高亞麗，陳芳，謝新星，張曲

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車用雙墻系統(tǒng)聲學性能試驗與仿真研究

高亞麗1，陳芳1，謝新星2，張曲2

(1. 泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201；2. 寧波拓普集團股份有限公司，浙江寧波 315806)

雙墻系統(tǒng)是汽車聲學中的常用結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)中聚氨酯(Polyurethane, PU)泡沫材料的聲學參數(shù)以及結(jié)構(gòu)隔聲性能的準確仿真建模是聲學性能改善的關(guān)鍵。通過對車用聚氨酯(PU)多孔泡沫材料的部分聲學參數(shù)的測量，并基于Biot理論反求其余參數(shù)，獲得了滿足仿真精度要求的完整聲學參數(shù)。對雙墻系統(tǒng)層間不貼合(Unbonded-Bonded, UB)和貼合(Boned-Bonded, BB)兩種不同邊界條件，進行了雙墻系統(tǒng)隔聲性能仿真建模，并將仿真結(jié)果與實測結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明，除個別頻段外，仿真計算結(jié)果與實測結(jié)果兩者的誤差在2 dB以內(nèi)，且在實際常用的UB邊界條件下，仿真與實測結(jié)果相符更好。研究所給出的仿真建模方法可有效用于汽車聲學中雙墻系統(tǒng)構(gòu)件的聲學性能設計和產(chǎn)品開發(fā)。

聲學參數(shù)反求；雙墻系統(tǒng)；隔聲仿真；隔聲試驗

0 引言

雙墻系統(tǒng)(Double Wall System, DWS)是汽車聲學包產(chǎn)品系列中廣泛應用的復合隔聲結(jié)構(gòu)。汽車上采用的典型DWS復合聲學結(jié)構(gòu)由一層高密度的EVA材料和聚氨酯(Polyurethane, PU)泡沫材料復合而成，PU材料的另一側(cè)與車身鈑金相連，使車身鈑金與EVA材料組成雙墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種DWS結(jié)構(gòu)主要應用在汽車前圍隔聲墊、地毯隔音聲墊、輪罩隔聲墊等部件中，主要功能為阻隔車外空氣聲向車內(nèi)的傳遞，即起到隔聲作用，達到降低車內(nèi)噪聲的目的。因此，雙墻系統(tǒng)的隔聲性能研究和優(yōu)化設計是汽車振動噪聲研究的重要內(nèi)容。

在汽車行業(yè)中，為了提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，對雙墻系統(tǒng)隔聲性能的研究和優(yōu)化的最佳方法是進行仿真，然后在仿真的基礎(chǔ)上進行試驗驗證。鄧江華[1]等人對國內(nèi)外乘用車聲學包設計開發(fā)與優(yōu)化現(xiàn)狀的論述中指出，聲學包材料聲學參數(shù)獲取準確與否對仿真結(jié)果至關(guān)重要。因此，對雙墻系統(tǒng)來說，PU材料的聲學參數(shù)以及隔聲性能的準確仿真建模是問題的關(guān)鍵。

雙墻系統(tǒng)中PU材料為多孔聲學材料，對多孔材料的聲學參數(shù)獲取的方法，近年來在國際上有較為深入的研究。A. Duval[2]等人通過仿真的方法研究了泡沫材料的部分特征參數(shù)對雙墻系統(tǒng)隔聲性能的影響。張波[3]等人基于Johnson-Champoux- Allard模型研究了多孔金屬材料聲學參數(shù)反求，但其研究由于實測參數(shù)較少，反推精度不能很好地滿足聲學建模的要求。在國內(nèi)，由于泡沫材料參數(shù)等方面的研究還處于起步階段，直接影響了雙墻系統(tǒng)材料或產(chǎn)品的隔聲性能仿真，并一定程度上影響了汽車產(chǎn)品的開發(fā)效率。因此，行之有效的多孔聲學材料參數(shù)獲取途徑以及車用雙墻系統(tǒng)隔聲性能仿真的方法，是開發(fā)設計階段避免繁瑣的、重復的工作，降低開發(fā)驗證成本，提高效率的必由之路。

本文在使用較為完備的、精度較高的測試設備測試了PU材料的聲學特征參數(shù)的基礎(chǔ)上，基于BIOT-Allard理論[4]進行其它聲學參數(shù)的反求，獲得了滿足雙墻系統(tǒng)隔聲性能準確仿真所需要的并且滿足精度要求的完整的PU聲學特征參數(shù)。由此建立了適用于雙墻系統(tǒng)的隔聲性能仿真模型。對兩種典型的雙墻系統(tǒng)材料組合，在鋼板與PU層貼合(Boned-Bonded, BB)和不貼合(Unbonded-Bonded, UB)兩種邊界條件下進行了雙墻系統(tǒng)的隔聲性能仿真，并在混響室-消聲室隔聲測量系統(tǒng)中進行了對應結(jié)構(gòu)的隔聲性能的測量。計算與實測的對比研究結(jié)果表明：除個別頻段外，仿真計算結(jié)果與實測結(jié)果兩者的誤差在2 dB以內(nèi)，且更接近工程實際的不貼合邊界條件的計算與實測結(jié)果相符性更好，研究所給出的仿真建模方法可有效用于汽車聲學中雙墻系統(tǒng)構(gòu)件的聲學性能設計和產(chǎn)品開發(fā)。

1 基本原理和模型

雙墻系統(tǒng)中聲波的傳播過程如圖1所示，聲能一部分被a板反射回去，一部分被a、b板消耗，一部分經(jīng)空間2中的空氣或者吸聲材料不斷反射衰減消耗掉。雙墻系統(tǒng)由于其良好的隔聲效果在汽車聲學零件中應用越來越廣泛?？紤]到鈑金與PU的實際安裝狀態(tài)下的兩種邊界條件，圖2中給出了所研究的雙墻系統(tǒng)模型的鈑金與PU貼合(Bonded)和不貼合(Unbonded)兩種模型的示意圖，其區(qū)別在于PU和鈑金之間是否有間隙。

Fig1 Sound transmission in double wall system

對泡沫材料聲學性能的研究采用Allard在Biot理論的基礎(chǔ)上提出來的Biot-Allard彈性多孔材料模型。該模型認為多孔材料由固相和液相兩部分組成，并利用流阻率、孔隙率、曲折因子∞、熱特征長度、粘性特征長度、密度、楊氏模量、泊松比、損耗因子等9個參數(shù)模擬彈性多孔材料中三種波的傳播。

對雙墻系統(tǒng)隔聲特性的建模，采用基于Biot理論的NOVA軟件，并用NOVA特有的有限尺寸傳遞矩陣法(Finite dimensional Transfer Matrix Method, FTMM)進行雙墻系統(tǒng)隔聲性能計算。

傳遞矩陣法(Transfer Matrix Method, TMM)[5]是用矩陣來表示介質(zhì)中聲波的傳播。假設一種均質(zhì)各項同性的、面積無限大的介質(zhì)，其厚度為。在介質(zhì)前后表面附近各取一點和，聲波在兩點之間的傳播可表示為

是一個矢量，其元素是描述介質(zhì)中某點波場所需要的各個變量。[]為從到的傳遞矩陣，矩陣的內(nèi)容與介質(zhì)的厚度和物理特性有關(guān)。不同種類的介質(zhì)，其矢量和傳遞矩陣[]的形式不同。

本研究中用到的矢量()描述如下：

對鋼板運用彈性薄板模型，該模型中有一種波傳播，需要兩個變量描述：

對EVA運用隔聲層模型，該模型中有兩種波，使用4個變量描述：

對泡沫材料采用多孔彈性體模型，該模型中有3種波，每種波使用兩個變量描述：

(4)

其中，上標和分別表示固相和液相中的波，下標代表波的方向。

本文使用的FTMM求解器對原算法進行了修正，用四周遮擋的板的輻射效率代替無限大板的輻射效率，當計算小尺寸樣件時，低頻和試驗吻合更好。修正后的透射系數(shù)如下：

2 PU泡沫參數(shù)測量及反求

研究所需的聲學參數(shù)中曲折因子、熱特征長度和粘性特征長度由仿真軟件反推得到，其余參數(shù)均為專門設備實測得到。

2.1 泡沫參數(shù)的實驗獲取

為進行泡沫參數(shù)的反求，在實驗室對20 mm和30 mm兩種PU泡沫的聲學參數(shù)進行了完整測量。測試在恒溫恒濕試驗室進行，測試所采用的設備和方法如表1所示。

表1 PU材料的參數(shù)測試

2.2 泡沫參數(shù)的反求

首先將測量得到的孔隙率、流阻、密度以及20 mm和30 mm厚度時的駐波管垂直入射吸聲系數(shù)等數(shù)據(jù)代入Foam-x軟件，計算獲得曲折因子、熱特征長度、粘性特征長度等3個未知參數(shù)。泡沫材料的部分參數(shù)如表2所示。

表2 PU材料部分參數(shù)

將完整參數(shù)代入Foam-x驗證模塊，分別計算20 mm、30 mm泡沫的吸聲系數(shù)，驗證結(jié)果如圖3所示，仿真吸聲系數(shù)結(jié)果和測試結(jié)果吻合較好，參數(shù)達到了預期的精度要求。

Fig 3 Absorption coefficient comparison between measurement andsimulation

3 隔聲性能仿真

考慮實際工程中雙墻系統(tǒng)高隔聲和低隔聲的應用要求，設計了兩種PU和EVA的厚度組合，如表3分別計算其不同邊界條件下的傳聲損失STL。

BB邊界模型建立方法：

(1) 按照聲波入射順序鋪設DWS，即鋼板作為第一層，PU泡沫作為第二層，EVA片材作為第三層，各層厚度如表3。其中，鋼板設置為shell屬性，參數(shù)可從NOVA自帶標準材料庫中選擇；PU設置為porous elastic屬性，其所需部分參數(shù)如表2；EVA設置為impervious screen模型，僅需輸入密度。

表3 UB與BB邊界模型各層厚度(單位：mm)

(2) 選擇FTMM求解器，DWS形狀設置為0.5 m×0.5 m的矩形，與試驗一致；

(3) 選擇0~78°的擴散聲場作為激勵，并將DWS背后條件設置為空腔。

UB邊界模型建立方法：

在鋼板和泡沫之間添加一層空氣層(0.1 mm fluid)，其余設置與BB邊界相同。

傳聲損失預測計算結(jié)果如圖4和圖5所示，從圖中可以看出，UB邊界雙墻系統(tǒng)的隔聲數(shù)值要高于BB邊界。UB邊界下的的STL曲線比較平直，這是由于UB邊界下有空氣層，材料彈性的作用被大幅減弱，而BB邊界下曲線由于材料彈性引起的起伏較多。

4 試驗驗證

為了驗證隔聲性能仿真計算結(jié)果的有效性，在實驗室按照GMW 14173標準進行了驗證測試。

測試設施由混響室和消聲室組成，測試樣品安裝在兩個房間中間，如圖6所示?；祉懯抑新曉床捎冒自肼?，混響室側(cè)的聲壓級由6個傳聲器測得，在全消室側(cè)用掃描聲強法進行聲強測量，掃描面積與入射面積應保持一致。根據(jù)實驗規(guī)范，傳聲損失由下式確定：

BB邊界要求鈑金和PU之間沒有任何間隙，而實際鈑金和PU在自然狀態(tài)下不可能完全貼合，總會有間隙出現(xiàn)，因此模擬BB邊界時需在接合面整面噴灑膠水以防止間隙；模擬UB邊界時，鈑金和PU自然接觸，僅四周用少量膠水防止兩層脫開即可。

傳聲損失實測與計算結(jié)果對比曲線見圖7~10。計算和實測的結(jié)果對比表明，在BB和UB邊界下計算與實測結(jié)果一致性較好。由圖8和圖10可知，在BB邊界條件下，兩種材料方案的計算值與實測值，除高頻6000 Hz以上個別頻段差異較大外，其余頻段計算與仿真結(jié)果差異在2 dB以內(nèi)。由圖7和圖9可知，在UB邊界條件下，兩種材料方案的計算值與實測值絕大部分頻段的差異在2 dB以內(nèi)，且曲線較為平滑，計算與實測的趨勢一致性更高?？紤]到實際應用邊界為UB邊界，即鈑金與PU層存在一定間隙，因此在UB邊界下的對比結(jié)果更具有工程意義。

Fig.9s of 20 mm PU-6 mm EVA UB double wall system from measurement and simulation

5 結(jié)論

在對PU材料的聲學特征參數(shù)進行測試的基礎(chǔ)上，進行了基于Biot-Allard理論的其它聲學參數(shù)的反求，獲得了滿足精度的完整的PU泡沫聲學特征參數(shù)。并在此基礎(chǔ)上建立了鋼板與PU層貼合(BB)和不貼合(UB)兩種邊界條件下雙墻系統(tǒng)的隔聲性能仿真模型，進行了低隔聲和高隔聲兩種典型組合的隔聲性能仿真計算，并進行了對應結(jié)構(gòu)的隔聲性能的實驗測量。仿真計算與實測結(jié)果除個別頻段外，兩者的誤差在2 dB以內(nèi)，且在更接近工程實際的不貼合邊界條件下的計算與實測結(jié)果相符性更好。仿真計算的精度較好地滿足了汽車聲學工程設計的要求，可有效應用于汽車聲學中雙墻系統(tǒng)構(gòu)件的聲學性能設計和產(chǎn)品開發(fā)。

[1] 鄧江華, 宋俊. 基于統(tǒng)計能量方法的乘用車聲學包設計開發(fā)與優(yōu)化[C]// 北京:2013中國汽車工程學會年會, 2013, 7.

[2] DUVAL A, HOANG M T, MARCEL V, et al. Development of acoustically effective foams: A new micro-macro optimization method[C]// VDI Polyurethan Tagung, 2012.

[3] 張波, 陳天寧. 多孔金屬材料聲學參數(shù)反求研究[J]. 寧夏工程技術(shù), 2009, 8(1): 37-41.

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[7] CHRISTIAN Langlois, RAYMOND Panneton, NOUREDDINE Atalla. Polynomial relations for quasi-static mechanical characterization of isotropic poroelastic materials[J]. J. Acoust. Soc. Am., 2001, 110: 3032, http://dx.doi.org/10.1121/1.1419091

Simulation and experimental study of acoustic performances for vehicle double wall system

GAO Ya-li1, CHEN Fang1, XIE Xin-xing2, ZHANG Qu2

(1.Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201, China; 2.Ningbo Tuopu Group Co.,Ltd., Ningbo 315806, Zhejiang, China)

In this paper, some acoustic parameters of polyurethane foam (PU) are tested, and other acoustic parameters are reconstructed based on BIOT theory. Furthermore, the accuracy is verified by experiments. The results indicate that the acoustic parameters obtained meet the desired accuracy. A simulation modeling method for the sound transmission loss of a vehicle double wall system in different boundary conditions is also illustrated in this paper. The comparison shows that the simulation results match well with the experimental results. The preceding plan of car parts development based on the double wall system of sound-package can be instructed effectively by the simulation modeling method in this paper.

acoustic parameters inversion; double wall system; sound transmission loss simulation and measurement

U270.1+.6

A

1000-3630(2016)-01-0053-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.012

2015-02-16;

2015-05-19

高亞麗(1979－), 女, 山西長治人, 碩士研究生, 研究方向為汽車噪聲控制

高亞麗, E-mail: ylgao1314@163.com