鄧江華，宋俊，李燦，張斌瑜

?

乘用車(chē)聲學(xué)包設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與優(yōu)化技術(shù)研究

鄧江華1，宋俊2，李燦1，張斌瑜2

(1. 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心汽車(chē)工程研究院，天津300300；2. 廣汽集團(tuán)廣汽研究院，廣東廣州 510640)

聲學(xué)包對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲水平及聲學(xué)環(huán)境有著重要的作用，在很多情況下，國(guó)產(chǎn)汽車(chē)聲學(xué)包開(kāi)發(fā)都是基于標(biāo)桿車(chē)型的直接逆向，或憑借以往經(jīng)驗(yàn)的簡(jiǎn)單開(kāi)發(fā)。但更有價(jià)值的方法是在設(shè)計(jì)早期階段就具備開(kāi)發(fā)聲學(xué)包部件的能力，即根據(jù)整車(chē)級(jí)目標(biāo)定義對(duì)聲學(xué)包部件進(jìn)行開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。以對(duì)某乘用車(chē)的聲學(xué)包開(kāi)發(fā)和優(yōu)化過(guò)程為例，詳細(xì)說(shuō)明了乘用車(chē)聲學(xué)包開(kāi)發(fā)優(yōu)化過(guò)程中的主要步驟與關(guān)鍵技術(shù)，旨在為聲學(xué)包開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考依據(jù)?；诖?，在乘用車(chē)早期設(shè)計(jì)階段即可評(píng)估不同聲學(xué)包方案的優(yōu)劣，及其對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲水平及聲品質(zhì)的影響，以指導(dǎo)內(nèi)飾件的設(shè)計(jì)優(yōu)化；同時(shí)，在滿足聲學(xué)包目標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)聲學(xué)包方案進(jìn)行優(yōu)化，以滿足成本和質(zhì)量的優(yōu)化控制。

聲學(xué)包；開(kāi)發(fā)；優(yōu)化；統(tǒng)計(jì)能量方法

0 引言

一般乘用車(chē)聲學(xué)包是指具有降低內(nèi)部聲壓尤其是空氣聲聲壓的聲學(xué)部件的組合。對(duì)一般乘用車(chē)而言，聲學(xué)封包主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)吸聲件、乘員室內(nèi)吸聲或隔聲件、后行李箱吸聲和隔聲件、各種聲學(xué)密封件等。

車(chē)輛的聲學(xué)包是對(duì)車(chē)內(nèi)聲學(xué)特征產(chǎn)生影響的重要組成部分。利用聲學(xué)包，不僅能降低車(chē)內(nèi)噪聲水平，而且可以調(diào)節(jié)車(chē)內(nèi)的聲品質(zhì)，以滿足客戶的心理期待。對(duì)于實(shí)現(xiàn)整車(chē)級(jí)聲學(xué)目標(biāo)而言，聲學(xué)包裝的定義、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)是至關(guān)重要的。在很多情況下，聲學(xué)包裝的開(kāi)發(fā)都是在實(shí)際樣車(chē)和聲學(xué)包部件的基礎(chǔ)上通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行的，但真正更有價(jià)值的方法是如何在設(shè)計(jì)的早期階段就具備開(kāi)發(fā)聲學(xué)包部件的能力，即通過(guò)使用分析工具根據(jù)整車(chē)級(jí)目標(biāo)定義對(duì)聲學(xué)包部件的要求和需要達(dá)到的指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)能量分析作為處理中高頻聲學(xué)分析的方法已成功應(yīng)用于乘用車(chē)聲學(xué)包的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中。

1985年，DeJong首次采用統(tǒng)計(jì)能量分析(Statistical Energy Analysis, SEA)方法對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的預(yù)測(cè)進(jìn)行了嘗試[1]。此后，國(guó)外有很多學(xué)者對(duì)SEA方法在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究[2-4]。同時(shí)，國(guó)外的一些汽車(chē)企業(yè)也在該領(lǐng)域取得了很多研究成果。福特[5]、豐田[6]等多家汽車(chē)公司均將SEA方法應(yīng)用于整車(chē)及部件聲學(xué)包的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化過(guò)程中。

我國(guó)對(duì)于統(tǒng)計(jì)能量分析方法在車(chē)輛工程方面的應(yīng)用還處于起步階段，更缺少系統(tǒng)和深入的研究。同濟(jì)大學(xué)[7]、華中科技大學(xué)[8]、江蘇大學(xué)[9]等采用統(tǒng)計(jì)能量方法對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行了探索性的預(yù)測(cè)分析及相關(guān)研究。

縱觀國(guó)內(nèi)外在乘用車(chē)聲學(xué)包方面的研究開(kāi)展時(shí)間尚短，大多集中于車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)的預(yù)測(cè)方面，對(duì)聲學(xué)包設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的研究工作研究較少。國(guó)外在聲學(xué)包方面的研究較為成熟，并對(duì)聲學(xué)包模型的精度修正有較深入研究，對(duì)內(nèi)飾參數(shù)的研究也有開(kāi)展。而國(guó)內(nèi)雖有一些聲學(xué)包方面的研究，但仍處于較低的水平，模型的精度不能保證，對(duì)聲學(xué)包內(nèi)飾還不能提供有效的設(shè)計(jì)、優(yōu)化方案，尚不能達(dá)到指導(dǎo)工程應(yīng)用的水平。而隨著人們對(duì)乘用車(chē)駕乘舒適性的要求越來(lái)越高，車(chē)內(nèi)聲學(xué)品質(zhì)也越來(lái)越為各大主機(jī)廠和內(nèi)飾供應(yīng)商所重視，但目前限于國(guó)內(nèi)該方面水平的缺陷，聲學(xué)包方面設(shè)計(jì)還主要依賴于國(guó)外設(shè)計(jì)公司或直接照搬照抄其他車(chē)型的聲學(xué)包方案，后期也不能對(duì)聲學(xué)包進(jìn)行有效的改進(jìn)優(yōu)化。因此，對(duì)聲學(xué)包設(shè)計(jì)、優(yōu)化方面的研究也勢(shì)在必行。

1 聲學(xué)包開(kāi)發(fā)流程

當(dāng)前，待開(kāi)發(fā)車(chē)型的聲學(xué)包開(kāi)發(fā)多基于標(biāo)桿車(chē)進(jìn)行，主要包括以下步驟：

(1) 標(biāo)桿車(chē)解析

包括標(biāo)桿車(chē)不同工況下車(chē)內(nèi)聲響應(yīng)的測(cè)試、各工況下車(chē)外聲載荷分布測(cè)量、聲學(xué)包分布特征解析、各種聲學(xué)部件的材料和物理屬性的測(cè)定、車(chē)身不同位置金屬材料屬性和厚度確認(rèn)、基于標(biāo)桿車(chē)的整車(chē)開(kāi)發(fā)目標(biāo)定義。

(2) 標(biāo)桿車(chē)SEA模型建立及調(diào)校

包括建立統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA)所需的數(shù)據(jù)庫(kù)、根據(jù)載荷分布劃分子結(jié)構(gòu)和子空間建立SEA模型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件模擬、部件及整車(chē)泄漏模擬、阻尼處理模擬等，以及SEA模型有效性的驗(yàn)證。

(3) SEA模型移植

該部分工作主要為將標(biāo)桿車(chē)SEA模型移植至待開(kāi)發(fā)模型，此時(shí)由于在模型開(kāi)發(fā)中，對(duì)待開(kāi)發(fā)車(chē)型，只有金屬車(chē)身是精確的，其它結(jié)構(gòu)、聲學(xué)參數(shù)和載荷都是大致的。當(dāng)有樣車(chē)后，模型需校正。為此，要對(duì)產(chǎn)品車(chē)進(jìn)行重復(fù)標(biāo)桿車(chē)的測(cè)量，并基于此進(jìn)行聲學(xué)包目標(biāo)定義及開(kāi)發(fā)。

(4) 聲學(xué)包的優(yōu)化

基于移值完成的待開(kāi)發(fā)車(chē)聲學(xué)包模型，進(jìn)行優(yōu)化目標(biāo)的確定(降低成本，減輕質(zhì)量，提高性能等)，確立具體到各個(gè)部件聲學(xué)性能目標(biāo)值的優(yōu)化方案。

詳細(xì)的聲學(xué)包開(kāi)發(fā)流程可表示為圖1所示。

2 某車(chē)型聲學(xué)包開(kāi)發(fā)

本文以某車(chē)型聲學(xué)包正向開(kāi)發(fā)為例，詳細(xì)介紹了整車(chē)聲學(xué)包開(kāi)發(fā)的流程及優(yōu)化方法，文中所使用數(shù)據(jù)及圖片均為該車(chē)型聲學(xué)包開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中所使用。

2.1 標(biāo)桿車(chē)解析

在基于標(biāo)桿車(chē)的聲學(xué)包模擬開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需詳細(xì)解析標(biāo)桿車(chē)聲學(xué)包結(jié)構(gòu)特性、車(chē)身結(jié)構(gòu)特性、車(chē)內(nèi)聲學(xué)特性等。主要采用試驗(yàn)方法獲取SEA模型所需的輸入?yún)?shù)及邊界條件，包括不同工況車(chē)內(nèi)聲響應(yīng)測(cè)試、主要聲源聲功率測(cè)試、車(chē)身聲載荷分布測(cè)試、內(nèi)飾材料吸隔聲性能測(cè)試等，如圖2所示。

在標(biāo)桿車(chē)解析的基礎(chǔ)上，初步定義待開(kāi)發(fā)車(chē)型車(chē)內(nèi)噪聲目標(biāo)值及內(nèi)飾件聲學(xué)性能目標(biāo)水平，同時(shí)考慮整車(chē)其他子系統(tǒng)的聲學(xué)性能目標(biāo)，如進(jìn)排氣系統(tǒng)等。

2.2 標(biāo)桿車(chē)聲學(xué)包SEA模型搭建及調(diào)校

聲學(xué)包SEA模型的建立包括SEA子系統(tǒng)的建立、子系統(tǒng)物理參數(shù)定義、載荷施加。

2.2.1 SEA子系統(tǒng)建立

依據(jù)載荷分布一致原則、模型簡(jiǎn)化原則及關(guān)注位置細(xì)劃原則進(jìn)行SEA子系統(tǒng)劃分，同時(shí)，考慮整車(chē)泄漏的施加，完成標(biāo)桿車(chē)型SEA模型如圖3所示。

2.2.2 SEA子系統(tǒng)參數(shù)定義

子系統(tǒng)參數(shù)定義包括車(chē)身結(jié)構(gòu)鈑金件材料屬性定義(材料彈性模量、泊松比、密度、結(jié)構(gòu)厚度)、聲腔特性定義(可直接采用測(cè)試損耗因子或來(lái)自于吸聲材料、內(nèi)飾件聲學(xué)特性(吸聲系數(shù)、插入損失等))以及復(fù)雜部件的模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子等。

聲功率測(cè)試 聲載荷測(cè)試

內(nèi)飾件解析

2.2.3 SEA模型載荷施加

將不同工況下測(cè)取的聲載荷施加于對(duì)應(yīng)的外場(chǎng)空間子系統(tǒng)，如圖4所示。聲載通過(guò)面連接向車(chē)內(nèi)傳遞引起車(chē)內(nèi)聲響應(yīng)。

2.2.4 SEA模型調(diào)校

完成SEA模型搭建后，需對(duì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，即調(diào)校SEA模型。對(duì)SEA模型的調(diào)?？勺裱韵略瓌t：

(1) 靜聲載下聲學(xué)包處理(Noise Control Treatment, NCT)和內(nèi)部空間聲吸收(與測(cè)得的混響時(shí)間)結(jié)果對(duì)比，調(diào)整NCT設(shè)置。

(2) 靜聲載下預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，調(diào)整泄露與結(jié)構(gòu)輻射特性等。

(3) 將靜載調(diào)校模型運(yùn)用于動(dòng)載預(yù)測(cè)，調(diào)校損耗因子及對(duì)前期調(diào)整參數(shù)進(jìn)行綜合平衡。

對(duì)SEA模型調(diào)校使之滿足對(duì)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)預(yù)測(cè)及優(yōu)化的作用，同時(shí)要求該SEA模型對(duì)聲學(xué)包特性的改變敏感且預(yù)測(cè)誤差控制在一定范圍內(nèi)。在模型調(diào)校完成后，獲得車(chē)內(nèi)預(yù)測(cè)聲壓與實(shí)測(cè)聲壓間的誤差Δ值，如圖5所示。

2.3 SEA模型移植

基于標(biāo)桿車(chē)SEA模型，通過(guò)聲學(xué)包定義與結(jié)構(gòu)形式調(diào)整，以完成待開(kāi)發(fā)車(chē)型SEA模型的移植，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行待開(kāi)發(fā)車(chē)型車(chē)內(nèi)聲響應(yīng)預(yù)測(cè)及聲學(xué)包開(kāi)發(fā)優(yōu)化。SEA模型從標(biāo)桿車(chē)向待開(kāi)發(fā)車(chē)的移值需經(jīng)過(guò)以下階段：

(1) 基于聲功率測(cè)試的聲載荷等效放大(見(jiàn)圖6)，并基于標(biāo)桿車(chē)SEA模型進(jìn)行待開(kāi)發(fā)車(chē)型車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)預(yù)測(cè)；

(2) 基于待開(kāi)發(fā)車(chē)型車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行待開(kāi)發(fā)車(chē)型內(nèi)飾件聲學(xué)性能的目標(biāo)修正及方案驗(yàn)證，如圖7所示；

(3) 移植關(guān)鍵子結(jié)構(gòu)的SEA模型(如防火墻等)，并基于子結(jié)構(gòu)隔聲量測(cè)試結(jié)果進(jìn)行調(diào)校，如圖8所示；

(4) 整車(chē)SEA模型移植，調(diào)整junction及內(nèi)飾分布、吸隔聲參數(shù)等；

(5) 基于靜態(tài)聲載荷的SEA模型調(diào)校及Δ值修正(見(jiàn)圖9)；

(6) 施加動(dòng)態(tài)聲載荷，并加入修正后的Δ值，進(jìn)行車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)預(yù)測(cè)，如圖10所示。

2.4 聲學(xué)包優(yōu)化

完成了待開(kāi)發(fā)車(chē)型SEA模型的調(diào)校與預(yù)測(cè)后，即可基于此模型進(jìn)行聲學(xué)包優(yōu)化設(shè)計(jì)或改進(jìn)。聲學(xué)包的優(yōu)化主要包括：

(1) 整車(chē)聲學(xué)包優(yōu)化。對(duì)車(chē)內(nèi)所有聲學(xué)部件性能、分布、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，以滿足整車(chē)聲學(xué)性能的要求，或減重和成本控制的要求。

(2) 部件聲學(xué)包優(yōu)化。對(duì)不同內(nèi)飾件材料、結(jié)構(gòu)、位置、覆蓋水平等進(jìn)行優(yōu)化，以滿足不同內(nèi)飾件的性能目標(biāo)。

(3) 管道聲學(xué)包優(yōu)化。包括車(chē)身側(cè)圍的旁路空腔與車(chē)身側(cè)通道封堵設(shè)計(jì)優(yōu)化(材料、位置、結(jié)構(gòu)形狀等)。

基于各子系統(tǒng)能量輸入輸出的功率流(圖11)，可進(jìn)行聲學(xué)包減重、降本及性能優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容主要包括聲學(xué)材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化(單層、雙層、多層結(jié)構(gòu))；聲學(xué)材料類型優(yōu)化(材料屬性、孔隙率、流阻等)；內(nèi)飾件位置優(yōu)化(布置位置、覆蓋率等)；通道封堵(A/B/C柱等通道隔斷位置優(yōu)化)等。

基于以上思想，對(duì)待開(kāi)發(fā)車(chē)型聲學(xué)包聲學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)地毯進(jìn)行減重優(yōu)化。優(yōu)化后，60 km/h工況下車(chē)內(nèi)噪聲水平如圖12所示。

由圖12可見(jiàn)，優(yōu)化聲學(xué)包性能后，60 km/h工況車(chē)內(nèi)噪聲已較原水平下降了2 dB以上，除2500~4000 Hz略高于標(biāo)桿車(chē)約1 dB外，已基本達(dá)到標(biāo)桿車(chē)水平。而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的地毯減重優(yōu)化，對(duì)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)貢獻(xiàn)很小，仍能滿足目標(biāo)要求。

3 結(jié)論

通過(guò)進(jìn)行基于SEA方法的某車(chē)型聲學(xué)包開(kāi)發(fā)，可得出如下結(jié)論：

(1) 基于SEA方法的聲學(xué)包開(kāi)發(fā)，可以在整車(chē)開(kāi)發(fā)初期就完成聲學(xué)包設(shè)計(jì)及優(yōu)化，避免了開(kāi)發(fā)后期對(duì)聲學(xué)包特性的盲目整改；

(2) 聲學(xué)包的預(yù)測(cè)分析及優(yōu)化必須與試驗(yàn)相結(jié)合，聲載荷與聲學(xué)包特性參數(shù)的試驗(yàn)獲取對(duì)SEA模型預(yù)測(cè)分析的準(zhǔn)確性至關(guān)重要；

(3) 聲學(xué)包的開(kāi)發(fā)需貫穿整車(chē)開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，聲學(xué)包性能目標(biāo)的設(shè)定和實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過(guò)多次的循環(huán)改進(jìn)和完善；

(4) 一個(gè)完善的聲學(xué)包SEA模型不僅可用于本次開(kāi)發(fā)車(chē)型聲學(xué)包開(kāi)發(fā)和優(yōu)化的依據(jù)，而且可以移植于同平臺(tái)、同類車(chē)型的聲學(xué)包開(kāi)發(fā)和優(yōu)化中。

(5) 本文所涉及的整車(chē)聲學(xué)包開(kāi)發(fā)流程也可作為整車(chē)聲學(xué)包開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的參考。

[1] DeJong R G. A study of vehicle interior noise using statistical energy analysis[C]// SAE Technical Paper, 850960.

[2] Robert J Unglenieks, Marvin R Mealman. Simplified porous panel subsystem for SEA modeling[C]// SAE Paper, 2003-01-1538.

[3] Chadwyck Musser. Prediction o Vehicle Interior Sound Pressure Distribution with SEA[C]// SAE Paper, 2011-01-1705.

[4] Liangyu(Mike)Huang, Pamkumar Krishnan. Development of a luxury vehicle acoustic package using SEA full vehicle model[C]// SAE Paper, 2003-01-1554.

[5] Ching-Hung Chuang, Kun-Tien Shu. A CAE optimization process for vehicle high frequency NVH applications[C]// SAE Paper, 2005-01-2422.

[6] Norimasa Kobayashi, Hisanori Tachibana. A SEA-Based Optimizing Approach for Sound Package Design[C]// SAE Paper, 2003-01-1556.

[7] 靳曉雄, 葉武平, 丁玉蘭. 基于統(tǒng)計(jì)能量分析法的轎車(chē)內(nèi)室噪聲優(yōu)化與控制[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 30(7): 862-867.

JIN Xiaoxiong, YE Wuping, DING Yulan. Car interior noise simulation using statistical energy analysis method[J]. Journal of Tongji University, 2002, 30(7): 862-867.

[8] 李曉政, 黃其柏, 陸森林. 車(chē)輛室內(nèi)噪聲的統(tǒng)計(jì)能量分析優(yōu)化仿真[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 2005, 25(3): 29-32.

LI Xiaozheng, HUANG Qibai, LU Senlin. Optimization design about cab inner noise based on statistical energy analysis[J]. Noise and Vibration Control, 2005, 25(3): 29-32.

[9] 夏恒, 宮鎮(zhèn), 王勇. 關(guān)于高速車(chē)輛內(nèi)部氣流噪聲計(jì)算方法的研究[J]. 汽車(chē)工程, 2003, 25(1): 78-81.

XIA Heng, GONG Zhen, WANG Yong. A research on calculating method of interior aerodynamic noise for hign-speed automobile[J]. Automotive Engineering, 2003, 25(1): 78-81.

Development and optimization of sound package for passenger vehicle

DENG Jiang-hua1, SONG Jun2, LI Can1, ZHANG Bing-yu2

(1. China Automotive Technology & Research Center,Automotive Engineering Research Institute, Tianjin 300162, China;2. Guangzhou Automobile Group Co., Ltd,Automotive Engineering Institute, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Sound package plays an important role in interior noise level and sound quality of passenger vehicle. For this reason, the definition, design, and development of a sound package are significant to meet acoustic target of vehicle-level. In many situations, this development is conducted experimentally, or reversely developed based on benchmark. Of more value is the ability to develop and optimize sound package components in the early design phase,. to leverage analytical tools for defining component-level requirements and targets to meet the vehicle-level targets, and ultimately to fulfill the final customer’s expectations. This paper presents a development and optimization process of sound package design combining the CAE SEA-based prediction and experiment. Based on the above process, the performance of sound package and the mid-high frequency noise level of vehicle can be evaluated in the early design phase. Additionally, on the basis of meeting vehicle NVH target, the weight and configuration of sound package can be optimized.

sound package; development; optimization; statistical energy analysis method

TB533+.2

A

1000-3630(2015)-04-0353-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.04.012

2014-04-17;

2014-07-03

鄧江華(1976－), 男, 山西沁源人, 博士, 高級(jí)工程師, 研究方向?yàn)檎?chē)NVH控制開(kāi)發(fā)技術(shù)、整車(chē)聲學(xué)包開(kāi)發(fā)與優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭振。

鄧江華, E-mail: djh617@163.com