基于聲腔隔斷的某車型后排轟鳴聲改善研究

孫召杰，馬玉婷，趙晶寶，安孝文，周 濤 Sun Zhaojie，Ma Yuting，Zhao Jingbao，An Xiaowen，Zhou Tao

基于聲腔隔斷的某車型后排轟鳴聲改善研究

孫召杰，馬玉婷，趙晶寶，安孝文，周 濤 Sun Zhaojie，Ma Yuting，Zhao Jingbao，An Xiaowen，Zhou Tao

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室 ，吉林 長春 130013）

某車型在加速工況、車速90～110 km/h、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 600～1 900 r/min范圍內(nèi)，存在60 Hz左右的后排低頻轟鳴聲問題。通過模態(tài)分析、面板貢獻(xiàn)量分析及NTF[2] （Noise Transfer Function，噪聲傳遞函數(shù)）分析等仿真分析及試驗手段，從傳遞路徑方面，提出車身后輪罩處聲腔填充隔斷材料方案，有效地降低了車內(nèi)后排轟鳴聲。

轟鳴聲；模態(tài)分析；NTF；聲腔隔斷

0 引 言

乘用車白車身大多由鋼板沖壓焊接而成，具有自身結(jié)構(gòu)的整體模態(tài)和局部模態(tài)。車內(nèi)空腔作為彈性體具有多階空腔模態(tài)，在低頻范圍內(nèi)與車身鈑金結(jié)構(gòu)振動耦合，產(chǎn)生耦合模態(tài)。這種低頻耦合模態(tài)在激勵作用下，在車內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力脈動，引起不適感，這種現(xiàn)象稱為轟鳴聲[1-3]。

通過模態(tài)分析、面板貢獻(xiàn)量分析及NTF[3] （Noise Transfer Function，噪聲傳遞函數(shù)）分析等仿真分析及試驗手段，從傳遞路徑方面，提出車身后輪罩處聲腔填充隔斷材料方案，有效地降低了車內(nèi)后排轟鳴聲。

1 后排轟鳴聲現(xiàn)象

發(fā)動機(jī)在某些特定轉(zhuǎn)速工況下，車內(nèi)產(chǎn)生轟鳴聲，轟鳴聲是一種在窄頻段內(nèi)相對較高能量的噪聲，會給駕駛員和乘客帶來不舒適感，甚至頭暈惡心。目前市場上用戶對汽車的NVH（Noise，Vibration，Harshness，噪聲、振動與聲振粗糙度）水平要求越來越嚴(yán)苛，因此車內(nèi)轟鳴聲的控制顯得格外重要[1，4]。

某車型加速行駛時，后排乘員感受到強(qiáng)烈壓耳的轟鳴聲。通過客觀測量，在6擋加速工況下，車速90～110 km/h、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1600～1900 r/min范圍內(nèi)，車內(nèi)存在60Hz左右的低頻轟鳴問題，如圖1所示，亟待解決。

圖1 某車型6擋加速工況車內(nèi)后排2階噪聲測試結(jié)果[4]

2 后排轟鳴聲傳遞路徑分析

解決NVH問題主要從激勵源、傳遞路徑、響應(yīng)等3個方面進(jìn)行。激勵源主要是發(fā)動機(jī)激勵和路面激勵；傳遞路徑主要是懸置系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、車身結(jié)構(gòu)等[5]；響應(yīng)主要表現(xiàn)為車身鈑金與聲腔耦合作用，在人耳處產(chǎn)生聲壓，如圖2所示。

圖2 后排轟鳴聲傳遞路徑分析

在進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)設(shè)計時，車身的立柱、輪轂包及側(cè)圍等區(qū)域會形成很多相互連續(xù)的空腔結(jié)構(gòu)，即旁路空腔[6]。這些空腔不僅影響整車氣密性、空氣聲傳播及結(jié)構(gòu)聲傳播，而且影響與車身鈑金之間的耦合關(guān)系；因此，對車身空腔進(jìn)行隔斷不僅能提升氣密性水平，還能抑制噪聲傳遞，提高整車 NVH 水平[7]。在量產(chǎn)車型的NVH問題解決過程中，受限于成本及時間因素，可通過附加措施找到快速優(yōu)化途徑，主要研究后側(cè)圍附近空腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1 模態(tài)分析

振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的特性，通過模態(tài)分析可了解車身結(jié)構(gòu)在特定頻率的振動特性。對某車型進(jìn)行仿真和試驗分析，后側(cè)圍外板和后輪罩外板區(qū)域都存在60Hz附近的結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲腔模態(tài)，如圖3所示。

圖3 后輪罩外板局部模態(tài)60.5 Hz（全飾車身CAE）

2.2 面板貢獻(xiàn)量分析

當(dāng)外界激勵通過車身結(jié)構(gòu)對車內(nèi)噪聲產(chǎn)生影響時，車身面板（前圍板、地板、頂蓋、側(cè)圍板、車門板、行李廂板等結(jié)構(gòu)）的動態(tài)特性和空腔聲學(xué)特性都會影響車內(nèi)噪聲[6]。面板振動會引起附近空氣的運(yùn)動，面板的體積速度施加到聲腔上，在人耳處形成聲壓。

建立某車型全飾車身模型及25個面板模型，如圖4所示。經(jīng)試驗分析，某車型后排轟鳴聲的主要激勵來源于排氣系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)；因此主要分析后排氣吊鉤連接點(diǎn)和后副車架連接點(diǎn)激勵作用下25個面板到車內(nèi)右后外耳的聲學(xué)貢獻(xiàn)量。后排氣吊鉤連接點(diǎn)激勵下，在60Hz附近后備廂蓋后部以及左、右后輪罩區(qū)域?qū)噧?nèi)后排乘客外耳噪聲貢獻(xiàn)量較大，如圖5所示。后副車架連接點(diǎn)激勵下，在60Hz附近頂蓋后部以及左、右后輪罩區(qū)域?qū)噧?nèi)后排乘客外耳噪聲貢獻(xiàn)量較大，如圖6所示。

圖4 面板模型（25個）[6]

圖5 全飾車身后排氣吊鉤連接點(diǎn)激勵下60 Hz處面板對車內(nèi)右后外耳聲學(xué)貢獻(xiàn)量[C7]

圖6 全飾車身后副車架連接點(diǎn)激勵下60 Hz處面板對車內(nèi)右后外耳聲學(xué)貢獻(xiàn)量

由以上分析初步判定：在60 Hz附近后輪罩區(qū)域局部模態(tài)與聲腔模態(tài)耦合是車內(nèi)轟鳴聲的原因之一。

后輪罩外板受限于焊序、夾具設(shè)計工藝及成本周期等因素，更改性價比低。在后輪罩區(qū)域空腔應(yīng)用聲腔隔斷措施，更具有工程可行性。

3 聲腔隔斷措施驗證

3.1 聲腔隔斷措施

吸聲材料的吸聲作用是乘用車重要的降噪措施。吸聲材料一般具有立體網(wǎng)狀連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)，能有效降低聲音在材料內(nèi)部的傳播能量。吸音棉作為聲學(xué)包常用材料之一，能有效填充后輪罩區(qū)域的空腔，也起到了隔振和吸聲的作用[8]。

3.2 優(yōu)化措施仿真分析

模擬后輪罩區(qū)域填充聲腔隔斷，如圖7所示，分別進(jìn)行NTF分析和面板貢獻(xiàn)量分析，用來確認(rèn)最佳實施方案。優(yōu)化后各激勵點(diǎn)到右后外耳的NTF、左側(cè)C柱及后側(cè)圍附近結(jié)構(gòu)到右后外耳的貢獻(xiàn)量在60Hz附近都有所降低，如圖8、圖9所示。外界激勵不變的情況下，聲腔局部修改相當(dāng)于優(yōu)化了聲傳遞函數(shù)，人耳處的聲壓產(chǎn)生變化。

圖7 全飾車身后輪罩區(qū)域優(yōu)化前、后對比

圖8 后排氣吊鉤右外固定點(diǎn)Z向NTF曲線[C8]

圖9 左后側(cè)圍附近結(jié)構(gòu)到右后外耳的貢獻(xiàn)量[C9]

3.3 聲腔隔斷方案試驗驗證

某車型后輪罩區(qū)域空腔內(nèi)填充隔斷材料后如圖10所示，在6擋加速（80 km/h加速到140 km/h）工況下，分析1 800 r/min附近后排2階噪聲變化，如圖11所示，通過試驗驗證后輪罩空腔最佳優(yōu)化方案。

圖10 某車型后輪罩區(qū)域填充隔斷材料方案

圖11 填充隔斷方案右后外耳處2階噪聲結(jié)果[C10]

根據(jù)后輪罩區(qū)域空腔大小以及成本周期，從常用的汽車聲學(xué)包材料中選用面密度為2400g/m2的PET[C11] （Polyethylene Terephthalate，聚對苯二甲酸乙二醇酯）吸音棉（圖12）。PET吸音棉成型好重量輕，可有效填充后輪罩外板和后側(cè)圍之間的空腔區(qū)域，且行李廂側(cè)護(hù)面安裝后能有效固定其位置。

通過整車試驗驗證最終方案，6擋加速（90km/h加速到100km/h）工況下，在1800 r/min附近后排2階噪聲下降1.1dB（A），車內(nèi)后排轟鳴聲有效降低。

圖12 某車型后輪罩區(qū)域填充材料最終方案

4 結(jié) 論

解決NVH問題主要從激勵源、傳遞路徑、響應(yīng)等3個方面進(jìn)行。主要從傳遞路徑方面選取最佳的性能提升方案，提出在后輪罩區(qū)域填充隔斷材料方案，優(yōu)化聲振傳遞路徑，有效降低某車型后排轟鳴聲。

（1）車身空腔不僅影響整車氣密性、空氣聲傳播及結(jié)構(gòu)聲傳播，而且影響與車身鈑金之間的耦合關(guān)系。對車身空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔斷不僅能提升氣密性水平，還能抑制噪聲傳遞，提高整車NVH水平。

（2）某車型在60 Hz附近，后輪罩區(qū)域局部模態(tài)與聲腔模態(tài)耦合是車內(nèi)轟鳴聲的原因之一。后輪罩區(qū)域添加隔斷材料后，在1 800 r/min附近后排2階噪聲下降1.1 dB（A），車內(nèi)后排轟鳴聲有效降低。

（3）選擇吸聲材料優(yōu)化聲腔結(jié)構(gòu)，達(dá)到了平衡整車NVH性能、成本和輕量化的要求。

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U461.4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.01.003

1002-4581（2020）01-0010-04