前圍及過孔件隔聲性能對整車噪聲的影響分析

張愛軍

（歐拓汽車管理（上海）有限公司，上海201802）

在汽車不斷普及的當下，人們對汽車的品質(zhì)追求也在不斷地提高。噪聲與振動是整車開發(fā)目標中必須的考衡因素[1]。汽車是由多系統(tǒng)組成的復雜產(chǎn)品，而這些系統(tǒng)具有各自的性能特征，NVH 性能幾乎涉及到汽車的各系統(tǒng)中。過孔零件一般為橡膠或發(fā)泡類材料，考慮該產(chǎn)品的工藝成型性，結(jié)構(gòu)設計的復雜性，整車上安裝簡易性，其隔聲性能易被產(chǎn)品設計者忽視。前圍系統(tǒng)上安裝了各種過孔零件，包括線束、制動踏板、油門踏板、轉(zhuǎn)向管柱、空調(diào)系統(tǒng)的膨脹閥及進風口等，這些過孔零件對前圍系統(tǒng)的隔聲有重大貢獻，會在很大程度上影響車內(nèi)噪聲水平。在聲能的傳遞過程中，考慮過孔及隔音墊覆蓋率引起的縫隙透聲問題，按等傳聲原則，對各部件進行隔聲設計控制[2-3]。采用統(tǒng)計能量分析方法，對前圍系統(tǒng)部件進行聲學性能計算[4-8]。

1 分析模型

1.1 統(tǒng)計能量模型

整車統(tǒng)計能量SEA 拓撲模型由板和聲腔組成，根據(jù)車身結(jié)構(gòu)和聲學包零件分布，對SEA 模型的196個板進行分組，將板件分成前圍系統(tǒng)、前地板、后地板、后輪罩、后備箱地板、頂棚、車窗、前后風擋等18 個子系統(tǒng)。聲腔包括駕駛員/乘客頭部、中部、腳部聲腔，儀表臺、副儀表、座椅聲腔，后備箱聲腔等54個腔體，如圖1。

圖1 SEA 分析模型

1.2 計算原理

1.2.1 車內(nèi)聲腔能量

系統(tǒng)之間存在能量交換，并最終達到穩(wěn)態(tài)的子系統(tǒng)能量平衡。由能量平衡方程，可得到車內(nèi)聲能量，其近似計算公式

式中：Pexc，Vc，為車外聲壓和車內(nèi)聲腔體積；ρ、c，為空氣的密度和空氣中的聲速；τp、Sp為聲能傳到車內(nèi)的透射率和對應的該傳遞區(qū)域面積；αc,Sc為車內(nèi)吸聲系數(shù)和面積。

由公式(1)可知，在整車聲學包零件性能不變的情況下，車內(nèi)各系統(tǒng)隔聲與車內(nèi)的總吸聲量不會改變，過孔的面積及其隔聲對系統(tǒng)有很大影響。

1.2.2 損耗因子

統(tǒng)計能量分析是用能量描述各子系統(tǒng)的狀態(tài)，使用功率流平衡方程表述耦合系統(tǒng)間的相互關(guān)系，評價各子系統(tǒng)的能量，并轉(zhuǎn)換成相應的聲壓級等參數(shù)。板與聲腔及聲腔之間存在能量的傳遞關(guān)系，車內(nèi)聲腔的內(nèi)部損耗因子

Siα為聲腔的吸聲量，c0,Vi分別為聲速，聲腔體積，ω為角頻率。

兩系統(tǒng)之間通過面連接的耦合損耗因子

τ為聲腔i傳遞到聲腔j的透射系數(shù)。

1.3 模型參數(shù)

基于統(tǒng)計能量法的分析模型中，板的聲學性能參數(shù)包括吸聲系數(shù)、隔聲量、聲載荷、板的面積、過孔面積及其隔聲。前圍鈑金、隔聲墊與過孔件的材料都是不同的，其面積差異非常大。表1為前圍系統(tǒng)各部件的測試調(diào)校后仿真輸入隔聲參數(shù)。

前圍鈑金及隔聲墊比較重，隔聲量較高，透射系數(shù)較小，面積大；而過孔件透射系數(shù)較大，隔聲量要低很多，面積較小。組合板的透射系數(shù)

τk,Sk為過孔件的聲透射系數(shù)和面積。

其組合隔聲量為

2 計算分析

2.1 覆蓋率對隔聲的影響

子系統(tǒng)的隔聲直接影響到車內(nèi)噪聲，因此，對零部件的隔聲控制顯得非常重要。樣車前圍鈑金為0.8 mm厚度的鋼鐵，隔聲墊由重層4.3 kgsm_EVA與發(fā)泡層80 kg/m3兩層組成。根據(jù)單層墻理論，應用VisualSISAB軟件計算出鈑金的隔聲量，再計算出鈑金與重層EVA 構(gòu)成的雙層墻的隔聲[9-11]。圖2為隔聲墊在不同覆蓋率下的隔聲曲線。

0%表示無隔聲墊覆蓋時僅鈑金的隔聲，原樣車隔聲墊覆蓋率約為90%，隔聲墊對前圍的隔聲提升最大只有10 dB，當覆蓋率達到99%時，隔聲墊的隔聲量對前圍系統(tǒng)的隔聲提升最大不超過20 dB。當覆蓋率降至80%時，隔聲提高量不會超過7 dB；而隔聲墊100%完全覆蓋鈑金的理想狀態(tài)，8 kHz的隔聲量為57.6 dB，當然這在實際零件設計和整車裝配中是不可能實現(xiàn)的。由此可見，覆蓋率很大程度上影響前圍的隔聲性能。

表1 前圍系統(tǒng)各部件隔聲量

圖2 不同覆蓋率的隔聲墊的前圍隔聲量

2.2 不同過孔結(jié)構(gòu)對隔聲影響

過孔件多為橡膠護套密封，圖3為橡膠件在不同厚度和不同結(jié)構(gòu)下的隔聲對比曲線，對于單層結(jié)構(gòu)的護套過孔，每倍頻程提高6 dB，且厚度增加一倍，隔聲提高約6 dB；而雙層結(jié)構(gòu)比單層結(jié)構(gòu)隔聲高很多，每倍頻程提高約18 dB，且隨兩層間隔距離增加一倍而提高6 dB。

圖3 不同結(jié)構(gòu)設計的過孔隔聲量

因此，護套采用雙層結(jié)構(gòu)設計的過孔，能有效提高過孔的隔聲。

2.3 零件隔聲的整車SEA分析

2.3.1 前圍過孔對整車噪聲影響

根據(jù)整車SEA仿真計算結(jié)果，如圖4，仿真與試驗結(jié)果一致性較好，同時分析了有無過孔件狀態(tài)時，車內(nèi)前排駕駛員頭部噪聲差異，結(jié)果表明，前圍各過孔對車內(nèi)噪聲影響很大，主要集中在1 kHz 以下低頻和5 kHz以上高頻段，其中800 Hz有3.7 dB差異，8 kHz有3.8 dB差異。

圖4 車內(nèi)噪聲SEA仿真結(jié)果

這是由于過孔是單層結(jié)構(gòu)設計且護套壁面較薄，低頻隔聲比較低，同時存在高頻泄漏問題。

2.3.2 車內(nèi)噪聲改善分析

圖5 不同方案對車內(nèi)駕駛員頭部噪聲的影響

在整車SEA 模型中計算了60 km/h 工況下，不同方案對車內(nèi)駕駛員頭部噪聲的影響，如圖5(a)，前圍隔聲墊在不同覆蓋率下與無隔聲墊情況下車內(nèi)聲壓級差值，在630 Hz，前圍隔聲墊全覆蓋時車內(nèi)噪聲會降低3.8 dB，當前圍鈑金有90%隔聲墊覆蓋時，車內(nèi)噪聲會降低3.1 dB。因此，隔聲墊能有效地改善車內(nèi)噪聲，同時要保證隔聲墊覆蓋率達到90 %以上。如圖5(b)，不同的過孔設計狀態(tài)與無過孔件時車內(nèi)聲壓級差值，顯而易見，過孔件的存在會使得車內(nèi)噪聲變大，因此，在設計過孔件時需要考慮其壁厚和結(jié)構(gòu)。單層過孔護套由2 mm 增加至4 mm，車內(nèi)噪聲可以改善約1 dB；由單層2 mm 改為雙層2 mm間距40 mm，車內(nèi)噪聲在800 Hz以上高頻率，至少可以改善1 dB，500 Hz～630 Hz低頻率段改善約2 dB。

3 設計優(yōu)化

3.1 貢獻量分析

根據(jù)聲學包裝特性，整車SEA 板件可分為前圍系統(tǒng)和其它系統(tǒng)，包括玻璃窗、車門、頂棚、地板、輪罩等，這些系統(tǒng)都與車外存在能量交換，決定了車內(nèi)的聲能。考慮車外不同區(qū)域的板件，其聲載荷分布也不同，Revamp 軟件采用“開窗法”，即封堵其它所有板件，以各板件的隔聲及板外部載荷為約束條件，依次計算出每組板對車內(nèi)噪聲能量貢獻大小，得到各組板件對目標聲腔的能量貢獻占比。

SEA 模型中前圍系統(tǒng)包括隔聲墊和轉(zhuǎn)向管柱、振動踏板、線束、HVAC膨脹閥、空調(diào)進風口等8個過孔。圖6(a)為駕駛員頭部聲腔能量來源路徑分析，在1 kHz 以下頻率，前圍系統(tǒng)占整車板件貢獻量超過30%。對前圍系統(tǒng)進行貢獻量分析。

圖6 駕駛員頭部聲腔能量來源路徑分析

如圖6(b)，過孔件對前圍系統(tǒng)的貢獻超過90%，問題過孔比較多，其中轉(zhuǎn)向護套和線束過孔對前圍系統(tǒng)貢獻約50%，并存在高頻泄漏。前圍系統(tǒng)的隔聲控制對整車噪聲影響，主要問題就是對過孔件進行嚴格設計控制。

3.2 優(yōu)化方案

在新車型開發(fā)階段需要考慮，防火墻鈑金、轉(zhuǎn)向管柱部件與護套本體間的密封，對各過孔隔聲性能設計進行嚴格控制，提供過孔件隔聲優(yōu)化設計方案。采用厚度大、克重高的護套材料和雙層結(jié)構(gòu)設計，提高前圍隔聲墊對過孔件周邊覆蓋率，減少前圍過孔數(shù)量，提高過孔件的密封性。如圖7，原樣車轉(zhuǎn)向管柱等過孔件設計，由能量傳遞路徑可知，存在泄漏較大且隔聲差的問題。

圖7 過孔優(yōu)化設計方案

對新車進行過孔的優(yōu)化設計，可大幅度地降低透射系數(shù)，提高過孔件隔聲量。新車過孔設計優(yōu)化包括

(1) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化，多采用雙層結(jié)構(gòu)設計；

(2) 數(shù)量優(yōu)化，合并過孔，如左右線束兩個過孔合成一個過孔，空調(diào)膨脹閥和水管過孔集成為一個過孔，油門和制動踏板集成為一個過孔；

(3) 減小過孔面積，增大前圍零件對其覆蓋。不同功能件過孔結(jié)構(gòu)設計，在兼顧聲學特性的前提下，要保證實現(xiàn)自身功能，因此諸過孔件設計都各具特點。

4 過孔隔聲驗證與控制

樣車在道路試驗中，對部分過孔件進行改進前后對比試驗，以驗證過孔對車內(nèi)噪聲的影響大小。并制作前圍隔聲工裝，測試前圍鈑金，隔聲墊及相關(guān)各過孔的隔聲性能，針對較弱的隔聲過孔進行優(yōu)化提升，以提高整個前圍系統(tǒng)組合隔聲量。

4.1 整車路試

線束過孔由單層結(jié)構(gòu)改為雙層結(jié)構(gòu)設計，之后分別對離合器過孔、空調(diào)進風口進行密封處理，從車內(nèi)總聲壓級與語音清晰度兩個方面進行比較，見表2，各過孔優(yōu)化設計后，車內(nèi)總體噪聲改善情況。

表2 優(yōu)化后的過孔對車內(nèi)噪聲改進

其中線束過孔對車內(nèi)影響最大，原因是線束為單層結(jié)構(gòu)設計，隔聲量較低，同時存在裝配后泄漏較大的問題，降低了前圍系統(tǒng)整體的隔聲量。如圖8。

圖8 車內(nèi)駕駛員內(nèi)耳聲壓級

圖8為60 km/h 工況下，線束過孔改進前后的1/3 倍頻程結(jié)果，優(yōu)化方案在2.5 kHz 改善為4.1 dB，高頻改善效果非常明顯。

4.2 過孔隔聲控制

過孔的隔聲與隔聲墊的覆蓋率以及設計裝配等引起的泄漏，對前圍系統(tǒng)隔聲影響非常大，尤其對高頻影響愈加明顯。因此，通過隔聲窗試驗來驗證過孔、隔聲墊的隔聲性能設計方案，是控制和改進前圍系統(tǒng)隔聲的有效方法。

4.2.1 隔聲窗試驗

對前圍隔聲墊和過孔件進行隔聲測試是保證整車聲學性能的前提，是整車聲學包開發(fā)過程中必要的環(huán)節(jié)，同時為尋找噪聲問題來源做到有的放矢。

制作前圍鈑金工裝，測試隔聲墊與各過孔隔聲量。前圍系統(tǒng)的隔聲是前圍鈑金和隔聲墊與過孔件的組合隔聲，如圖9。

前圍隔聲墊在800 Hz 的隔聲比全密封狀態(tài)低3.1 dB；安裝過孔件后，前圍系統(tǒng)整體隔聲在630 Hz下降3.2 dB，在8 kHz隔聲降低達到15.1 dB。

4.2.2 測試結(jié)果分析

將鈑金、隔聲墊、過孔件的隔聲測試結(jié)果，更新到SEA 模型中，驗證前圍系統(tǒng)隔聲是否滿足整車噪聲水平要求，同時分析前圍系統(tǒng)各過孔對車內(nèi)噪聲的貢獻量，線束過孔更改為雙層結(jié)構(gòu)設計后，對車內(nèi)噪聲貢獻量占前圍系統(tǒng)僅7%，效果非常明顯；其它各過孔件貢獻在15%左右，基本上做到均等隔聲設計效果，為設定零部件隔聲目標奠定基礎(chǔ)。

圖9 前圍系統(tǒng)隔聲測試結(jié)果

5 結(jié)語

過孔件的隔聲設計與聲學包性能開發(fā)設計是一體的，需要考慮過孔對整車性能的影響，其設計過程需要借助SEA 模型，是仿真分析與試驗高度結(jié)合，反復驗證的過程。過孔的隔聲性能設計是整車聲學包開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，涵蓋數(shù)據(jù)設計及其方案評審和試驗驗證。結(jié)合SEA 模型對其進行貢獻量分析，可以優(yōu)化提升過孔聲學性能和改善車內(nèi)噪聲，同時對前圍隔聲墊與過孔零件隔聲目標的設定也具有指導意義。