整車車內(nèi)噪聲仿真的SEA分析方法研究及應(yīng)用

侯獻軍，郭 金，杜松澤，郭彩祎，劉志恩

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430070；2.汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070)

整車車內(nèi)噪聲仿真的SEA分析方法研究及應(yīng)用

侯獻軍1,2，郭 金1,2，杜松澤1,2，郭彩祎1,2，劉志恩1,2

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430070；2.汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070)

關(guān)于整車車內(nèi)噪聲的仿真分析方法，在理論上，F(xiàn)EM/BEM方法可以進行全頻段的仿真，但由于高頻噪聲的波長短，且在仿真初期結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)不確定，F(xiàn)EM/BEM參數(shù)識別和計算難度大，在這種情況下，基于能量平均思想的統(tǒng)計能量方法顯現(xiàn)出其特定的求解優(yōu)勢。針對SEA分析方法理論就該方法在車內(nèi)噪聲應(yīng)用領(lǐng)域展開探討，從整車車內(nèi)噪聲激勵源及噪聲傳遞途徑、整車NVH性能開發(fā)方法和整車SEA建模方法三個角度對車內(nèi)高頻噪聲仿真進行闡述。SEA仿真在整車方面的應(yīng)用現(xiàn)階段主要用來指導(dǎo)聲學(xué)包開發(fā)，對SEA仿真中的關(guān)鍵科學(xué)問題與工程實際的結(jié)合，介紹2個典型工程案例：其一基于雙墻理論的車門隔聲量優(yōu)化，通過建立相對獨立的雙墻模型，提高建模過程中的仿真精度；其二通過控制聲學(xué)包裝優(yōu)化變速箱高頻嘯叫，采用車內(nèi)雙層地毯的優(yōu)化方法，降低駕駛員頭部的聲壓1.31 dB。通過SEA方法對車內(nèi)高頻噪聲進行仿真顯著改善車輛的NVH性能，提高車輛乘坐舒適性，可為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考及借鑒。

聲學(xué)；整車噪聲；高頻噪聲；子系統(tǒng)；統(tǒng)計能量法；噪聲控制

車內(nèi)噪聲控制是車輛NVH的重要內(nèi)容。車內(nèi)噪聲主要來自于發(fā)動機及相關(guān)部件激勵、傳動系統(tǒng)激勵、旋轉(zhuǎn)附件激勵、輪胎激勵、風(fēng)噪激勵等。典型車內(nèi)噪聲貢獻量分布如圖1所示，激勵所產(chǎn)生的振動及噪聲主要通過結(jié)構(gòu)路徑和空氣路徑傳遞，前者傳遞頻率成分主要為400 Hz以下，后者傳遞頻率成分主要為400 Hz以上。

圖1 車輛噪聲貢獻量分布

對車內(nèi)結(jié)構(gòu)的振動產(chǎn)生的低頻噪聲，有限元（FEM）、邊界元（BEM）仿真方法已被證明能夠準確地反映實際情況，但是隨著頻率的增高，結(jié)構(gòu)波的波長就越短，使得有限元所需要的單元數(shù)目隨著頻率的增加而急劇增大，導(dǎo)致計算量大大增加[1]。在實際工程結(jié)構(gòu)中，建模初期整車系統(tǒng)參數(shù)具有不確定性，而高頻振動對系統(tǒng)參數(shù)的微小變化十分敏感，并且在動態(tài)分析中包含有大量的高階模態(tài)，模態(tài)重合率隨頻率升高而增大，導(dǎo)致計算不準確。統(tǒng)計能量法（SEA）從子系統(tǒng)之間的能量傳遞建立能量方程進行求解，進而解決中高頻尤其是高頻的動態(tài)分析問題。

國內(nèi)外學(xué)者針對整車SEA分析方法進行了相關(guān)研究，Terence等通過對實際測試隔聲量值與SEA仿真值進行對標，驗證了統(tǒng)計能量方法仿真的可行性[2]。Martin等通過對損耗因子進行修正，實現(xiàn)整車SEA仿真模型的對結(jié)構(gòu)傳遞路徑和空氣傳遞路徑的預(yù)測[3]。Brian等用統(tǒng)計能量法探究不同聲學(xué)包的隔聲性能[4]；陳鑫等在對車輛整體系統(tǒng)劃分之后，找出主要的噪聲貢獻系統(tǒng)，有針對性的進行吸隔聲方案處理[5]；陳書明等通過對SEA的綜述分析，結(jié)合FEA提出了能量有限元法，進而指導(dǎo)車內(nèi)的聲學(xué)包設(shè)計[6]。劉濤等通過整車噪聲傳遞路徑分析研究了工程設(shè)計中車身子系SEA模型，通過實例分析驗證SEA方法的可行性[7]。前人在SEA的研究中，直接按照相關(guān)軟件進行建模，沒有考慮提高建模的精度的問題。

本文應(yīng)用SEA方法，針對整車車內(nèi)噪聲控制，結(jié)合建模過程中的關(guān)鍵技術(shù)分析，將雙墻理論應(yīng)用于車門仿真技術(shù)，提高建模精度。同時通過對車內(nèi)聲學(xué)包裝的控制優(yōu)化變速箱的嘯叫噪聲，指導(dǎo)聲學(xué)包開發(fā)，提高整車NVH性能。

1 統(tǒng)計能量分析方法（SEA）

1.1 統(tǒng)計能量基本理論

SEA方法的本質(zhì)是將復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或者聲學(xué)系統(tǒng)劃分成若干個耦合的子系統(tǒng)，分析研究載荷作用下子系統(tǒng)間的能量傳遞[8]。一個系統(tǒng)通常由多個子系統(tǒng)組成，通過建立子系統(tǒng)能量流動方程，確定子系統(tǒng)的質(zhì)量、要分析的頻率范圍、子系統(tǒng)之間的阻尼損耗因子和輸入系統(tǒng)的能量，對能量流動方程求解得出子系統(tǒng)在對應(yīng)頻率范圍的平均響應(yīng)能量，并將其轉(zhuǎn)換成所需要的物理參量。

關(guān)于統(tǒng)計能量模型建立時，提出以下假設(shè)[1]：

(1)子系統(tǒng)間的耦合是線性的，守恒的，不存在非保守性質(zhì)的耦合；

(2)在所研究的頻率范圍內(nèi)，能量在具有共振頻率的子系統(tǒng)之間傳遞；

(3)系統(tǒng)的激勵為不相干的隨機激勵，且相互獨立，具有模態(tài)非相干性，并可以應(yīng)用能量的線性相加原理；

(4)在給定的子系統(tǒng)中，給定頻帶內(nèi)所有共振模態(tài)之間能量等分；

(5)互易性原理適用于不同的子結(jié)構(gòu)間；

(6)任意兩個子結(jié)構(gòu)間的能量流與振動時耦合的子結(jié)構(gòu)間的實際能量差成正比，即能量流與平均模態(tài)能量間的差值成正比。

兩子系統(tǒng)的能量分析模型如圖2所示，建立兩個子系統(tǒng)間的能量流關(guān)系方程

式中η=2ξωn；

通常情況下，一個系統(tǒng)由多個系統(tǒng)組成，將這些能量平衡方程聯(lián)系起來寫成矩陣形式

式中ω—分析中心頻率/Hz；Pi—輸入能量/W；ηi—阻尼損耗因子；ηij—耦合阻尼損耗因子；Ei—子系統(tǒng)能量；ni—子系統(tǒng)模態(tài)密度。

圖2 兩子系統(tǒng)的能量分析模型

式（3）是利用統(tǒng)計能量分析方法建模的最基本表達式，求解計算方程時在考慮模型外界輸入激勵的條件下，結(jié)合對聲學(xué)包結(jié)構(gòu)的材料測試特性和子系統(tǒng)之間對用的損耗因子以及模態(tài)密度，求出系統(tǒng)的能量；求得每個子系統(tǒng)上的能量Ei[9]。根據(jù)式（4）將能量轉(zhuǎn)化

式中M—每個子系統(tǒng)對應(yīng)的質(zhì)量；(V)—對應(yīng)子系統(tǒng)的振動速度；(P)—對應(yīng)子系統(tǒng)的聲壓；ρ—子系統(tǒng)材料密度；c—對應(yīng)材料中的聲速。

通過求解方程，將對應(yīng)系統(tǒng)的所包含的能量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的位移、子系統(tǒng)的速度和應(yīng)變等可以衡量的工程量。

1.2 建模中的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子

求解能量流動方程時，首先應(yīng)確定外界激勵的輸入能量，對整體進行子系統(tǒng)劃分；通過實驗測試確定各個子系統(tǒng)間的統(tǒng)計能量分析參數(shù)，將所得結(jié)果作為統(tǒng)計量的輸入，通過能量流動路徑獲得各個子系統(tǒng)能量的大小，最后將振動能量轉(zhuǎn)化為動力響應(yīng)[10]。

其中結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子，模態(tài)密度和聲載荷測試是建模過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

主要板件的結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子測量原理如圖3所示。

圖3 阻尼損耗因子測量

在測試過程中，力錘激勵加速度傳感器附近區(qū)域，記錄振動加速度傳感器曲線衰減速率，衰減斜率即為板件的結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子，該測試方法即為異點導(dǎo)納測試方法。

1.2.2 模態(tài)密度

模態(tài)密度測量方法如圖4所示，測量力錘與加速度傳感器之間的FRF曲線。模態(tài)密度計算原理如式（5）所示。

圖4 模態(tài)密度測量原理

式中V—記錄的速度值；A—加速度；F—施加力的大?。籊(f)—虛部的圓頻率；n(f)—模態(tài)密度。

FRF曲線的虛部除以1/3倍頻程中心頻率，乘以4倍被測板件質(zhì)量，即為被測板件的模態(tài)密度。需要進行阻尼損耗因子和模態(tài)密度的測試的部件如表1所示。

表1 阻尼損耗因子和模態(tài)密度主要測試部件

除此之外，還需測試主要內(nèi)飾部件吸隔聲性能，包括防火墻內(nèi)/外前圍、頂棚、地毯、行李箱吸音墊等內(nèi)飾件以及他們的流阻率、孔隙率、曲折因子、黏性特征長度、熱特征長度。以此確定他們的噪聲貢獻量和隔聲性能。

1.2.3 聲載荷測試

聲載荷測試的主要目的是進行模型的校核和作為模型計算工況的輸入，測試分為理想工況測試和運行工況測試兩部分進行。在測試過程中，主要是基于傳遞函數(shù)的方法，采用基于能量的PBNR測試方法。需要在車外和車內(nèi)布置麥克風(fēng)，麥克風(fēng)布點位置如圖5所示。

測試結(jié)束之后，進行SEA模型校核，首先對模型的理想工況進行校核，對標過程中考慮NCT設(shè)置和傳遞路徑，對泄漏等進行處理，其中的關(guān)鍵建模測試部位：防火墻、車門、地板、輪罩將理想工況模型校核完成后進行運行工況模型校核。第一，怠速運行時，主要用于對頂棚鈑金件面積修正；擋風(fēng)玻璃面積修正、動態(tài)特性、損耗因子；對行李箱蓋泄露處理和泄壓閥處泄漏處理；同時對A/B/C柱鈑金及內(nèi)飾板厚度當量處理。第二，勻速工況運行時，主要考慮對輪罩NCT處理；考慮分析輪包模態(tài)特性；輪包鈑金面積修正。其中需要校核注意的關(guān)鍵部位：擋風(fēng)玻璃、行李箱、輪包。

圖6為某A級轎車SEA模型校核結(jié)果，由圖可以看出，車內(nèi)噪聲在高頻范圍內(nèi)誤差在5%以內(nèi)，統(tǒng)計能量法可行。

圖5 麥克風(fēng)布置

2 案例分析

2.1 車門隔聲量優(yōu)化

一般情況下，車門內(nèi)外板之間距離比較小，法線方向聲腔比較窄，聲音是垂直射入，然而SEA理論認為聲音是向四周散射，這就造成了對板件隔聲量的高估。因此車門隔聲量仿真模擬的過程中，采用如圖7所示的雙墻理論模型進行建模仿真。

圖7 雙墻理論原理圖

雙墻模型隔聲量與雙層墻模型隔聲量曲線對比如圖8所示。

由圖中可以看出，在高頻段，由于雙墻模型的作用整體隔聲量要明顯高于雙層墻，如果在建模過程中忽略該問題將會帶來仿真結(jié)果的差異，最終引起模型的不準確。

同一車門SEA模型，使用雙墻理論，通過結(jié)構(gòu)之間的相互結(jié)合，保證雙墻之間的相對獨立，建模仿真差異如圖9所示，由圖可見，對于同一車門隔聲量模型，高頻仿真結(jié)果差異可達到10 dB。

2.2 變速箱嘯叫控制

對某MPV車型進行NVH性能綜合提升過程中主觀評價出現(xiàn)高頻嘯叫噪聲，初步判斷為變速箱齒輪嚙合噪聲。變速箱頻譜圖如圖10所示，由圖中可見，對于變速箱工作噪聲主要以高頻噪聲為主，這也在客觀上印證了主觀評價結(jié)果。

對該車型建立整車SEA仿真模型，并進行傳遞路徑貢獻量分析，分析結(jié)果顯示，駕駛員頭部聲腔噪聲來源主要為中央通道。基于SEA仿真結(jié)果對整車地毯進行聲學(xué)包裝改造，如圖11所示。

圖8 雙墻模型隔聲量與雙層墻模型隔聲量曲線對比

圖9 車門隔聲量優(yōu)化仿真結(jié)果

圖10 變速箱3 000 r/min時嘯叫頻譜圖

圖11 地毯改造

改造內(nèi)容包括在限制地毯重量前提下的地毯吸聲和隔聲性能調(diào)整，最終達到地毯聲學(xué)包裝的高頻吸聲性能的明顯提升。優(yōu)化前后結(jié)果對比如圖12所示。

圖12 地毯優(yōu)化的仿真結(jié)果

由圖中可知駕駛員頭部聲腔高頻段噪聲明顯降低，主觀評價結(jié)果變速箱嘯叫明顯消除。

3 結(jié)語

本文綜合討論了應(yīng)用于乘用車高頻噪聲仿真的統(tǒng)計能量方法，并詳細介紹了使用該方法的關(guān)鍵建模問題，包括阻尼損耗因子、模態(tài)密度、聲學(xué)包裝材料測試和聲載荷測試的計劃算原理和方法，基于上述研究得到如下結(jié)論。

（1）運用SEA整車建模方法，有效指導(dǎo)聲學(xué)包裝的開發(fā)過程。通過測試和仿真，找出主要的噪聲傳遞路徑，在建模過程中對關(guān)鍵雙墻理論的詳細闡述有效指導(dǎo)仿真工作，結(jié)合SEA方法通過實際測試結(jié)果對比提高仿真精度

（2）對整車的聲學(xué)包進行針對性優(yōu)化設(shè)計，提高車輛的NVH性能，對于高速時車內(nèi)的噪聲變速箱嘯叫，通過優(yōu)化地毯的聲學(xué)包，降低駕駛員頭部的高頻噪聲1.31 dB。為SEA在汽車隔聲、吸聲材料設(shè)計中提供了方向，縮短開發(fā)時間，提高車輛的乘座舒適性。

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Research andApplication of SEAAnalysis Method for Vehicle Interior Noise Simulation

HOU Xian-jun1,2,GUO Jin1,2,DU Song-ze1,2,GUO Cai-yi1,2,LIU Zhi-en1,2
(1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology,Wuhan 430070,China)

Among the simulation analysis methods of vehicle interior noise,the FEM/BEM method can be used to simulate in the whole frequency band theoretically.However,due to the short wavelength of high frequency noise and the material uncertainty in preliminary simulation,it is difficult to identify the FEM/BEM parameters and realize the calculation.In this case,the statistical energy analysis(SEA)method based on energy averaging has specific advantage.In this paper,the application of this method to internal noise simulation of vehicles is discussed.The theory of the SEA analysis method is summarized.The internal high-frequency noise simulation is elaborated in three aspects:the excitation source and transfer path of the internal noise,the method of NVH performance development and the SEA modeling method.The application of the SEA simulation in the vehicle is mainly used to guide the development of acoustic package.To combine the key scientific problem in the SEA simulation with engineering practice,two typical examples are given.The first is to improve the simulation accuracy by establishing a relatively independent double leaf model based on double wall theory;and the second is to optimize gearbox’s high-frequency howling by controlling the acoustic package.The sound pressure near the driver’s head is reduced by 1.31 dB by laying double layer interior carpet.The simulation and reduction of the high frequency noise by using the SEA can significantly improve the NVH performance and the ride comfort of the vehicle.This paper may provide a reference for related fields.

acoustics;vehicle noise;high-frequency noise;subsystem;statistical energy analysis(SEA);noise control

TU112.3

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.025

1006-1355(2017)05-0119-05

2017-03-03

汽車排氣噪聲品質(zhì)的階次量化與聲音設(shè)計研究（51575410）

郭金（1992－），男，河南省南陽市人，碩士生，主要研究方向為整車NVH。

侯獻軍，男，博士生導(dǎo)師。

E-mail:houxj@whut.edu.cn