杜愛民，邵長慧，邵建旺，魏 娜

(1.同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804;2.上汽乘用車技術(shù)中心，上海201804)

0 引 言

車輛行駛過程中，發(fā)動機是主要的噪聲源之一［1］.聲學(xué)包是使噪聲在噪聲源到駕駛室傳播過程中得到有效阻隔的一種方法［2］.常用的聲學(xué)包一般采用吸隔聲材料組合，吸聲材料貼合車身板件布置，位于第一層，主要有玻璃棉、聚氨酯(Polyurethane，PU)泡沫等;隔聲材料位于第二層，主要有三元乙丙橡膠(Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM)，聚 乙 烯(Ethylene vinyl Acetate，EVA)等［3］.

整車中，前圍將發(fā)動機艙和駕駛室分隔開，主要隔絕和吸收來自發(fā)動機艙的中高頻噪聲.地板位于駕駛室下方，是整個車身結(jié)構(gòu)的最底層，前連前圍，后接后座隔板，是車內(nèi)噪聲控制的重要部位.研究表明，前圍和地板是噪聲向駕駛室傳播的主要途徑［4］，針對前圍和地板的聲學(xué)包優(yōu)化至關(guān)重要.正交優(yōu)化設(shè)計是一種試驗方案優(yōu)化設(shè)計，可實現(xiàn)用最少的試驗獲得最優(yōu)效果.本文以某款國產(chǎn)乘用車為研究對象，基于統(tǒng)計能量分析(Statistical Energy Analysis Method，SEA)模型，利用正交優(yōu)化方法對前圍和地板聲學(xué)包進行優(yōu)化設(shè)計，以降噪性能和輕量化為評價指標(biāo)，確定最優(yōu)聲學(xué)包設(shè)計方案.

1 模型建立

根據(jù)該乘用車原始聲學(xué)包，在整車SEA 模型中，對應(yīng)各子系統(tǒng)創(chuàng)建聲學(xué)包結(jié)構(gòu).對前圍和地板區(qū)域聲學(xué)包重點建模.通過前圍和地板的有限元模型，建立結(jié)構(gòu)子系統(tǒng).在子系統(tǒng)的兩側(cè)分別建立的10m×10m×10m 的聲腔子系統(tǒng)，分別定義為聲源腔和接受腔，并在聲源腔施加1Pa 的聲壓約束載荷.最后定義各子系統(tǒng)材料屬性和物理屬性.SEA模型如圖1 和圖2 所示.

圖1 前圍SEA 分析模型

圖2 地板SEA 分析模型

圖3 前圍子系統(tǒng)優(yōu)化前的隔聲量曲線

在前圍和地板子系統(tǒng)的SEA 模型中，計算得到各自的隔聲量，如圖3 和圖4 所示.前圍和地板子系統(tǒng)的隔聲量隨著頻率的增加而逐漸增加，但是地板子系統(tǒng)隔聲量均值高于前圍子系統(tǒng).

圖4 地板子系統(tǒng)優(yōu)化前的隔聲量曲線

圖5 駕駛員頭部聲腔聲壓級在聲學(xué)包簡化前后的對比圖(空調(diào)關(guān))

圖6 駕駛員頭部聲腔聲壓級在聲學(xué)包簡化前后的對比圖(空調(diào)開)

2 聲學(xué)包優(yōu)化

聲學(xué)包隔聲量的大小與組成材料、密度、厚度、覆蓋率、泄露等因素有關(guān)［5～6］.優(yōu)化前先對聲學(xué)包參數(shù)進行簡化:計算前圍和地板聲學(xué)包PU 泡沫平均厚度分別為14.8mm 和15.3mm，聲學(xué)包平均覆蓋率分別為79.19%和93.89%.通過選取對比怠速空調(diào)關(guān)和怠速空調(diào)開兩種工況下，駕駛員頭部聲腔和右后排乘客頭部聲腔在聲學(xué)包簡化前后的聲壓，檢驗簡化模型的可行性.如圖5 ～圖6 所示.

可以看出，在500 ～1000 Hz 頻率范圍內(nèi)，聲學(xué)包簡化前后的車內(nèi)聲壓級偏差較大，但均小于3dB，而在其它頻率段，聲學(xué)包簡化前后的聲壓級曲線幾乎吻合.綜上所述，利用PU 泡沫的平均厚度和聲學(xué)包的平均覆蓋率來簡化前圍和地板聲學(xué)包，對整車SEA 模型的預(yù)測準(zhǔn)確度影響較小，因此，可以用簡化模型進行聲學(xué)包的優(yōu)化分析.

2.1 前圍聲學(xué)包正交優(yōu)化

表1 列出了原始的前圍聲學(xué)包狀態(tài)，也是正交設(shè)計的4 個因素.設(shè)置PU 泡沫厚度的上下限為25mm 和10mm，EVA 材料的面密度為2 ～7 kg/m2.考慮實際安裝，將覆蓋率上限設(shè)置95%.針對子系統(tǒng)的泄露問題，采用不同厚度的硬橡膠作為堵件，一般設(shè)置2.5mm 硬橡膠作為上限值.另外，本文參考了一組實際的堵件隔聲量曲線，如圖7 所示.可以看出，該曲線相比于2.5mm 硬橡膠曲線，隔聲量有很大的提升.

表1 前圍聲學(xué)包優(yōu)化前的狀態(tài)

圖7 橡膠堵件隔聲量對比圖

綜合考慮每個因素水平與隔聲量的關(guān)系，采用4 因素3 水平的標(biāo)準(zhǔn)正交表L9(34)進行設(shè)計，具體如表2 所示.

圖8 隔聲量的主效應(yīng)圖

圖9 聲學(xué)包總質(zhì)量的主效應(yīng)圖

圖10 前圍聲學(xué)包優(yōu)化前后隔聲量對比圖

因水素平 厚P度U (泡m沫m)EV(A kg 面/m密2)度 聲覆學(xué)蓋包率 堵件設(shè)置1 10 3 79.19% 1.0 mm

2 14.8 5 85% 2.5 mm 3 25 7 95%試驗值

表3 為正交試驗方案，共有9 次試驗.PU 泡沫厚度、EVA 面密度、聲學(xué)包覆蓋率、堵件設(shè)置分別對應(yīng)因素A、B、C、D，編號6 的設(shè)置與原前圍聲學(xué)包模型相匹配，可作為一個基準(zhǔn).

表3 L9 正交試驗表

據(jù)試驗編號修改前圍聲學(xué)包模型中4 因素的水平，分別仿真得到各試驗方案的隔聲量與聲學(xué)包總質(zhì)量，如表4 所示.

圖11 地板聲學(xué)包優(yōu)化前后隔聲量對比圖

表4 正交優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

6 37.9846 7.5344 7 38.7896 6.0251 8 43.0084 6.767 9 32.0714 9.1408

借助優(yōu)化軟件iSIGHT，得到關(guān)于隔聲量TL 和聲學(xué)包總質(zhì)量M 的主效應(yīng)圖，如圖8 和圖9 所示.其中橫坐標(biāo)代表A、B、C 和D 的四個因素，其中每個因素又分1，2 和3 三個水平，縱坐標(biāo)分別表示某一元素水平下對應(yīng)隔聲量和聲學(xué)包總質(zhì)量的平均值.

由圖8 可知，A 元素第1 水平對應(yīng)的隔聲量值最大，則A 元素的最優(yōu)水平為第1 水平，同樣，B 元素的最優(yōu)水平為第3 水平，C 元素的最優(yōu)水平是第3 水平.對D 元素而言，隨水平的增加，隔聲量數(shù)值也逐漸增加，故最優(yōu)水平是第3 水平.計算各因素對應(yīng)隔聲量的極差，進而可知各因素對隔聲量的影響力排序.D 元素極差最大，C 元素次之，然后是B元素，最后是A 元素，因此，對隔聲量的因素影響力大小排序為D，C，B，A.

如圖9 所示，A，B，C，D 元素對應(yīng)的最優(yōu)水平分別為第1 水平、第1 水平、第1 水平、第2 水平.由極差分析可知，因素對聲學(xué)包總質(zhì)量的影響力大小排序為B，A，C，D.最優(yōu)水平和極差分析如表5所示.

表5 最優(yōu)水平和極差分析表

表6 最優(yōu)聲學(xué)包方案

表7 地板聲學(xué)包優(yōu)化前的狀態(tài)

表8 因素水平表

由表5 可知，方案A1B3C3D3隔聲量最大，但聲學(xué)包總質(zhì)量超出原始數(shù)值.方案A1B1C1D2聲學(xué)包質(zhì)量最小，但隔聲量也較小.為同時滿足降噪和聲學(xué)包輕量化，采用綜合平衡法分析:A 元素對聲學(xué)包總質(zhì)量影響程度遠大于對隔聲量的影響，因此，最優(yōu)水平按聲學(xué)包總質(zhì)量對應(yīng)的最優(yōu)水平進行選擇，即第1 水平;同理，B 元素對聲學(xué)包總質(zhì)量的影響大于對隔聲量的影響，按照聲學(xué)包總質(zhì)量的最優(yōu)水平選擇水平1;C 元素對隔聲量的影響較大，選水平3 為最優(yōu)水平;D 元素對隔聲量的影響程度大于對總質(zhì)量的影響，最優(yōu)水平為第3 水平.由此，最優(yōu)聲學(xué)包方案為A1B1C3D3，如表6 所示.

由于最優(yōu)方案不在試驗的9 個方案中，因此，要在前圍SEA 模型中重新設(shè)置聲學(xué)包參數(shù)，計算隔聲量和聲學(xué)包總質(zhì)量.

2.2 地板聲學(xué)包正交優(yōu)化

表7 為地板聲學(xué)包優(yōu)化前的狀態(tài).PU 泡沫厚度、EVA 面密度、聲學(xué)包覆蓋率和堵件設(shè)置是正交優(yōu)化設(shè)計的4 個因素，對每個因素3 個水平的初選結(jié)果如表8 所示.

1 10 2 85%無2 15.3 3.2 90% 2.5 mm 3 25 5 93.89%試驗值

選用4 因素3 水平的正交試驗表L9(34)，計算結(jié)果如表9 所示.其中，地板聲學(xué)包的原有狀態(tài)為編號5.

表9 L9 正交試驗表及試驗結(jié)果

隔聲量與聲學(xué)包總質(zhì)量的最優(yōu)水平和極差大 小排序如表10 所示.

根據(jù)綜合平衡法，選擇第3 水平作為A 因素的最優(yōu)水平，第1 水平作為B 因素的最優(yōu)水平.C元素選取第3 水平為最優(yōu)水平，D 元素選取第2 水平最優(yōu)水平.因此，地板最優(yōu)聲學(xué)包方案為A3B1C3D2，即7 號試驗方案.具體如表11 所示.

表11 最優(yōu)聲學(xué)包方案

3 聲學(xué)包最優(yōu)方案驗證

圖16 和17 分別為前圍和地板聲學(xué)包優(yōu)化前后隔聲量對比圖.

由圖10 知，優(yōu)化后的前圍隔聲量曲線在500Hz 附近數(shù)值有所下降，這是共振的影響所導(dǎo)致的，而在500 ～2000 Hz 頻率段，隔聲量數(shù)值得到了很大的提升.在高于500Hz 頻率范圍內(nèi)，隔聲量曲線達到最大值.經(jīng)計算得到優(yōu)化后隔聲量均值為43.888dB，比原有隔聲量均值37.9846 dB 增加了5.9034 dB.

由圖11 可知，在500 ～800 Hz 頻率段，優(yōu)化后的地板隔聲量增幅很大，當(dāng)頻率高于800Hz，隔聲量的增長速度減慢，但總趨勢還是增加的，數(shù)值上高于原始數(shù)值.在整個分析頻率范圍內(nèi)，隔聲量均值為48.2511dB，比優(yōu)化前的45.3716 dB 增加了2.8795 dB.

當(dāng)頻率大于630Hz 時，無論空調(diào)關(guān)或開，聲學(xué)包優(yōu)化后，駕駛員耳旁聲壓級和右后排乘客耳旁聲壓級均有所降低，前后對比如表12 所示.駕駛員耳旁聲壓級在怠速空調(diào)關(guān)和開兩種工況下的平均降幅均為1.4dB，右后排乘客耳旁聲壓級平均降幅分別為0.7dB 和0.8dB.

表12 怠速工況下聲學(xué)包改進前后車內(nèi)噪聲結(jié)果對比(630Hz 以上)

質(zhì)量方面，計算得知前圍和地板聲學(xué)包分別減重3.2386kg 和1.183kg，實現(xiàn)了聲學(xué)包輕量化，提高了燃油經(jīng)濟性.

4 小 結(jié)

首先在前圍和地板SEA 模型中建立聲學(xué)包，并在優(yōu)化前對聲學(xué)包參數(shù)進行簡化.然后通過正交優(yōu)化設(shè)計方法，從PU 泡沫厚度、EVA 面密度、聲學(xué)包覆蓋率、堵件設(shè)置方面對前圍和地板聲學(xué)包進行優(yōu)化，獲得最佳方案，達到提高降噪性能和聲學(xué)包輕量化的目的.

［1］ 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］.同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2002，30(7):862－867.

［2］ 孫成武，陳黨輝，靳干，俞燕.乘用車聲學(xué)包設(shè)計［J］.汽車工程師，2014，09:22－24.

［3］ 鄧江華，宋俊.基于統(tǒng)計能量方法的乘用車聲學(xué)包設(shè)計開發(fā)與優(yōu)化［A］.中國汽車工程學(xué)會.2013 中國汽車工程學(xué)會年會論文集［C］.中國汽車工程學(xué)會，2013:7.

［4］ Jianwang Shao，Xian Wu，Na Wei，et al.Optimal Design of Vehicle Dash and Floor Sound Package Based on Statistical Energy Analysis［C］.SAE Paper No.2015－01－0661.

［5］ 曾小華，王慶年，王偉華，等.正交優(yōu)化設(shè)計理論在混合動力汽車設(shè)計中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006，05:26－28.

［6］ Aimin Du，Na Wei and Jianwang Shao，Optimization of Sound Package for Automotive Dash Panel.Journal of Applied Mechanics and Materials，2014，Vol.670－671:1098－1101.