侯獻(xiàn)軍，郭 金，杜松澤，郭彩祎，劉志恩

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2.汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070)

整車車內(nèi)噪聲仿真的SEA分析方法研究及應(yīng)用

侯獻(xiàn)軍1,2，郭 金1,2，杜松澤1,2，郭彩祎1,2，劉志恩1,2

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2.汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070)

關(guān)于整車車內(nèi)噪聲的仿真分析方法，在理論上，F(xiàn)EM/BEM方法可以進(jìn)行全頻段的仿真，但由于高頻噪聲的波長(zhǎng)短，且在仿真初期結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)不確定，F(xiàn)EM/BEM參數(shù)識(shí)別和計(jì)算難度大，在這種情況下，基于能量平均思想的統(tǒng)計(jì)能量方法顯現(xiàn)出其特定的求解優(yōu)勢(shì)。針對(duì)SEA分析方法理論就該方法在車內(nèi)噪聲應(yīng)用領(lǐng)域展開(kāi)探討，從整車車內(nèi)噪聲激勵(lì)源及噪聲傳遞途徑、整車NVH性能開(kāi)發(fā)方法和整車SEA建模方法三個(gè)角度對(duì)車內(nèi)高頻噪聲仿真進(jìn)行闡述。SEA仿真在整車方面的應(yīng)用現(xiàn)階段主要用來(lái)指導(dǎo)聲學(xué)包開(kāi)發(fā)，對(duì)SEA仿真中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與工程實(shí)際的結(jié)合，介紹2個(gè)典型工程案例：其一基于雙墻理論的車門(mén)隔聲量?jī)?yōu)化，通過(guò)建立相對(duì)獨(dú)立的雙墻模型，提高建模過(guò)程中的仿真精度；其二通過(guò)控制聲學(xué)包裝優(yōu)化變速箱高頻嘯叫，采用車內(nèi)雙層地毯的優(yōu)化方法，降低駕駛員頭部的聲壓1.31 dB。通過(guò)SEA方法對(duì)車內(nèi)高頻噪聲進(jìn)行仿真顯著改善車輛的NVH性能，提高車輛乘坐舒適性，可為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考及借鑒。

聲學(xué)；整車噪聲；高頻噪聲；子系統(tǒng)；統(tǒng)計(jì)能量法；噪聲控制

車內(nèi)噪聲控制是車輛NVH的重要內(nèi)容。車內(nèi)噪聲主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)部件激勵(lì)、傳動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)、旋轉(zhuǎn)附件激勵(lì)、輪胎激勵(lì)、風(fēng)噪激勵(lì)等。典型車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量分布如圖1所示，激勵(lì)所產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲主要通過(guò)結(jié)構(gòu)路徑和空氣路徑傳遞，前者傳遞頻率成分主要為400 Hz以下，后者傳遞頻率成分主要為400 Hz以上。

圖1 車輛噪聲貢獻(xiàn)量分布

對(duì)車內(nèi)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)產(chǎn)生的低頻噪聲，有限元（FEM）、邊界元（BEM）仿真方法已被證明能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，但是隨著頻率的增高，結(jié)構(gòu)波的波長(zhǎng)就越短，使得有限元所需要的單元數(shù)目隨著頻率的增加而急劇增大，導(dǎo)致計(jì)算量大大增加[1]。在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，建模初期整車系統(tǒng)參數(shù)具有不確定性，而高頻振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的微小變化十分敏感，并且在動(dòng)態(tài)分析中包含有大量的高階模態(tài)，模態(tài)重合率隨頻率升高而增大，導(dǎo)致計(jì)算不準(zhǔn)確。統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）從子系統(tǒng)之間的能量傳遞建立能量方程進(jìn)行求解，進(jìn)而解決中高頻尤其是高頻的動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)整車SEA分析方法進(jìn)行了相關(guān)研究，Terence等通過(guò)對(duì)實(shí)際測(cè)試隔聲量值與SEA仿真值進(jìn)行對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證了統(tǒng)計(jì)能量方法仿真的可行性[2]。Martin等通過(guò)對(duì)損耗因子進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)整車SEA仿真模型的對(duì)結(jié)構(gòu)傳遞路徑和空氣傳遞路徑的預(yù)測(cè)[3]。Brian等用統(tǒng)計(jì)能量法探究不同聲學(xué)包的隔聲性能[4]；陳鑫等在對(duì)車輛整體系統(tǒng)劃分之后，找出主要的噪聲貢獻(xiàn)系統(tǒng)，有針對(duì)性的進(jìn)行吸隔聲方案處理[5]；陳書(shū)明等通過(guò)對(duì)SEA的綜述分析，結(jié)合FEA提出了能量有限元法，進(jìn)而指導(dǎo)車內(nèi)的聲學(xué)包設(shè)計(jì)[6]。劉濤等通過(guò)整車噪聲傳遞路徑分析研究了工程設(shè)計(jì)中車身子系SEA模型，通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)證SEA方法的可行性[7]。前人在SEA的研究中，直接按照相關(guān)軟件進(jìn)行建模，沒(méi)有考慮提高建模的精度的問(wèn)題。

本文應(yīng)用SEA方法，針對(duì)整車車內(nèi)噪聲控制，結(jié)合建模過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)分析，將雙墻理論應(yīng)用于車門(mén)仿真技術(shù)，提高建模精度。同時(shí)通過(guò)對(duì)車內(nèi)聲學(xué)包裝的控制優(yōu)化變速箱的嘯叫噪聲，指導(dǎo)聲學(xué)包開(kāi)發(fā)，提高整車NVH性能。

1 統(tǒng)計(jì)能量分析方法（SEA）

1.1 統(tǒng)計(jì)能量基本理論

SEA方法的本質(zhì)是將復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或者聲學(xué)系統(tǒng)劃分成若干個(gè)耦合的子系統(tǒng)，分析研究載荷作用下子系統(tǒng)間的能量傳遞[8]。一個(gè)系統(tǒng)通常由多個(gè)子系統(tǒng)組成，通過(guò)建立子系統(tǒng)能量流動(dòng)方程，確定子系統(tǒng)的質(zhì)量、要分析的頻率范圍、子系統(tǒng)之間的阻尼損耗因子和輸入系統(tǒng)的能量，對(duì)能量流動(dòng)方程求解得出子系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)頻率范圍的平均響應(yīng)能量，并將其轉(zhuǎn)換成所需要的物理參量。

關(guān)于統(tǒng)計(jì)能量模型建立時(shí)，提出以下假設(shè)[1]：

(1)子系統(tǒng)間的耦合是線性的，守恒的，不存在非保守性質(zhì)的耦合；

(2)在所研究的頻率范圍內(nèi)，能量在具有共振頻率的子系統(tǒng)之間傳遞；

(3)系統(tǒng)的激勵(lì)為不相干的隨機(jī)激勵(lì)，且相互獨(dú)立，具有模態(tài)非相干性，并可以應(yīng)用能量的線性相加原理；

(4)在給定的子系統(tǒng)中，給定頻帶內(nèi)所有共振模態(tài)之間能量等分；

(5)互易性原理適用于不同的子結(jié)構(gòu)間；

(6)任意兩個(gè)子結(jié)構(gòu)間的能量流與振動(dòng)時(shí)耦合的子結(jié)構(gòu)間的實(shí)際能量差成正比，即能量流與平均模態(tài)能量間的差值成正比。

兩子系統(tǒng)的能量分析模型如圖2所示，建立兩個(gè)子系統(tǒng)間的能量流關(guān)系方程

式中η=2ξωn；

通常情況下，一個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)系統(tǒng)組成，將這些能量平衡方程聯(lián)系起來(lái)寫(xiě)成矩陣形式

式中ω—分析中心頻率/Hz；Pi—輸入能量/W；ηi—阻尼損耗因子；ηij—耦合阻尼損耗因子；Ei—子系統(tǒng)能量；ni—子系統(tǒng)模態(tài)密度。

圖2 兩子系統(tǒng)的能量分析模型

式（3）是利用統(tǒng)計(jì)能量分析方法建模的最基本表達(dá)式，求解計(jì)算方程時(shí)在考慮模型外界輸入激勵(lì)的條件下，結(jié)合對(duì)聲學(xué)包結(jié)構(gòu)的材料測(cè)試特性和子系統(tǒng)之間對(duì)用的損耗因子以及模態(tài)密度，求出系統(tǒng)的能量；求得每個(gè)子系統(tǒng)上的能量Ei[9]。根據(jù)式（4）將能量轉(zhuǎn)化

式中M—每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量；(V)—對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)的振動(dòng)速度；(P)—對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)的聲壓；ρ—子系統(tǒng)材料密度；c—對(duì)應(yīng)材料中的聲速。

通過(guò)求解方程，將對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的所包含的能量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的位移、子系統(tǒng)的速度和應(yīng)變等可以衡量的工程量。

1.2 建模中的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子

求解能量流動(dòng)方程時(shí)，首先應(yīng)確定外界激勵(lì)的輸入能量，對(duì)整體進(jìn)行子系統(tǒng)劃分；通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定各個(gè)子系統(tǒng)間的統(tǒng)計(jì)能量分析參數(shù)，將所得結(jié)果作為統(tǒng)計(jì)量的輸入，通過(guò)能量流動(dòng)路徑獲得各個(gè)子系統(tǒng)能量的大小，最后將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)力響應(yīng)[10]。

其中結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子，模態(tài)密度和聲載荷測(cè)試是建模過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。

主要板件的結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子測(cè)量原理如圖3所示。

圖3 阻尼損耗因子測(cè)量

在測(cè)試過(guò)程中，力錘激勵(lì)加速度傳感器附近區(qū)域，記錄振動(dòng)加速度傳感器曲線衰減速率，衰減斜率即為板件的結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子，該測(cè)試方法即為異點(diǎn)導(dǎo)納測(cè)試方法。

1.2.2 模態(tài)密度

模態(tài)密度測(cè)量方法如圖4所示，測(cè)量力錘與加速度傳感器之間的FRF曲線。模態(tài)密度計(jì)算原理如式（5）所示。

圖4 模態(tài)密度測(cè)量原理

式中V—記錄的速度值；A—加速度；F—施加力的大小；G(f)—虛部的圓頻率；n(f)—模態(tài)密度。

FRF曲線的虛部除以1/3倍頻程中心頻率，乘以4倍被測(cè)板件質(zhì)量，即為被測(cè)板件的模態(tài)密度。需要進(jìn)行阻尼損耗因子和模態(tài)密度的測(cè)試的部件如表1所示。

表1 阻尼損耗因子和模態(tài)密度主要測(cè)試部件

除此之外，還需測(cè)試主要內(nèi)飾部件吸隔聲性能，包括防火墻內(nèi)/外前圍、頂棚、地毯、行李箱吸音墊等內(nèi)飾件以及他們的流阻率、孔隙率、曲折因子、黏性特征長(zhǎng)度、熱特征長(zhǎng)度。以此確定他們的噪聲貢獻(xiàn)量和隔聲性能。

1.2.3 聲載荷測(cè)試

聲載荷測(cè)試的主要目的是進(jìn)行模型的校核和作為模型計(jì)算工況的輸入，測(cè)試分為理想工況測(cè)試和運(yùn)行工況測(cè)試兩部分進(jìn)行。在測(cè)試過(guò)程中，主要是基于傳遞函數(shù)的方法，采用基于能量的PBNR測(cè)試方法。需要在車外和車內(nèi)布置麥克風(fēng)，麥克風(fēng)布點(diǎn)位置如圖5所示。

測(cè)試結(jié)束之后，進(jìn)行SEA模型校核，首先對(duì)模型的理想工況進(jìn)行校核，對(duì)標(biāo)過(guò)程中考慮NCT設(shè)置和傳遞路徑，對(duì)泄漏等進(jìn)行處理，其中的關(guān)鍵建模測(cè)試部位：防火墻、車門(mén)、地板、輪罩將理想工況模型校核完成后進(jìn)行運(yùn)行工況模型校核。第一，怠速運(yùn)行時(shí)，主要用于對(duì)頂棚鈑金件面積修正；擋風(fēng)玻璃面積修正、動(dòng)態(tài)特性、損耗因子；對(duì)行李箱蓋泄露處理和泄壓閥處泄漏處理；同時(shí)對(duì)A/B/C柱鈑金及內(nèi)飾板厚度當(dāng)量處理。第二，勻速工況運(yùn)行時(shí)，主要考慮對(duì)輪罩NCT處理；考慮分析輪包模態(tài)特性；輪包鈑金面積修正。其中需要校核注意的關(guān)鍵部位：擋風(fēng)玻璃、行李箱、輪包。

圖6為某A級(jí)轎車SEA模型校核結(jié)果，由圖可以看出，車內(nèi)噪聲在高頻范圍內(nèi)誤差在5%以內(nèi)，統(tǒng)計(jì)能量法可行。

圖5 麥克風(fēng)布置

2 案例分析

2.1 車門(mén)隔聲量?jī)?yōu)化

一般情況下，車門(mén)內(nèi)外板之間距離比較小，法線方向聲腔比較窄，聲音是垂直射入，然而SEA理論認(rèn)為聲音是向四周散射，這就造成了對(duì)板件隔聲量的高估。因此車門(mén)隔聲量仿真模擬的過(guò)程中，采用如圖7所示的雙墻理論模型進(jìn)行建模仿真。

圖7 雙墻理論原理圖

雙墻模型隔聲量與雙層墻模型隔聲量曲線對(duì)比如圖8所示。

由圖中可以看出，在高頻段，由于雙墻模型的作用整體隔聲量要明顯高于雙層墻，如果在建模過(guò)程中忽略該問(wèn)題將會(huì)帶來(lái)仿真結(jié)果的差異，最終引起模型的不準(zhǔn)確。

同一車門(mén)SEA模型，使用雙墻理論，通過(guò)結(jié)構(gòu)之間的相互結(jié)合，保證雙墻之間的相對(duì)獨(dú)立，建模仿真差異如圖9所示，由圖可見(jiàn)，對(duì)于同一車門(mén)隔聲量模型，高頻仿真結(jié)果差異可達(dá)到10 dB。

2.2 變速箱嘯叫控制

對(duì)某MPV車型進(jìn)行NVH性能綜合提升過(guò)程中主觀評(píng)價(jià)出現(xiàn)高頻嘯叫噪聲，初步判斷為變速箱齒輪嚙合噪聲。變速箱頻譜圖如圖10所示，由圖中可見(jiàn)，對(duì)于變速箱工作噪聲主要以高頻噪聲為主，這也在客觀上印證了主觀評(píng)價(jià)結(jié)果。

對(duì)該車型建立整車SEA仿真模型，并進(jìn)行傳遞路徑貢獻(xiàn)量分析，分析結(jié)果顯示，駕駛員頭部聲腔噪聲來(lái)源主要為中央通道?；赟EA仿真結(jié)果對(duì)整車地毯進(jìn)行聲學(xué)包裝改造，如圖11所示。

圖8 雙墻模型隔聲量與雙層墻模型隔聲量曲線對(duì)比

圖9 車門(mén)隔聲量?jī)?yōu)化仿真結(jié)果

圖10 變速箱3 000 r/min時(shí)嘯叫頻譜圖

圖11 地毯改造

改造內(nèi)容包括在限制地毯重量前提下的地毯吸聲和隔聲性能調(diào)整，最終達(dá)到地毯聲學(xué)包裝的高頻吸聲性能的明顯提升。優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比如圖12所示。

圖12 地毯優(yōu)化的仿真結(jié)果

由圖中可知駕駛員頭部聲腔高頻段噪聲明顯降低，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果變速箱嘯叫明顯消除。

3 結(jié)語(yǔ)

本文綜合討論了應(yīng)用于乘用車高頻噪聲仿真的統(tǒng)計(jì)能量方法，并詳細(xì)介紹了使用該方法的關(guān)鍵建模問(wèn)題，包括阻尼損耗因子、模態(tài)密度、聲學(xué)包裝材料測(cè)試和聲載荷測(cè)試的計(jì)劃算原理和方法，基于上述研究得到如下結(jié)論。

（1）運(yùn)用SEA整車建模方法，有效指導(dǎo)聲學(xué)包裝的開(kāi)發(fā)過(guò)程。通過(guò)測(cè)試和仿真，找出主要的噪聲傳遞路徑，在建模過(guò)程中對(duì)關(guān)鍵雙墻理論的詳細(xì)闡述有效指導(dǎo)仿真工作，結(jié)合SEA方法通過(guò)實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比提高仿真精度

（2）對(duì)整車的聲學(xué)包進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高車輛的NVH性能，對(duì)于高速時(shí)車內(nèi)的噪聲變速箱嘯叫，通過(guò)優(yōu)化地毯的聲學(xué)包，降低駕駛員頭部的高頻噪聲1.31 dB。為SEA在汽車隔聲、吸聲材料設(shè)計(jì)中提供了方向，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高車輛的乘座舒適性。

[1]姚德源，王其政.統(tǒng)計(jì)能量分析原理及其應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1995.

[2]STEVENGMATTSON,DAVIDLABYAK,JEFF PRUETZ,et al.Pridiction of muffler insertion loss by a hyprid fe acoustic-sea model[C].SAE Paper:2009-01-2042.

[3]MARTIN G FOULKES,SAILESH RAJANI,XIAND I ZENG.A case study on airborne road noise reduction of a passenger vehicle[C].SAE International:2003-01-1407.

[4]BRIAN H TRACEY.Transmissionlossforvehicle sound package with foam layers[C].SAE International:2009-01-1670.

[5]陳鑫.基于SEA方法的轎車車內(nèi)噪聲分析與控制研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008.

[6]陳書(shū)明.轎車中高頻噪聲預(yù)測(cè)與控制方法研究[D].吉林大學(xué)，2011.

[7]劉濤，顧彥.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.

[8]潘國(guó)俊.乘用車車內(nèi)高頻噪聲的統(tǒng)計(jì)能量法建模分析與改進(jìn)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

[9]李曉政.黃其柏，王勇.車輛室內(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.

[10]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).

Research andApplication of SEAAnalysis Method for Vehicle Interior Noise Simulation

HOU Xian-jun1,2,GUO Jin1,2,DU Song-ze1,2,GUO Cai-yi1,2,LIU Zhi-en1,2
(1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology,Wuhan 430070,China)

Among the simulation analysis methods of vehicle interior noise,the FEM/BEM method can be used to simulate in the whole frequency band theoretically.However,due to the short wavelength of high frequency noise and the material uncertainty in preliminary simulation,it is difficult to identify the FEM/BEM parameters and realize the calculation.In this case,the statistical energy analysis(SEA)method based on energy averaging has specific advantage.In this paper,the application of this method to internal noise simulation of vehicles is discussed.The theory of the SEA analysis method is summarized.The internal high-frequency noise simulation is elaborated in three aspects:the excitation source and transfer path of the internal noise,the method of NVH performance development and the SEA modeling method.The application of the SEA simulation in the vehicle is mainly used to guide the development of acoustic package.To combine the key scientific problem in the SEA simulation with engineering practice,two typical examples are given.The first is to improve the simulation accuracy by establishing a relatively independent double leaf model based on double wall theory;and the second is to optimize gearbox’s high-frequency howling by controlling the acoustic package.The sound pressure near the driver’s head is reduced by 1.31 dB by laying double layer interior carpet.The simulation and reduction of the high frequency noise by using the SEA can significantly improve the NVH performance and the ride comfort of the vehicle.This paper may provide a reference for related fields.

acoustics;vehicle noise;high-frequency noise;subsystem;statistical energy analysis(SEA);noise control

TU112.3

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.025

1006-1355(2017)05-0119-05

2017-03-03

汽車排氣噪聲品質(zhì)的階次量化與聲音設(shè)計(jì)研究（51575410）

郭金（1992－），男，河南省南陽(yáng)市人，碩士生，主要研究方向?yàn)檎嘚VH。

侯獻(xiàn)軍，男，博士生導(dǎo)師。

E-mail:houxj@whut.edu.cn