某車型防火墻總成隔聲性能的優(yōu)化改進(jìn)

摘要： 前圍內(nèi)隔音墊是汽車防火墻總成的重要隔音部件，研究了不同的前圍內(nèi)隔音墊材料、覆蓋率、軟層厚度分布、過孔本體隔聲、附件安裝工藝特征等對防火墻總成隔聲性能的影響。通過選取合適的材料組成及軟層厚度、提高隔音墊覆蓋率、提高過孔本體隔聲、降低泄漏量等手段實現(xiàn)對某車型防火墻總成隔聲性能的優(yōu)化改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：防火墻總成 隔聲量 前圍內(nèi)隔音墊

中圖分類號：U463.82" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240227

Optimization and Improvement of Sound Insulation Performance

of Firewall Assembly of A Vehicle Model

Liu Xiuying， Wang Yu， Huang Zhonghua， Song Jianxin， Zhu Lin， Zhao Fei

（Foton Research amp; Development Institute， Beijing 102206）

Abstract： The inner-dash sound insulation pad is an important part of the automobile firewall assembly. This paper studies the influence of different sound insulation pad materials， coverage rate， thickness distribution of soft layer and installation process characteristics of accessories on the sound insulation performance of the firewall assembly. The sound insulation performance of the firewall assembly of a vehicle model is optimized and improved through selecting appropriate material composition and soft layer thickness， improving the coverage rate of the sound insulation pad， and reducing the leakage amount.

Key words：" Firewall assembly， Sound insulation， Inner-dash sound insulation pad

1 前言

汽車的振動噪聲性能直接影響消費者的用車體驗，因此，主機(jī)廠在噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）方面的研發(fā)投入日益增加，有統(tǒng)計資料顯示[1]，各主機(jī)廠有近20%的研發(fā)費用用于解決NVH問題。

車輛的噪聲主要包括空氣傳播噪聲和結(jié)構(gòu)傳播噪聲，空氣傳播噪聲是指由于空氣的振動而產(chǎn)生的噪聲：噪聲頻率通常高于500 Hz；結(jié)構(gòu)傳播噪聲是指由結(jié)構(gòu)傳遞的噪聲。其中空氣傳播噪聲主要采用吸聲和隔聲的方式控制。頻率高于500 Hz的車內(nèi)噪聲主要來自空氣聲通道，如通過防火墻傳播的發(fā)動機(jī)噪聲，此時的降噪方式主要為隔聲[2]。

前圍內(nèi)隔音墊是安裝在防火墻上的主要內(nèi)飾件，其隔聲性能直接影響整車聲學(xué)包的隔聲性能，由于防火墻鈑金過孔的存在和鈑金件附件安裝及結(jié)構(gòu)形式的限制，存在前圍內(nèi)隔音墊厚度小及覆蓋率不足的問題，大幅降低了防火墻總成的隔聲水平[3]。

本文將理論和仿真相結(jié)合，分析前圍內(nèi)隔音墊厚度及厚度分布、覆蓋率、材質(zhì)、防火墻總成過孔率、泄漏對隔聲性能的影響，提出優(yōu)化設(shè)計方案，并通過防火墻隔聲量測試驗證分析結(jié)果。

2 某車型防火墻總成隔聲問題

某車型防火墻總成在試制階段的隔聲量測試結(jié)果遠(yuǎn)低于目標(biāo)值，為達(dá)到整車噪聲控制要求，需在綜合考慮質(zhì)量、成本、性能的情況下，優(yōu)化隔聲設(shè)計。

防火墻總成的隔聲量一般用傳遞損失（Sound Transmission Loss，STL）表示，STL越大，表示隔聲性能越好。如圖1所示，現(xiàn)有設(shè)計的防火墻總成的隔聲量全頻段低于目標(biāo)值，為此，對可能影響隔聲量的設(shè)計因素進(jìn)行分析，并提出可工程化的優(yōu)化手段。

通過仿真分別分析各影響因素，以評估當(dāng)前防火墻總成隔聲性能水平及主要影響因素，并提出防火墻總成隔聲性能的優(yōu)化方向，通過試驗驗證仿真分析結(jié)果。

3 防火墻隔聲性能模型建立與分析

防火墻總成由車身鈑金、吸音層、隔音層組成。吸音層選用一定厚度的吸聲材料輔助吸收噪聲，如聚氨基甲酸酯（Polyurethane，PU）發(fā)泡、毛氈、吸音棉等，隔音層采用高致密的隔音材料，如醋酸乙烯酯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate，EVA）。吸音層位于車身鈑金與隔音層之間，形成隔聲效果更好的雙層板隔聲結(jié)構(gòu)，其自身具有吸聲和隔振的作用。如圖2所示，聲能在傳播過程中，部分被反射或吸收，部分透射進(jìn)入車內(nèi)[4-6]。

統(tǒng)計能量法（Statistical Energy Analysis，SEA）作為中、高頻聲場分析的主要工具之一，廣泛于應(yīng)用整車聲學(xué)包優(yōu)化[7-8]。為尋找合理的提升隔聲量方案，首先通過SEA仿真對不同厚度及厚度分布、覆蓋率、材料、過孔、泄漏等影響因素進(jìn)行分析，并進(jìn)行優(yōu)化預(yù)測，通過仿真分析結(jié)果指導(dǎo)工程優(yōu)化設(shè)計。

本文的防火墻總成SEA模型使用VA One軟件進(jìn)行建模和分析。遵循模型簡化、載荷分布一致、位置細(xì)劃的原則，在有限元模型的基礎(chǔ)上完成SEA子系統(tǒng)的創(chuàng)建，繼而對各區(qū)域的聲學(xué)包材料屬性和厚度進(jìn)行自定義。本文仿真模型鈑金主體材料為厚度為0.7 mm的鋼板，部分區(qū)域附加厚度為1.0 mm的加強(qiáng)板；內(nèi)飾使用乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate，EVA）+聚氨基甲酸酯（Polyurethane，PU）的軟硬層組合。其中，PU為吸音層，EVA為隔音層，忽略工藝孔和定位孔，保留轉(zhuǎn)向過孔、空調(diào)進(jìn)風(fēng)口、空調(diào)冷媒管口、線束過孔、制動踏板過孔、離合踏板過孔、油門踏板過孔。分析內(nèi)飾材料時，采用橡膠密封過孔，以確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖3為本文所使用的防火墻總成SEA模型。

完成防火墻SEA建模后，在其兩側(cè)建立聲腔，分別用于模擬混響室和消聲室，并在混響室聲腔施加大小為1 Pa的聲載荷。最后，為所有SEA子系統(tǒng)與2個聲腔建立連接。

如圖4所示，通過調(diào)整鈑金厚度、鈑金剛度、阻尼、吸隔聲數(shù)據(jù)等參數(shù)校準(zhǔn)模型，所建立的前圍子系統(tǒng)隔聲量的仿真值與試驗值全頻段誤差均在3 dB以內(nèi)，其精度滿足分析要求，可進(jìn)行下一步的仿真優(yōu)化分析。

3.1 材料的影響

材料不同，前圍內(nèi)隔音墊的隔聲性能不同，如同等厚度（25 mm）的隔音墊，分別采用EVA（4 kg/m2）+PU（25 kg/m3）、雙密度毛氈（軟氈面密度1 200 kg/m2+硬氈面密度1 400 kg/m2）、毛氈（面密度1 200 kg/m2）3種材料時，防火墻總成的隔聲性能不同。本文考慮到吸聲的影響，采用噪聲降低值來表示隔聲量，即聲源腔聲壓級與接受腔聲壓級的差值（Noise Reduction，NR）分析，分析時將聲腔的吸聲系數(shù)設(shè)置為來自內(nèi)飾噪聲控制（Noise Control Treatments，NCT），如圖5所示。

由圖5可知：當(dāng)覆蓋率為100%時，EVA+PU的隔聲量最高，其次是雙密度氈，最后是普通毛氈；當(dāng)覆蓋率為95%時，雙密度氈的隔聲能力最好，其次是EVA+PU；當(dāng)覆蓋率為90%時，雙密度氈的隔聲能力最好，其次是普通毛氈。

綜上，隨著覆蓋率的降低，EVA+PU的隔聲性能逐漸下降，因此，EVA+PU材料適合在覆蓋率較高的情況下使用，若覆蓋率較低或考慮輕量化和降低成本，或前圍內(nèi)隔音墊插入損失要求較低時，建議選用雙密度氈或普通毛氈。

3.2 泄漏的影響

泄漏量是影響防火墻總成隔聲量的重要因素。對防火墻總成可能存在泄漏的位置（如線束過孔、制動踏板過孔、轉(zhuǎn)向過孔、空調(diào)膨脹閥）施加不同大小的泄漏，所得的防火墻隔聲性能曲線如圖6所示，全密封狀態(tài)的防火墻總成隔聲量約為75 dB，當(dāng)增加10 mm2的泄漏后，總成隔聲量顯著下降。當(dāng)泄漏量由10 mm2增大至25 mm2時，防火墻隔聲性能明顯降低，尤其是高頻隔聲性能，當(dāng)頻率為8 000 Hz時，隔聲量由10 dB降至25 dB。說明泄漏量越大，高頻隔聲性能下降越明顯，隨著泄漏量的增大，隔聲性能的衰減向中頻擴(kuò)展。

在設(shè)計中要充分考慮泄漏的可能性，如前圍鈑金的涂膠密封控制（點焊密封膠和焊縫密封膠）、過孔密封處理、過孔零部件的密封處理等，其次應(yīng)保證各項制造工藝的質(zhì)量。

3.3 覆蓋率的影響

在實際樣車開發(fā)過程中，受三踏板支架、儀表板（Instrument Panel，IP）支架、空調(diào)支架等的影響，鈑金會出現(xiàn)裸露。為研究鈑金的裸露面積對前圍內(nèi)隔音墊隔聲量的影響，設(shè)置前圍內(nèi)隔音墊的覆蓋率分別為99%、98%、97%、96%，分別計算4種覆蓋率條件下防火墻總成的隔聲量，如圖7所示。

由圖7可知，隨著覆蓋率的降低，防火墻總成隔聲量降低，當(dāng)覆蓋率為99%時，防火墻總成隔聲量最高，當(dāng)覆蓋率為96%時，防火墻總成覆蓋率最低，因此，設(shè)計中要盡量減少鈑金裸露。

隨著前圍內(nèi)隔音墊覆蓋率的降低，防火墻總成隔聲性能明顯降低，尤其是高頻隔聲性能。因此，覆蓋率越小，高頻隔聲性能下降越顯著，且隨覆蓋率的減小，隔聲性能的衰減逐漸向中頻擴(kuò)展。

3.4 吸音層厚度的影響

插入損失用于表示隔音墊本體的隔聲量，即去除鈑金后的隔音墊隔聲量。在EVA+PU材料相同的情況下，即EVA面密度（4 kg/m2）和PU軟層體密度（25 kg/m3）相同的情況下，不同PU厚度的隔音墊隔聲性能不同，其插入損失對比如圖8所示。由圖8可知，隨著PU厚度的增加，插入損失增加。面密度為4 kg/m2的EVA+厚度為5 mm的PUR的插入損失最低，面密度為4 kg/m2的EVA+厚度為25 mm的PUR的插入損失最高。但隨著厚度的增加，插入損失的增加量逐漸減小，PU厚度為20 mm和25 mm的前圍內(nèi)隔音墊隔聲量相差較小，PU軟層的厚度在一定范圍即可保證前圍子系統(tǒng)的隔聲量，無需追求高厚度，有利于整車的空間布置和輕量化設(shè)計。

基于上述結(jié)果，分析不同厚度分布比例對前圍內(nèi)隔音墊隔聲量的影響，4種厚度比例分布的隔聲量如表1所示。

SEA仿真分析得到的4種厚度下不同比例分配的STL如圖9所示，5 mm占比為5%的4#的STL值最高，5 mm占比為10%的1#～3#隔聲量差距較小，提高厚度為25 mm的占比，隔聲量提高較小。

通過分析不同厚度下不同比例分配的STL可知，5 mm的厚度占比是決定前圍內(nèi)隔音墊隔聲量的關(guān)鍵，即總成的隔聲量取決于其最薄弱位置的隔聲能力。因此，要盡量減小厚度為0～5 mm的PU占比，一般要求軟層厚度不低于5 mm。

3.5 過孔的影響

由于車身線束、制動踏板、離合踏板、油門踏板的裝配的影響，導(dǎo)致總成的隔聲量降低。經(jīng)分析，該車型的前圍隔音墊過孔隔聲貢獻(xiàn)量如圖10所示。在所有過孔中，離合踏板、制動過孔和IP支架貢獻(xiàn)最大，均超過7 dB，左、右線束過孔貢獻(xiàn)約為3 dB，過孔隔聲不足導(dǎo)致防火墻總成隔聲量低（包含泄漏）。

為保證過孔設(shè)計滿足隔聲要求，設(shè)定每個過孔的隔聲目標(biāo)，如圖11所示。原狀態(tài)防火墻總成的過孔隔聲量較低，不滿足目標(biāo)要求，需要優(yōu)化以提升各過孔的隔聲量，優(yōu)化后隔聲量明顯提升。

在SEA前圍子系統(tǒng)仿真模型中，對各過孔隔聲量進(jìn)行提升，如圖12所示，當(dāng)過孔隔聲量達(dá)到目標(biāo)值后，防火墻總成的隔聲量最大可提升10 dB。

因此，防火墻總成的過孔設(shè)計要考慮其對隔聲量的影響，如線束膠套、制動踏板過孔、空調(diào)過孔膠套設(shè)計等，避免因過孔本身隔聲不足導(dǎo)致防火墻總成隔聲量降低。

4 優(yōu)化改進(jìn)方案

根據(jù)前圍內(nèi)隔音墊厚度及厚度分布、覆蓋率、過孔設(shè)計、材料、泄漏量對防火墻總成隔聲性能的影響，同時考慮成本、輕量化要求以及性能，對該車型的防火墻總成進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，如表2所示。

在仿真模型中對以上的優(yōu)化方案進(jìn)行仿真計算，如圖13所示，仿真分析表明，在現(xiàn)有EVA+PU材料的情況下，通過優(yōu)化厚度及分布、覆蓋率、過孔等，可使防火墻總成傳遞損失（STL）滿足目標(biāo)要求。

5 試驗驗證

參考仿真結(jié)果，考慮覆蓋率、厚度分布、過孔隔聲等對防火墻總成隔聲量影響，在消除鈑金裸露、減小薄弱點厚度（軟層厚度小于5 mm）的占比、過孔優(yōu)化的情況下，采用現(xiàn)有前圍內(nèi)隔音墊即可達(dá)到參考目標(biāo)要求。為驗證仿真的可靠性，對優(yōu)化后的防火墻總成進(jìn)行隔聲量測試，結(jié)果如圖14所示，優(yōu)化后的防火墻總成傳遞損失仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合較好。

綜上，該車型的防火墻總成SEA分析的仿真方法可靠，仿真值與試驗值吻合度較好，可作為改善方案效果預(yù)測的有效手段。

6 結(jié)束語

本文通過SEA仿真分析前圍內(nèi)隔音墊軟層厚度及厚度分布、覆蓋率、過孔設(shè)計、材質(zhì)、泄漏對防火墻總成隔聲性能的影響，并通過防火墻總成隔聲量測試驗證仿真分析結(jié)果。其中，SEA方法的應(yīng)用是優(yōu)化改進(jìn)的關(guān)鍵，可快速預(yù)測不同的方案對防火墻總成隔聲性能影響，亦可在項目早期控制影響因素，實現(xiàn)正向開發(fā)，減少設(shè)計變更成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊洋， 褚志剛， 袁苗達(dá)， 等. 汽車前圍板隔聲量測定及改進(jìn)[J]. 噪聲與振動控制， 2014 （2）： 212-215.

[2] 鄧江華， 宋俊， 李燦， 等.乘用車聲學(xué)包設(shè)計開發(fā)與優(yōu)化技術(shù)研究[J].聲學(xué)技術(shù)， 2015， 34（3）： 353-357.

[3] 鄧江華. 防火墻總成特性對汽車聲學(xué)包性能影響[J].噪聲與振動控制， 2014， 34（3）： 78-81+85.

[4] 宗軼琦， 谷正氣， 張勇， 等. 基于LES-FE-SEA混合方法的車內(nèi)湍流噪聲數(shù)值預(yù)測與控制研究[J]. 汽車工程， 2017， 39（12）： 1417-1424.

[5] 龐劍， 諶剛， 何華. 汽車噪聲與振動－理論與應(yīng)用[M]. 北京： 北京理工大學(xué)出版社， 2008.

[6] 許雪瑩. 基于經(jīng)典聲學(xué)理論的聲學(xué)包輕量化研究[J]. 汽車技術(shù)， 2018（12）： 51-54.

[7] 靳曉雄， 葉武平， 丁玉蘭. 基于統(tǒng)計能量分析法的轎車內(nèi)室噪聲優(yōu)化與控制[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2002（7）： 862-867.

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