基于統(tǒng)計(jì)能量方法的電動(dòng)汽車高頻噪聲分析

郝耀東 李洪亮 冷永剛 顧燦松 董俊紅

摘 ?要：相對(duì)于傳統(tǒng)動(dòng)力汽車，高頻噪聲是電動(dòng)汽車主要的NVH問(wèn)題，而統(tǒng)計(jì)能量方法是目前解決高頻問(wèn)題的主要手段。文章以某電動(dòng)車為例，對(duì)其車內(nèi)高頻噪聲問(wèn)題進(jìn)行了研究，首先建立了電動(dòng)車的整車統(tǒng)計(jì)能量模型，進(jìn)行了聲學(xué)包裝零件吸聲、隔聲性能測(cè)試，對(duì)車輛加速的工況下的聲載荷進(jìn)行了測(cè)試，將聲載荷測(cè)試結(jié)果加載至整車模型中，實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)高頻噪聲的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比表明，文章提出的方法可以較好的進(jìn)行電動(dòng)汽車車內(nèi)高頻噪聲分析。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;車內(nèi)噪聲;高頻;統(tǒng)計(jì)能量方法

中圖分類號(hào)：U463.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）24-0011-03

Abstract： Compared with traditional power vehicles， high frequency noise is the main NVH problem of electric vehicles， and the Statistical Energy Analysis is the main method adopted to solve the high frequency problem. This paper takes an electric vehicle as an example to study the problem of high-frequency interior noise of the vehicle. Firstly， the statistical energy model of the electric vehicle was established， and the sound absorption and sound insulation performance of the acoustic packaging parts were tested. The acoustic load of the vehicle under the condition of acceleration was tested， and the acoustic load test results were loaded into the vehicle model to calculate the high frequency noise inside the vehicle. The comparison between the calculation results and the test results shows that the method proposed in this paper can be used to analyze the high frequency noise in electric vehicles.

Keywords： electric mobile; interior noise; high frequency; statistical energy analysis

引言

伴隨著全球能源（特別是石油資源）危機(jī)、環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，在汽車行業(yè)政策的推動(dòng)下，新能源汽車快速發(fā)展。相對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車，新能源汽車車內(nèi)高頻噪聲問(wèn)題更加突出。沒(méi)有了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及其掩蔽效應(yīng)，一些噪聲源如電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、其他電子器件及輔助設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲便凸顯出來(lái)，雖然車內(nèi)噪聲整體水平低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車，但是電動(dòng)汽車車內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的令人煩擾的高頻噪聲，給駕乘人員帶來(lái)不一樣的主觀感受[1]。因此，行業(yè)關(guān)注點(diǎn)向高頻區(qū)域轉(zhuǎn)移，針對(duì)車內(nèi)高頻噪聲控制及優(yōu)化技術(shù)日益引起各大汽車廠商、科研單位的重視。車內(nèi)聲學(xué)性能是汽車舒適性最重要的組成部分之一，根據(jù)頻率的高低，可以分為低頻問(wèn)題（20～200Hz）、中頻問(wèn)題（200～500Hz）和高頻問(wèn)題（>500Hz）。其中，不同于解決中低頻問(wèn)題的有限元方法和邊界元方法，國(guó)際上普遍采用統(tǒng)計(jì)能量方法（SEA）進(jìn)行高頻噪聲問(wèn)題的分析和計(jì)算。

統(tǒng)計(jì)能量分析（Statistical Energy Analysis，SEA）方法是目前解決高頻噪聲問(wèn)題的一種有效方法[2-4]。2001年，王震坡等人介紹了建立汽車SEA模型的方法和國(guó)產(chǎn)，并對(duì)兩款車型駕駛艙的噪聲特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)和對(duì)比[5]。2009年，吉林大學(xué)的王登峰[6]等人建立了某國(guó)產(chǎn)車型的SEA模型，分析預(yù)測(cè)了車內(nèi)噪聲的1/3倍頻程頻譜，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。賀巖松[7]等人研究了內(nèi)損耗因子的變化對(duì)SEA子系統(tǒng)間能量傳遞的影響，使用三種不同的方案添加阻尼材料，預(yù)測(cè)了駕駛員頭部聲腔聲壓級(jí)的變化趨勢(shì)。

本文首先建立了整車統(tǒng)計(jì)能量模型，包括結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、聲腔子系統(tǒng)、聲學(xué)包裝以及子系統(tǒng)之間的連接。其次，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)聲學(xué)包裝的吸聲性能和隔聲性能進(jìn)行了定義。再次，對(duì)勻速工況和加速工況下車輛聲載荷進(jìn)行了測(cè)試。最后，將聲載荷測(cè)試結(jié)果加載至整車模型上，進(jìn)行了車內(nèi)高頻噪聲分析，并將分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 整車統(tǒng)計(jì)能量模型建立

將整車有限元模型導(dǎo)入VA One軟件中，劃分子系統(tǒng)，選擇能夠描述子系統(tǒng)形狀特征的節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)化子系統(tǒng)模型，創(chuàng)建子系統(tǒng)SEA模型。建立好的整車結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)SEA模型如圖1，共包括1172個(gè)平板子系統(tǒng)。

根據(jù)車身結(jié)構(gòu)及車內(nèi)空間分布，建立車內(nèi)車外聲腔子系統(tǒng)，檢查并修正車內(nèi)外聲腔子系統(tǒng)。為了準(zhǔn)確的分析聲音的傳遞路徑和能量傳遞，根據(jù)座椅的位置將樣車車內(nèi)聲腔劃分為前排、二排、后備箱三部分，坐標(biāo)平面XZ把聲腔再次劃分成左右兩部。為了能更準(zhǔn)確反映駕駛員頭部能量變化和能量傳導(dǎo)路徑，將前排、二排、后備箱聲腔劃分為上中下三層，分別對(duì)應(yīng)頭部、胸部、腿部空間。建立車內(nèi)聲腔SEA模型如圖2所示，共包含80個(gè)聲腔子系統(tǒng)。

在外聲腔周圍增加5個(gè)半無(wú)限流體，并與外聲腔連接。結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)建立后，通過(guò)VA One軟件的自動(dòng)連接功能將各子系統(tǒng)連接。

將各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行連接，完成整車模型的創(chuàng)建，包括板件與板件之間，板件與聲腔之間，聲腔與聲腔之間，保證能量在各子系統(tǒng)之間的傳遞。

根據(jù)整車板件結(jié)構(gòu)屬性和聲學(xué)包的物理屬性，將相應(yīng)的物理屬性賦予板件，并將聲學(xué)包性能賦予對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)參數(shù)的定義包括車身結(jié)構(gòu)鈑金材料屬性定義（材料彈性模量、泊松比、密度、結(jié)構(gòu)厚度）、聲腔特性定義、聲包材吸聲系數(shù)、插入損失及子系統(tǒng)的模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子等。其中，聲學(xué)包材料的吸聲系數(shù)和插入損失需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試的方法獲得。

整車SEA模型的準(zhǔn)確性是進(jìn)行聲學(xué)包優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提，為了使整車SEA模型更加完善、車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，測(cè)量了車內(nèi)聲學(xué)包裝材料的吸隔聲特性，并將其加入到所研究的整車SEA模型中。

2 聲學(xué)包吸隔聲性能定義

整車SEA模型的準(zhǔn)確性是進(jìn)行聲學(xué)包優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提，為了使整車SEA模型更加完善、車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，測(cè)量了車內(nèi)聲學(xué)包裝材料的吸隔聲特性，并將其加入到所研究的整車SEA模型中。

對(duì)防火墻、地板、行李箱地板等主要車身部件的聲學(xué)包材料，在體積為9m3的混響室內(nèi)進(jìn)行了吸聲測(cè)試，其中測(cè)試樣件的尺寸為1m*1.2m，如圖3所示。

采用聲強(qiáng)法在由相連的混響室、消聲室構(gòu)成的測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行部件隔聲性能試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，在混響室（聲源室）窗口右側(cè)墻角處放置無(wú)指向聲源，在離窗口1米的距離處放置4個(gè)聲壓傳感器測(cè)量混響室的平均聲壓級(jí)。其中，4個(gè)傳聲器間距為30cm，第一個(gè)傳聲器與左側(cè)墻壁距離為195cm，傳聲器布置高度從左到右依次為150cm，160cm，170cm，180cm。在消聲室內(nèi)安裝聲強(qiáng)探頭，測(cè)量試件測(cè)量面的平均法向聲強(qiáng)級(jí)，需要強(qiáng)調(diào)的是消聲室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)分布在一個(gè)假想的、將測(cè)試樣件覆蓋的半球形包絡(luò)面上。對(duì)防火墻、地板、行李箱地板、前車門、后車門等主要車身部件鈑金及粘附聲包材料后進(jìn)行了隔聲量測(cè)試，如圖4所示。

將試驗(yàn)測(cè)得的聲學(xué)包零件的吸聲系數(shù)曲線和插入損失曲線定義至整車SEA模型中。

3 聲載荷測(cè)試

傳對(duì)所研究樣車進(jìn)行整車聲載荷測(cè)試，以獲取不同工況下車身外側(cè)聲激勵(lì)分布與車內(nèi)噪聲響應(yīng)，從而為整車SEA模型車內(nèi)聲響應(yīng)預(yù)測(cè)提供載荷輸入，通過(guò)SEA模型預(yù)測(cè)聲響應(yīng)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，就可以驗(yàn)證整車SEA模型的準(zhǔn)確性。

根據(jù)噪聲載荷分布特點(diǎn)和車身結(jié)構(gòu)SEA子系統(tǒng)劃分規(guī)則，將車身劃分為不同的聲腔。然后將麥克風(fēng)布置于車身各區(qū)域表面，每個(gè)區(qū)域布置不少于3個(gè)傳聲器，與車身之間的距離為5cm。聲載荷測(cè)試時(shí)過(guò)程中麥克風(fēng)布置如圖5所示。

在整車半消聲室轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行聲載荷測(cè)試，采用兩驅(qū)轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓面選擇標(biāo)準(zhǔn)噪聲路面。通過(guò)數(shù)據(jù)采集前端和傳聲器，分別記錄怠速、加速、勻速工況下車輛各測(cè)點(diǎn)位置傳聲器的聲壓級(jí)。對(duì)處于同一聲腔中的傳聲器測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行能量平均，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)即為對(duì)應(yīng)聲腔位置的聲載荷數(shù)據(jù)。

4 車內(nèi)高頻噪聲分析與對(duì)標(biāo)

通過(guò)建立好的整車SEA模型，計(jì)算將全負(fù)荷加速WOT工況下的車內(nèi)噪聲，轉(zhuǎn)速變換范圍為1000～8000rpm。切片提取5000rpm工況下測(cè)得的車身外表面的聲壓數(shù)據(jù)施加于整車SEA模型對(duì)應(yīng)的外聲腔空間子系統(tǒng)。聲載荷通過(guò)面連接向車內(nèi)傳遞引起車內(nèi)聲響應(yīng)，進(jìn)行車內(nèi)噪聲響應(yīng)分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，如圖6所示。由圖6可知，基于SEA模型的駕駛員右耳旁1/3倍頻帶聲壓級(jí)譜的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體趨勢(shì)一致，誤差可控制在3dB以內(nèi)，具有較高的精度。

5 結(jié)論

本文采用統(tǒng)計(jì)能量方法對(duì)電動(dòng)汽車車內(nèi)高頻噪聲進(jìn)行了分析。建立了整車SEA模型，通過(guò)吸聲系數(shù)試驗(yàn)和插入損失試驗(yàn)測(cè)量了聲學(xué)包的吸隔聲特性;在整車SEA模型中加載測(cè)試得到的聲載荷激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)了整車高頻噪聲的計(jì)算。仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表面，本文建立的整車SEA模型具有較高的準(zhǔn)確性，可以較為精確實(shí)現(xiàn)車內(nèi)高頻噪聲的計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)：理論與應(yīng)用[M].北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]劉濤，顧彥，等.統(tǒng)計(jì)能量分析在汽車車內(nèi)噪聲分析中的應(yīng)用[J].噪聲與振動(dòng)控制，2006，26（2）：66-69.

[3]Chadwyck Musser.Prediction of Vehicle Interior Sound Pressure Distribution with SEA[C].SAE Paper，2011.

[4]Liangyu Huang，Pamkumar Krishnan. Development of a luxury vehicle acoustic package using SEA full vehicle model[C]. SAE Paper，2003.

[5]王震坡，何洪文.統(tǒng)計(jì)能量方法用于汽車振動(dòng)噪聲的分析研究[J].汽車科技，2001（6）：10-12.

[6]王登峰，陳書(shū)明，曲偉，等.車內(nèi)噪聲統(tǒng)計(jì)能量分析預(yù)測(cè)與試驗(yàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工），2009（s1）：68-73.

[7]賀巖松，張輝，等.基于FE-SEA混合法的車身板件降噪分析[J].振動(dòng)與沖擊，2016，35（23）：234-240.