nèi)聲場頻譜使其具有某些獨特聲品質(zhì)以表現(xiàn)汽車市場定位如運動型、動力型、豪華型等，此類設(shè)計能增強汽車品牌形象從而與沒有此類特征的競爭車型相比更具市場優(yōu)勢。將來不斷提高的汽車安全性能不會對NVH性能產(chǎn)生影響，安全氣囊和其他安全設(shè)備以外必須留出NVH材料布置空間，越來越嚴格的燃油經(jīng)濟性和排放法規(guī)會加強NVH材料的輕量化趨勢。表3總結(jié)了NVH技術(shù)的未來趨勢。

表3　NVH技術(shù)的未來趨勢

3　結(jié)　論

NVH技術(shù)及聲學(xué)材料的重大進步擴展了車輛振動噪聲問題的解決方法，高性能的NVH設(shè)計需要整車開發(fā)過程中NVH工程師和各級供應(yīng)商的全程參與，NVH團隊可以通過系統(tǒng)工程選擇適當?shù)募夹g(shù)和材料，使用先進的試驗和仿真方法達到整車NVH設(shè)計目標。

文中主要敘述了以下內(nèi)容：

1）車輛室內(nèi)的噪聲控制方法。重點敘述了用于室內(nèi)聲學(xué)處理的吸聲材料、隔聲材料、阻尼材料和隔振材料的工程應(yīng)用及最新成果。

2）室內(nèi)聲場設(shè)計的未來發(fā)展趨勢。強調(diào)了環(huán)境保護對NVH設(shè)計的影響。

參考文獻

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收稿日期：2015-06-30

文章編號：1002-4581（2015）05-0015-05

中圖分類號：U467.4+93

文獻標志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2015.05.005