許雪瑩

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海200438）

主題詞：電動汽車 聲學(xué)包 輕量化 經(jīng)典聲學(xué)理論

1 前言

車身防火墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于阻止發(fā)動機(jī)噪聲在前圍中的傳播，進(jìn)而降低車內(nèi)發(fā)動機(jī)噪聲具有重要作用。商業(yè)化的軟件VA-One在聲學(xué)包前期開發(fā)中已有廣泛應(yīng)用[1-5]，雖然可用于評價隔聲墊結(jié)構(gòu)設(shè)計及總體性能評價，但搭建模型、參數(shù)輸入及購買軟件等成本較高，因此，如何在樣件制作或原型車試制前進(jìn)行前圍隔聲墊的快速輔助設(shè)計和系統(tǒng)匹配成為聲學(xué)包開發(fā)的核心技術(shù)。另外，隨著新的乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)（四階段）—CAFC的實施，降油耗的壓力也成為眾多傳統(tǒng)主機(jī)廠面臨的難題[6]，如何在既提升整車聲學(xué)水平，又實現(xiàn)輕量化和低油耗，成為各大主機(jī)廠聚焦的熱點[7-11]。

在此背景下，本文基于經(jīng)典聲學(xué)理論對汽車前圍隔聲的聲學(xué)性能進(jìn)行建模、仿真和試驗驗證，并針對不同隔聲墊結(jié)構(gòu)設(shè)計了隔聲性能評估方法，在大大縮短研發(fā)周期及降低成本的同時獲得了最優(yōu)的聲學(xué)效果。

2 基于經(jīng)典聲學(xué)理論的前圍建模方法

常見的前圍聲學(xué)包材料組合為PU發(fā)泡層加上乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA重層。PU發(fā)泡層的內(nèi)表面可粘貼吸聲棉作為襯底，用以提升前圍防火墻與PU之間的貼合度，防止噪聲從夾層中穿過。由于裝配和制造工藝等因素，隔聲墊都存在一定的聲泄露，如油門踏板的邊緣與隔聲墊開孔之間的匹配間隙（鈑金裸露）；在線束過孔區(qū)與轉(zhuǎn)向柱過孔區(qū)等處，由于線束或轉(zhuǎn)向柱的橡膠護(hù)套層通常較薄，導(dǎo)致其隔聲量也相對薄弱。整個前圍由單層鈑金、單層橡膠和鈑金—隔聲墊復(fù)合結(jié)構(gòu)共同組成。

2.1 單層板質(zhì)量定理

對于單層致密的結(jié)構(gòu)，其隔聲量可由經(jīng)典聲學(xué)理論——“質(zhì)量定理”計算[12],鋼板的隔聲量由其單位面積的質(zhì)量所決定，計算式為：

式中，TL為隔聲量；f為噪聲頻率；M2為板件的單位面積質(zhì)量。

當(dāng)f=1 000 Hz時，厚度為1 mm鋼板的隔聲量為35.8 dB；橡膠的密度為1 000 kg·m-3，厚度為2 mm，其隔聲量為24 dB；隔聲墊EVA重層的密度為1 000 kg·m-3，若其厚度為4 mm，其隔聲量為30 dB。

2.2 雙層中空結(jié)構(gòu)隔聲理論

考慮到鈑金和EVA層的密度遠(yuǎn)高于中間層PU發(fā)泡和吸聲棉，為簡化計算，中間填充的PU發(fā)泡和吸聲棉可簡化為空氣層處理，則鈑金和隔聲墊復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體隔聲量就由鈑金和隔聲墊的質(zhì)量及其間距所共同決定。鈑金和隔聲墊的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)共振頻率的計算式為:

式中，fdw為雙層結(jié)構(gòu)的共振頻率，m1和m2分別為鈑金和隔聲墊EVA層的單位面積質(zhì)量；d為鈑金與隔聲墊EVA層的間距；ρ為PU材料密度；c為PU材料聲速。

圖1 雙層墻結(jié)構(gòu)示意

考慮到中間介質(zhì)為PU材料，其密度和聲速與空氣接近，則其共振頻率為：

前圍雙層結(jié)構(gòu)的共振頻率在100～200 Hz之間，在雙層結(jié)構(gòu)的隔聲過度區(qū)，其隔聲量為：

式中，k1=28.7；STL1和STL2分別為鈑金和隔聲墊EVA層的隔聲量。

2.3 隔聲混合模型

在汽車聲學(xué)理論中，對于多種材料、多層介質(zhì)組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其隔聲量已有成熟的計算方法[13]，其計算式為：

式中，TL為隔聲量；τ為透射系數(shù)；為平均隔聲量；τi為第i個部件的透射系數(shù)；τˉ為平均透射系數(shù)；S為總面積，Si為第i個部件的面積。

3 隔聲墊隔聲計算

3.1 前圍隔聲墊結(jié)構(gòu)

本文所分析的前圍隔聲墊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 前圍隔聲墊的結(jié)構(gòu)示意

參考某車型前圍隔聲墊分布，其橡膠護(hù)套區(qū)占前圍總面積的4%，鈑金裸露區(qū)占前圍總面積的6%，剩余的鈑金與隔聲墊復(fù)合層占比為90%。

前圍隔聲材料的屬性見表1，前圍鈑金材料為常見的鋼材，橡膠護(hù)套的密度與隔聲墊EVA材料的密度相同。

表1 前圍隔聲材料屬性

3.2 前圍隔聲墊的聲學(xué)性能仿真

將鈑金、橡膠、隔聲墊的面積占比（4%、6%、90%）和頻率為1 000 Hz時隔聲量24 dB、35.8 dB和65.8 dB（1 mm鋼板隔聲量35.8 dB與4 mm隔聲墊EVA隔聲量30 dB之和）代入式（5），得到前圍在頻率為1 000 Hz時的整體隔聲量為37.6 dB。圖3為當(dāng)裸露鈑金面積占比為6%時，減小橡膠護(hù)套面積對前圍整體隔聲量的影響。從圖3可看出，隨橡膠護(hù)套面積占比的減小，前圍的整體隔聲量不斷提升。與橡膠護(hù)套面積占比4%的前圍相比，橡膠護(hù)套面積占比降到0.25%時，整體隔聲量提升約10 dB。

圖3 不同橡膠護(hù)套面積下的前圍整體隔聲量

圖4為當(dāng)裸露鈑金面積占比進(jìn)一步減小時，即從6%降低到0.35%時，頻率為1 000 Hz時的整體隔聲量提高3.7 dB；當(dāng)裸露鈑金面積占比進(jìn)一步降到0%時，即鈑金完全被覆蓋，同時橡膠護(hù)套的面積占比降低到0.01%時，整體隔聲量可再提高12.3 dB。由此表明，裸露鈑金和橡膠護(hù)套的面積占比對整體的隔聲量有很大影響，可以通過加厚橡膠護(hù)套、設(shè)計雙層橡膠或覆蓋隔聲墊來提高橡膠護(hù)套的隔聲量；另外減小鈑金的裸露面積也是提高整體隔聲量的有效途徑。

圖4 不同鈑金裸露面積下的前圍整體隔聲量

3.3 隔聲墊的輕量化

高性能、輕量化、低成本是整車精益開發(fā)追求的目標(biāo)，對于前圍隔聲墊來說，如提高橡膠護(hù)套的隔聲量，則可以提高前圍整體的隔聲性能。在此基礎(chǔ)上可以考慮對隔聲墊的質(zhì)量和成本進(jìn)行優(yōu)化，從而實現(xiàn)隔聲性能和質(zhì)量、成本的平衡。

圖5為前圍隔聲墊的輕量化方案對比，其中原狀態(tài)是指橡膠護(hù)套面積占4%，EVA厚度為4 mm。優(yōu)化方案1：橡膠護(hù)套面積占0.25%，EVA厚度為4 mm；優(yōu)化方案2：橡膠護(hù)套面積占0.25%，EVA厚度為2 mm；優(yōu)化方案3：橡膠護(hù)套面積占0.25%，EVA厚度為0.5 mm。從圖5可看出，隨著橡膠護(hù)套面積的減小，隔聲量在頻率為1 000 Hz處最大提升了10 dB；而當(dāng)EVA層的厚度從4 mm下降為2 mm和0.5 mm時，前圍整體隔聲量在低頻率段（＜500 Hz）下降明顯，EVA層厚度為0.5 mm時的整體隔聲量甚至還低于原狀態(tài)時的隔聲量。由上述分析可知，采用2 mm厚度的EVA層既提升了前圍隔聲性能，又可減輕整車質(zhì)量約2 kg。

圖5 不同前圍隔聲墊的隔聲量對比

4 隔聲墊實車驗證

4.1 語音清晰度

語音清晰度AI（Articulations Index）描述的是噪聲環(huán)境下對話的清晰程度，AI計算和統(tǒng)計的頻率范圍為200～6 300 Hz的1/3倍頻帶[14-16]，此頻帶范圍與吸隔聲材料的作用范圍一致，是評價聲學(xué)包效果的重要指標(biāo)[17-19]。AI值越高則表示語音清晰度越高，聲學(xué)包的聲學(xué)效果也越好。

4.2 實車對比驗證

在整車半消聲室中對原狀態(tài)（EVA厚度4 mm，橡膠護(hù)套面積占比4%，鈑金裸露面積占比6%）和優(yōu)化狀態(tài)（EVA厚度2 mm，橡膠護(hù)套面積占比1%，鈑金裸露面積占比2%）的聲學(xué)包進(jìn)行了整車級內(nèi)部噪聲對比測試，測試工況為：3擋全油門（WOT），發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1 000 r/min到6 000 r/min，麥克風(fēng)位于駕駛員外耳處，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 原狀態(tài)和優(yōu)化后的前圍隔聲墊的整車噪聲測試結(jié)果

由圖6可看出，優(yōu)化后的聲學(xué)包的語音清晰度AI指數(shù)比原狀態(tài)平均高出約5%，同時前圍的質(zhì)量也減輕了2 kg，既實現(xiàn)了整車輕量化，又提升了聲學(xué)性能，與計算結(jié)果一致。

5 結(jié)束語

本文采用經(jīng)典的聲學(xué)理論對整車前圍隔聲墊的聲學(xué)性能進(jìn)行了計算，對聲學(xué)包進(jìn)行了基于輕量化的優(yōu)化改進(jìn)，并通過整車的半消聲室測量驗證了計算結(jié)果的有效性。該計算方法對指導(dǎo)前圍隔聲墊的正向開發(fā)、縮短研發(fā)周期及降低研發(fā)成本具有實用價值，對質(zhì)量敏感的電動汽車來說，減輕質(zhì)量可以直接增加車輛的續(xù)駛里程。