考慮泄漏量的商用車內(nèi)高頻噪聲仿真分析與控制*

唐榮江，童 浙，鄭偉光，李申芳，黃 莉

（1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541000； 2.東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心，柳州 545005）

前言

車內(nèi)噪聲是車輛NVH中的一部分，隨著科技水平的提高，車輛NVH性能正逐漸成為衡量其質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是用戶最為關(guān)心的整車性能指標(biāo)之一。對(duì)于商用車來說，降低內(nèi)部噪聲水平能給制造商帶來競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也能提高消費(fèi)者們乘車的舒適性［1］。

統(tǒng)計(jì)能量分析法（SEA）是一種用于解決復(fù)雜聲振系統(tǒng)高頻、高模態(tài)疊加的噪聲問題的分析方法。該方法在汽車噪聲分析中的運(yùn)用彌補(bǔ)了有限元法與邊界元法在高頻段分析的不足。目前國內(nèi)外學(xué)者在SEA建模和整車運(yùn)用方面已經(jīng)做了許多工作。比如對(duì)轎車、電動(dòng)汽車等車內(nèi)噪聲的SEA建模仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［2-3］，SEA模型的能量傳遞路徑分析及有針對(duì)性的聲學(xué)包優(yōu)化［4-5］，還有模態(tài)密度計(jì)算精度等對(duì)車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)精度的影響研究等［6］。但是在以往的SEA建模工作中有許多研究者忽略了車體的泄漏，而駕駛室的密封性對(duì)車內(nèi)噪聲水平有重要影響，所以在建模時(shí)應(yīng)考慮車輛的泄漏量問題。

本文中在建立商用車SEA模型時(shí)考慮了車體泄漏問題，并著重闡述了泄漏量的等效過程。利用考慮了泄漏量的SEA模型預(yù)測(cè)車內(nèi)噪聲并做了對(duì)比分析。在不同泄漏值下對(duì)駕駛室內(nèi)的噪聲進(jìn)行了仿真，得到了泄漏量對(duì)噪聲值影響曲線。結(jié)合其他多方面因素，確定了較為合適的泄漏值。對(duì)主要泄漏點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化改善。最后對(duì)優(yōu)化后的實(shí)車進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，驗(yàn)證了氣密性改善能提升駕駛室聲學(xué)性能。

1 SEA基本理論

統(tǒng)計(jì)能量分析方法實(shí)質(zhì)上就是各個(gè)子系統(tǒng)在載荷作用下的能量流動(dòng)。在能量流動(dòng)的過程中伴有子系統(tǒng)貯存的、傳遞的、自身損耗的能量。根據(jù)能量平衡的關(guān)系，可推導(dǎo)出具有N個(gè)子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)能量分析模型的功率平衡方程：

式中：ω為分析帶寬內(nèi)的中心頻率；Pi為第i個(gè)子系統(tǒng)的輸入功率；ni為第i個(gè)子系統(tǒng)的模態(tài)密度；ηi為第i個(gè)子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子；Ei為第i個(gè)子系統(tǒng)的能量；ηij為從子系統(tǒng)i到子系統(tǒng)j的耦合損耗因子。式（1）也可用簡單的矩陣通式表示為

式中：P為輸入功率矩陣；L為包含內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子的損耗因子矩陣；E為子系統(tǒng)能量矩陣。確定了方程組中的各個(gè)參數(shù)和外界輸入功率后，對(duì)方程組進(jìn)行分頻段求解，便可獲得各個(gè)子系統(tǒng)在分析頻段內(nèi)的平均響應(yīng)能量。再根據(jù)需要轉(zhuǎn)換成振動(dòng)級(jí)、聲壓級(jí)等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

2 SEA幾何模型建立及參數(shù)、激勵(lì)獲取

根據(jù)某商用車原車有限元數(shù)字模型將其簡化成三維CAD模型，經(jīng)過網(wǎng)格劃分后再快速建立SEA模型。其中SEA模型的板塊和聲腔劃分如圖1所示。

圖1 模型的板塊和聲腔劃分圖

SEA模型主要由車門、風(fēng)窗玻璃、地板、后圍、頂棚、前圍和側(cè)圍組成。該模型由108個(gè)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、6個(gè)梁子系統(tǒng)和14個(gè)聲腔子系統(tǒng)組成。劃分為多個(gè)聲腔是為了方便計(jì)算駕駛員頭部所在聲腔的平均聲壓級(jí)，提高駕駛員耳旁噪聲的預(yù)測(cè)精度［7］。

2.1 模態(tài)密度、損耗因子的確定

子系統(tǒng)的模態(tài)密度是指子系統(tǒng)在某一頻率范圍內(nèi)單位頻段內(nèi)的模態(tài)數(shù)，它是描述子系統(tǒng)貯存能量能力大小的一個(gè)物理量。簡單結(jié)構(gòu)的模態(tài)密度可以采用理論計(jì)算獲得，但是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模態(tài)密度只能采用實(shí)驗(yàn)的方法來獲得。本文中采用導(dǎo)納實(shí)部平均值法來測(cè)試得到模態(tài)密度［8］。圖2為測(cè)試后圍模態(tài)密度時(shí)加速度傳感器的布置。6大板塊的模態(tài)密度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖2 測(cè)試后圍模態(tài)密度實(shí)驗(yàn)

圖3 模態(tài)密度測(cè)試結(jié)果

子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子是指系統(tǒng)在單位頻率內(nèi)、單位時(shí)間損耗的能量與平均儲(chǔ)存的能量之比。內(nèi)損耗因子的理論計(jì)算準(zhǔn)確性由于受零件的幾何形狀和連接方式的影響，所以一般采用實(shí)驗(yàn)的方法獲得［9］。本文中選擇用穩(wěn)態(tài)能量法測(cè)試獲得。6大板塊的內(nèi)損耗因子測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

耦合損耗因子可以通過理論推導(dǎo)出來，也可以采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量獲得。對(duì)于簡單子系統(tǒng)以及子系統(tǒng)間的具有簡單連接邊界的情況，一般采用波傳播理論推導(dǎo)計(jì)算［10］。而對(duì)于復(fù)雜子系統(tǒng)和復(fù)雜連接邊界，還是需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量來準(zhǔn)確獲取。而采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量耦合損耗因子難度很大，使得測(cè)量結(jié)果無法保證。本文中所建立的SEA模型中都是一些相對(duì)簡單的連接方式，它們都具有耦合損耗因子的理論表達(dá)式，因此可以采用理論計(jì)算來獲得。由于VA One軟件自帶先進(jìn)的全波理論，它可以根據(jù)用戶建立的模型，在各個(gè)子系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)接后，自動(dòng)計(jì)算出各耦合子系統(tǒng)之間耦合損耗因子，所以本文中通過軟件自帶的功能完成模型耦合損耗因子的計(jì)算。其中左車門與左車門玻璃之間耦合損耗因子計(jì)算結(jié)果如下圖5所示。

圖4 內(nèi)損耗因子測(cè)試結(jié)果

圖5 左車門與左車門玻璃間耦合損耗因子計(jì)算結(jié)果

2.2 輸入激勵(lì)的確定

商用車駕駛室受到的激勵(lì)主要包括動(dòng)力總成振動(dòng)和路面振動(dòng)激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和駕駛室外表面聲輻射激勵(lì)、車外的風(fēng)激勵(lì)。由于商用車行駛速度一般在100 km／h以下，風(fēng)噪對(duì)車內(nèi)噪聲的影響并不顯著，因此建模時(shí)暫不考慮車外的風(fēng)激勵(lì)。

動(dòng)力總成振動(dòng)激勵(lì)和路面不平引起的振動(dòng)激勵(lì)通過測(cè)量駕駛室懸置處的振動(dòng)信號(hào)獲得。圖6為駕駛室左前懸置點(diǎn)加速度傳感器的布置。圖7為在怠速700 r／min測(cè)得的各個(gè)懸置處Z向振動(dòng)激勵(lì)。發(fā)動(dòng)機(jī)艙和駕駛室外表面聲輻射激勵(lì)的確定主要是通過在車身外表面和發(fā)動(dòng)機(jī)艙附近布置傳聲器來獲得相應(yīng)部位聲壓值［11］。其中車門和后圍傳聲器布置位置如圖8所示。在怠速700 r／min時(shí)，測(cè)得對(duì)應(yīng)聲壓結(jié)果如圖9所示。

圖6 駕駛室左前懸置點(diǎn)加速度傳感器的布置

圖7 怠速工況駕駛室懸置處振動(dòng)加速度曲線

圖8 傳聲器布置

3 考慮泄漏量的SEA噪聲仿真分析

現(xiàn)在的國產(chǎn)車輛車身密封性都不理想，不考慮車身孔縫泄漏聲的影響是不全面的，特別是在高頻段［12-13］。在實(shí)際駕駛室內(nèi)鈑金之間的搭接處、工藝孔洞附近等處存在一定的縫隙，這些縫隙對(duì)駕駛室室內(nèi)噪聲有較大的影響［14-15］。所以在建立精度SEA模型時(shí)，車體的泄漏是不可忽略的，而目前很少有研究者在利用SEA模型預(yù)測(cè)噪聲時(shí)考慮泄漏的問題。本節(jié)中將在前面建立的模型基礎(chǔ)上再把車輛泄漏量考慮進(jìn)去?？紤]泄漏量的噪聲分析首先需要做氣密性實(shí)驗(yàn)。

圖9 怠速700 r／min時(shí)的各部分聲壓值

3.1 氣密性實(shí)驗(yàn)

本文中主要利用保壓測(cè)試法來獲得車體泄漏量［15］，氣密性測(cè)試設(shè)備采用的是美國福祿達(dá)克（FD）的車身泄漏儀FH500。通過測(cè)試設(shè)備往車內(nèi)輸送空氣，使車內(nèi)壓力高于車外的大氣壓，達(dá)到設(shè)定的壓力差125 Pa并穩(wěn)定后，采集得到泄漏量。測(cè)試時(shí)，將通風(fēng)透氣口進(jìn)行封堵，同時(shí)將空調(diào)設(shè)為內(nèi)循環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。如圖10所示即為保壓測(cè)試法。

圖10 保壓測(cè)試法

測(cè)試得到駕駛室的泄漏量記為V，并記錄保壓測(cè)試下的主要泄漏點(diǎn)，然后測(cè)試每個(gè)泄漏點(diǎn)的泄漏量和泄漏量貢獻(xiàn)量，具體方法如下：

（1）利用膠布或者密封膠封堵某一個(gè)泄漏位置n，直至該處沒有煙霧冒出和沒有風(fēng)吹出；

（2）對(duì)封堵后的駕駛室進(jìn)行保壓測(cè)試，得到125 Pa壓力下的封堵后駕駛室的泄漏量Va；

（3）利用公式Vn＝V-Va可求得位置n的泄漏量Vn，并可求得其在整體泄漏量的百分比Vn／Va；

（4）拆除位置n處的密封措施后，對(duì)其他泄漏位置進(jìn)行密封。

將測(cè)試得到的結(jié)果根據(jù)貢獻(xiàn)量的大小對(duì)每個(gè)泄漏點(diǎn)進(jìn)行整改排序，得出結(jié)果如表1所示。

表1 氣密性試驗(yàn)結(jié)果、相應(yīng)等效泄漏面積、等效尺寸及等效形式

3.2 等效泄漏面積的推導(dǎo)

氣密性實(shí)驗(yàn)獲得的各泄漏點(diǎn)的泄漏量不能直接應(yīng)用，因?yàn)樵谀Ｐ椭行枰斎氲氖歉餍孤c(diǎn)的等效泄漏尺寸，而等效泄漏尺寸可由各泄漏點(diǎn)的等效泄漏面積反推得到。本文中主要運(yùn)用流體力學(xué)的伯努利方程推導(dǎo)等效總泄漏面積，然后將等效總泄漏面積按貢獻(xiàn)量比例分配到主要泄漏位置。

理想流體作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的伯努利方程為

式中：p為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)；ρ為流體密度；υ為流體在某點(diǎn)的流速；g為重力加速度；h為該點(diǎn)所在高度；C為恒量。氣密性實(shí)驗(yàn)中理想流體是空氣，而空氣質(zhì)量較小，所以由位置高度差造成的勢(shì)能可以忽略不計(jì)，方程式變?yōu)?/p>

氣密性設(shè)備測(cè)試原理如圖11所示，氣體的流向如箭頭所示，箭頭所在處為車廂進(jìn)氣口與泄漏口。

圖11 氣密性設(shè)備測(cè)試原理圖

在車廂進(jìn)氣口和泄漏口處，根據(jù)伯努利方程可得：

式中：p1為進(jìn)氣口處壓強(qiáng)即車內(nèi)壓強(qiáng)；v1為進(jìn)氣口處空氣流速；p0為泄漏口處壓強(qiáng)即車外大氣壓強(qiáng)；v2為泄漏口處空氣流速。

式中：Q為空氣流量；s為截面面積。

如果忽略空氣壓縮，則當(dāng)車內(nèi)壓力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，流出車廂的空氣流量Q2等于流入車廂的空氣流量 Q1，即 Q1＝Q2，于是式（5）變?yōu)?/p>

式中：s1為進(jìn)氣口的面積；s2為空氣泄漏口的面積即等效總泄漏面積；Q為設(shè)備測(cè)得的泄漏量。式（7）可寫為

式中Δp為車內(nèi)外壓差即車身泄漏儀上設(shè)置的壓差，125 Pa。

則等效總泄漏面積s2為

3.3 泄漏點(diǎn)的等效

將各個(gè)物理量單位統(tǒng)一后帶入式（9）計(jì)算。已知進(jìn)氣口截面積 s1直徑為15.24 cm；泄漏量 Q＝268.5 SCFM；車內(nèi)外壓差Δp＝125 Pa。將計(jì)算得出的等效總泄漏面積按照各個(gè)泄漏點(diǎn)的貢獻(xiàn)量百分比分配下去。各個(gè)泄漏點(diǎn)的等效泄漏面積計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中可見泄漏最大的部位是左右漏液孔，而駕駛室縱梁與后圍搭接處、前圍電器盒、車門把手、左右車門玻璃膠條等部位泄漏也比較大。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)泄漏處進(jìn)行不同的等效，各個(gè)泄漏點(diǎn)的等效形式如表1所示。根據(jù)不同的等效形式輸入相應(yīng)的等效尺寸（半徑／邊長），即可對(duì)該處的泄漏進(jìn)行仿真。

3.4 仿真分析

定義了各個(gè)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的物理屬性后，把3大參數(shù)和激勵(lì)輸入到模型中，同時(shí)對(duì)照實(shí)際泄漏位置，在SEA模型對(duì)應(yīng)面板上添加泄漏孔或者縫隙來模擬不同泄漏量的情況。以怠速700 r／min和勻速80 km／h為例，計(jì)算駕駛員頭部聲腔噪聲水平，與試驗(yàn)結(jié)果和未添加泄漏的仿真結(jié)果做對(duì)比，如圖12所示。圖中顯示在200-630 Hz的中低頻率段范圍內(nèi)，有無泄漏設(shè)置的仿真結(jié)果相差不大，幾乎一致。兩種工況下仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差都比較大，這與SEA方法的適用范圍有關(guān)。因?yàn)樵谠擃l率段內(nèi)，有部分骨架的模態(tài)數(shù)小于5，如地板縱梁，子系統(tǒng)的模態(tài)密度較低，頻帶內(nèi)的子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)少，致使結(jié)果在該頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)偏差。在630 Hz之后的高頻段內(nèi)，有泄漏設(shè)置的聲壓級(jí)明顯比無泄漏的高，并且更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線，由此看出泄漏對(duì)高頻噪聲影響比較大。表2是兩種工況下有無泄漏仿真的誤差比較。從表中可以看出，考慮了泄漏量的仿真總聲壓級(jí)絕對(duì)誤差均在2 dB（A）之內(nèi)，相對(duì)誤差均小于4%，相比于無泄漏的仿真，預(yù)測(cè)誤差分別減小了1.43和1.51 dB（A），說明添加了泄漏后的SEA模型是有效的，它能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)車內(nèi)的噪聲。

圖12 兩種仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

4 不同泄漏量對(duì)噪聲值的影響分析

選取怠速700 r／min和勻速80 km／h兩個(gè)工況，在不同的SCFM值下，對(duì)駕駛室內(nèi)噪聲（駕駛員右耳旁）進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表3所示，泄漏量對(duì)噪聲值影響曲線如圖13所示。

從表中可以看出：隨著泄漏量增大，噪聲值升高，其中怠速工況更為明顯。在泄漏量為400 SCFM時(shí)，怠速下的駕駛室內(nèi)噪聲結(jié)果要比0 SCFM時(shí)高出6.9 dB（A），80 km／h下高 4.5 dB（A），所以整車泄漏量對(duì)噪聲值有很大影響。泄漏量從400降低至150 SCFM，噪聲值在兩個(gè)不同工況下分別降低了2.1和1.7 dB（A）。泄漏量越小，駕駛室的聲學(xué)性能也越好。結(jié)合影響曲線，對(duì)照標(biāo)桿車的性能，綜合考慮工藝要求、實(shí)際成本與噪聲等多方面因素，將密封性能設(shè)定在150 SCFM較為合適。

表2 有無泄漏仿真的誤差比較

表3 不同泄漏量下的噪聲仿真結(jié)果

圖13 泄漏量對(duì)噪聲值影響曲線圖

5 駕駛室噪聲優(yōu)化改進(jìn)與驗(yàn)證

根據(jù)泄漏量對(duì)噪聲的影響，按照設(shè)定的密封目標(biāo)，對(duì)主要泄漏點(diǎn)開展有針對(duì)性的優(yōu)化整改［16］，其中泄漏較大部分的整改措施如圖14所示。

其它密封措施還包括：將車窗玻璃膠條的配合間隙由原來的10.5調(diào)整為2.78 mm；在左右車燈處增加密封海綿；在多處車身鈑金泄漏處涂焊接密封膠；對(duì)空調(diào)進(jìn)氣過濾風(fēng)門增加密封條；對(duì)后視鏡穿孔線增加密封膠套等。

通過以上方案進(jìn)行整改后，樣車的泄漏量在125 Pa壓力下為149.1 SCFM，達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。對(duì)駕駛室密封性能改進(jìn)之后，分別在怠速700 r／min和勻速80 km／h下再次測(cè)量駕駛室內(nèi)噪聲值，得到的結(jié)果與優(yōu)化前做對(duì)比，如表4所示。可以看出，密封性改進(jìn)之后，駕駛室內(nèi)的噪聲值在兩個(gè)工況下分別降低了1.82和1.31 dB（A）。泄漏量減小，噪聲降低，駕駛室的聲學(xué)性能得到了顯著提升。

表4 駕駛室噪聲總聲壓級(jí)優(yōu)化前與優(yōu)化后的對(duì)比

本文中采取的通過增加車體的密封性來取得降噪效果的措施得到了實(shí)驗(yàn)的有效驗(yàn)證，并且與其他降噪措施相比，該措施成本核算投入較少、實(shí)施工藝方便快捷、實(shí)施效果提升顯著。經(jīng)過車身氣密性的整改，還能發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的不足，可供后續(xù)車型的開發(fā)和生產(chǎn)質(zhì)量控制提供參考，以利于改善整車聲學(xué)環(huán)境。

圖14 密封性整改措施圖

6 結(jié)論

本文中結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)等手段確定了SEA 3大基本參數(shù)和輸入激勵(lì)。為更加真實(shí)地模擬駕駛室內(nèi)聲學(xué)環(huán)境，提出了考慮泄漏量的SEA仿真方法。采用伯努利方程推導(dǎo)了等效總泄漏面積，將實(shí)際泄漏點(diǎn)等效后輸入模型中仿真。與無泄漏的SEA仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了對(duì)比，結(jié)果顯示，考慮了泄漏量的SEA模型仿真精度提高，誤差減小了1.5 dB（A）左右，其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的絕對(duì)誤差小于2 dB（A），整體相對(duì)誤差小于4%，驗(yàn)證了該方法能提高SEA模型預(yù)測(cè)精度，能夠滿足工程上在產(chǎn)品開發(fā)階段對(duì)車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)的要求，可為汽車產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)階段的聲學(xué)設(shè)計(jì)和建立精度SEA模型提供參考。

在不同泄漏值下對(duì)駕駛室內(nèi)噪聲進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了泄漏量對(duì)噪聲值影響曲線。結(jié)合影響曲線與其他多方面因素，確定合適的泄漏值為150 SFCM。對(duì)樣車主要泄漏點(diǎn)開展有針對(duì)性的優(yōu)化整改，氣密性由整改前的268.5降到了 149.1 SCFM。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示，駕駛室內(nèi)的聲學(xué)性能提高，室內(nèi)噪聲值在兩個(gè)工況下分別降低了1.82和1.31 dB（A）。