唐吉有 丁渭平 吳昱東 黃海波 羅德洋

（1.西南交通大學(xué)，成都 610031；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545000）

主題詞：聲學(xué)超結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)聲控制 局域共振 車內(nèi)低頻轟鳴

1 前言

汽車噪聲按照傳播途徑一般分為空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲?？諝庠肼暿怯砂l(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、車外噪聲等通過車身壁板、門、窗等透射直接傳遞到乘員艙，其成分主要為中高頻噪聲。對于車內(nèi)中高頻空氣噪聲，國內(nèi)外廣泛采用的降噪措施是進(jìn)行聲學(xué)包裝處理，目前這類空氣噪聲問題的處理技術(shù)已經(jīng)比較成熟且已達(dá)到比較理想的降噪效果。結(jié)構(gòu)噪聲是由路面不平度產(chǎn)生位移激勵(lì)，通過輪胎-懸架系統(tǒng)傳遞到車身壁板結(jié)構(gòu)，壁板結(jié)構(gòu)的薄壁特征使其易受外界激勵(lì)影響，引起低頻振動(dòng)而向車內(nèi)輻射噪聲。汽車壁板件振動(dòng)輻射的低頻（20～100 Hz）轟鳴聲的控制一直是汽車結(jié)構(gòu)噪聲控制領(lǐng)域中的難點(diǎn)問題[1-3]。

目前，國內(nèi)外對車身壁板件低頻振動(dòng)的減振降噪處理主要有3種方式。第一，使用傳統(tǒng)阻尼減振材料或橡膠減振材料。但理論和試驗(yàn)研究均表明，該方式對高頻振動(dòng)的衰減較為明顯，而在中低頻段效果欠佳，特別是對于20～100 Hz 頻率范圍的振動(dòng)幾乎沒有效果[4]。第二，在對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)較大的車身薄壁件上增加肋板或加強(qiáng)筋，通過增加局部剛度提高其在低頻段的固有頻率。但實(shí)際操作中，頻率提升幅度受限，且大幅度更改壁板件的結(jié)構(gòu)會使生產(chǎn)成本急劇增加，嚴(yán)重影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[5]。第三，安裝動(dòng)力吸振器。但其作用頻帶狹窄，且在安裝空間、輕量化、耐久性及成本控制等方面存在諸多制約。

近年來，眾多學(xué)者對具有負(fù)動(dòng)態(tài)等效質(zhì)量參數(shù)特性的局域共振型聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的研究愈發(fā)熱烈，由于其產(chǎn)生帶隙所對應(yīng)的波長可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其諧振單元的外形尺寸，實(shí)現(xiàn)“小尺寸控制大波長”的特殊效果，因此在低頻減振降噪領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，為有效控制車內(nèi)低頻轟鳴聲提供了新的解決途徑[6-7]。本文基于局域共振原理，通過定向設(shè)計(jì)諧振單元的低頻帶隙頻率范圍，使其實(shí)現(xiàn)“小尺寸控制大波長”的特殊效果，從而改善由汽車壁板件振動(dòng)而向車內(nèi)輻射低頻轟鳴聲的問題。

2 車內(nèi)低頻轟鳴聲診斷分析

針對某款轎車在粗糙路面30 km/h勻速行駛時(shí)產(chǎn)生明顯的低頻（20～100Hz）轟鳴聲問題，使用LMS SCADAS Mobile 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集車內(nèi)駕駛員右耳與后排座椅中部聲壓信號。根據(jù)GB/T 18697—2002《聲學(xué)汽車車內(nèi)噪聲測量方法》布置聲壓傳感器，測點(diǎn)位置如圖1 所示。測試前確保汽車行駛時(shí)車內(nèi)無異響且處于封閉狀態(tài)，四輪定位正常，可調(diào)座椅靠背盡可能處于垂直位置，測試背景噪聲的影響小于可容許誤差。當(dāng)車速調(diào)整到30 km/h勻速行駛時(shí)，利用LMS車載設(shè)備采集車內(nèi)聲壓信號。

圖1 聲壓傳感器測點(diǎn)位置

測試結(jié)果顯示：在20～100 Hz頻段中，于35 Hz處出現(xiàn)明顯峰值，如圖2所示。駕駛員右耳和后排中部35 Hz處峰值分別為50.39 dB(A)、50.78 dB(A)，其余頻率點(diǎn)無明顯異常。

圖2 車內(nèi)噪聲頻譜

該峰值頻率很低，而低頻的連續(xù)性穩(wěn)態(tài)噪聲一般認(rèn)定為結(jié)構(gòu)噪聲。針對此結(jié)構(gòu)噪聲問題，分別在汽車的頂棚、尾門、側(cè)圍、車門等壁板件上布置單向振動(dòng)加速度傳感器，在駕駛員右耳和后排中部布置聲壓傳感器。在粗糙路面30 km/h 勻速行駛過程中采集壁板的法向振動(dòng)加速度及車內(nèi)噪聲。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，尾門壁板件在35 Hz處出現(xiàn)明顯的振動(dòng)加速度峰值0.42 mm/s2，如圖3 所示。頂棚、側(cè)圍、車門等在35 Hz 處無明顯峰值。進(jìn)而，在尾門壁板上貼附2 kg 的質(zhì)量塊后發(fā)現(xiàn)車內(nèi)噪聲在35 Hz 處出現(xiàn)大幅下降，如圖4、圖5 所示，同時(shí)，主觀感受也有明顯改善。在頂棚、車門等薄壁件上貼附質(zhì)量塊后車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)與主觀感受均無明顯改善。

圖3 尾門壁板件振動(dòng)頻譜

圖4 尾門壁板施加質(zhì)量塊前、后駕駛員右耳噪聲對比

圖5 尾門壁板施加質(zhì)量塊前、后后排中部噪聲對比

綜上判斷：車內(nèi)低頻轟鳴聲由車內(nèi)35 Hz頻率峰值過高引起，且與尾門薄壁件振動(dòng)密切相關(guān)。

3 基于聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的低頻轟鳴聲控制

振動(dòng)彈性波在局域共振型聲學(xué)超結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，會受到周期性排列的彈性散射體作用，一定本征頻率范圍內(nèi)的彈性波無法通過彈性散射體而繼續(xù)向前傳播，將該本征頻率范圍稱為聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的禁帶，而其他能夠無阻礙穿過這些彈性散射體的本征頻率范圍稱為通帶[8-9]。在聲學(xué)超結(jié)構(gòu)中，每個(gè)周期性排列的諧振單元均可等效為具有1 個(gè)自由度的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，通過合理設(shè)計(jì)其等效剛度或等效質(zhì)量，可定向設(shè)計(jì)聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的帶隙頻率范圍，達(dá)到選頻抑振的效果。

3.1 聲學(xué)超結(jié)構(gòu)諧振單元構(gòu)型及帶隙規(guī)劃

針對目前局域共振型聲學(xué)超結(jié)構(gòu)諧振單元作用頻率較高、剛度不穩(wěn)定等問題，本文設(shè)計(jì)了一款頻率定向可調(diào)、等效剛度穩(wěn)定且具有輕量化、小型化特征的諧振單元，如圖6 所示。該諧振單元可簡化成典型的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，如圖7 所示，質(zhì)量塊由密度較大的金屬鐵塊激光切割而成，為系統(tǒng)提供質(zhì)量組成部分，含有懸臂梁的基體板結(jié)構(gòu)由鋁板激光切割而成，為系統(tǒng)提供彈性組成部分和基體框架。鋁、鐵材料價(jià)格低廉且在疲勞耐久等方面性能良好，故該結(jié)構(gòu)可在汽車低頻振動(dòng)控制領(lǐng)域進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。

圖6 聲學(xué)超結(jié)構(gòu)諧振單元構(gòu)型

圖7 聲學(xué)超結(jié)構(gòu)諧振單元及簡化模型

假設(shè)基體質(zhì)量為M，位移為X，質(zhì)量塊的質(zhì)量為m，位移為x，基體受到的激勵(lì)力為F，質(zhì)量塊受到的反作用力為F1。根據(jù)牛頓第二定律和胡克定律：

將系統(tǒng)整體考慮：

式中，k為等效彈簧剛度；me為系統(tǒng)等效質(zhì)量；H(w)為系統(tǒng)位移頻響函數(shù)；w為固有圓頻率；w0=(k/m)1/2為內(nèi)部彈簧振子的固有頻率；j為虛數(shù)單位。

外部激勵(lì)頻率與系統(tǒng)等效質(zhì)量參數(shù)特性的關(guān)系如圖8所示。隨著外部激勵(lì)頻率的變化，系統(tǒng)具有不同的等效質(zhì)量，表現(xiàn)出不同的振動(dòng)特性[10]，如表1所示。

圖8 外部激勵(lì)頻率與位移頻響函數(shù)的關(guān)系

表1 激勵(lì)頻率與動(dòng)態(tài)等效質(zhì)量的關(guān)系

當(dāng)激勵(lì)頻率為0或者很低時(shí)，內(nèi)部的諧振單元與系統(tǒng)保持同向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)相當(dāng)于兩者剛性連接在一起，系統(tǒng)等效質(zhì)量大于0，不產(chǎn)生帶隙。當(dāng)激勵(lì)頻率與諧振單元固有頻率相近時(shí)，等效質(zhì)量趨于無窮大，系統(tǒng)的狀態(tài)很難隨著外部激勵(lì)頻率的改變而變化，諧振單元與基體振動(dòng)方向相反，吸收耗散一部分基體能量，從而形成帶隙。當(dāng)激勵(lì)頻率在范圍內(nèi)，系統(tǒng)的等效質(zhì)量為負(fù)數(shù)，其振動(dòng)特性與常規(guī)材料有很大差別，被稱為聲學(xué)超結(jié)構(gòu)。

根據(jù)聲學(xué)超結(jié)構(gòu)諧振單元的振動(dòng)特性，針對35 Hz峰值頻率，通過合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)諧振單元懸臂梁寬度、質(zhì)量塊厚度等變量，使其在35 Hz 處產(chǎn)生帶隙。通過有限元仿真計(jì)算，確定了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)：懸臂梁寬度為6 mm，長度為29 mm，厚度為0.5 mm，材料為鋁；質(zhì)量塊直徑為25 mm、厚度為0.6 mm，材料為鐵。將質(zhì)量塊與懸臂梁等效而成的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)連接到一個(gè)80 mm×80 mm 的矩形框架中，在COMSOL 軟件中建立如圖9所示的聲學(xué)超結(jié)構(gòu)諧振單元模型。

圖9 諧振單元結(jié)構(gòu)示意

對諧振單元結(jié)構(gòu)設(shè)置相應(yīng)的材料屬性（見表2），并劃分網(wǎng)格。對該矩形框架上、下兩對邊設(shè)置弗洛奎特（Floquet）周期性邊界條件，左、右兩對邊設(shè)置連續(xù)性邊界條件。設(shè)定波矢k，將其沿著該結(jié)構(gòu)的不可約布里淵區(qū)進(jìn)行參數(shù)化掃描，可得出該聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的能帶曲線，如圖10所示，其中|k|在第一布里淵區(qū)取值，即[0,π/a)，a=0.08 m 為晶格常數(shù)。該結(jié)構(gòu)在0～500 Hz 頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生了一條帶隙，即30.00～40.24 Hz，在帶隙范圍內(nèi)，振動(dòng)彈性波被限制在諧振單元內(nèi)而不能繼續(xù)向前傳播，從而起到較好的減振效果。

圖10 諧振單元能帶分布

表2 聲學(xué)超結(jié)構(gòu)諧振單元材料屬性

3.2 聲學(xué)超結(jié)構(gòu)整車布置規(guī)劃

聲學(xué)超結(jié)構(gòu)對壁板件中振動(dòng)彈性波的抑制方式可分為行波抑制和駐波抑制。針對尾門壁板結(jié)構(gòu)，行波抑制需先明確振動(dòng)彈性波傳遞到尾門的各路徑并在相應(yīng)路徑上安裝特定帶隙的聲學(xué)超結(jié)構(gòu)。但在汽車行駛過程中存在大量激勵(lì)源，各種激勵(lì)源所產(chǎn)生的振動(dòng)能量綜合在一起，造成尾門壁板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。每一個(gè)激勵(lì)源都有各自對應(yīng)的傳遞路徑，并且傳遞路徑往往不只1 條，而是經(jīng)多個(gè)連接點(diǎn)、沿多個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的多維傳遞路徑。故針對各條路徑上的行波進(jìn)行抑制會極大增加聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的安裝數(shù)量，從而導(dǎo)致附加質(zhì)量過大。

相對相位保持恒定的入射波與反射波在封閉結(jié)構(gòu)中相互疊加會形成駐波。駐波中各質(zhì)點(diǎn)分別在各自的平衡位置附近作簡諧運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能和勢能在波節(jié)和波腹之間來回傳遞，無能量的傳播。駐波抑制為在各列可疊加形成駐波的入射行波與反射行波的交匯處安裝聲學(xué)超結(jié)構(gòu)，意味著在多列行波交匯點(diǎn)處進(jìn)行抑制，相當(dāng)于在一個(gè)控制點(diǎn)同時(shí)抑制了多列行波。駐波抑制無需明確尾門壁板結(jié)構(gòu)中各行波的傳遞路徑，只需診斷出駐波中振動(dòng)能量較大的位置（波腹）。綜上，在工程可行范圍內(nèi)，駐波抑制不失為一種簡潔、有效的處理方式。

尾門工作變形分析（Operational Deflection Shape，ODS）能夠?qū)嶋H描述其在整車行駛過程中各列駐波的綜合振動(dòng)形態(tài)，對分析車內(nèi)低頻轟鳴聲的產(chǎn)生部位及確定聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的安裝位置具有重要參考意義。

根據(jù)ODS 的測試方法，在尾門上能大致描述其振型的關(guān)鍵點(diǎn)上布置12 個(gè)單向振動(dòng)加速度傳感器，如圖11 所示。汽車行駛工況為粗糙路面30 km/h 勻速行駛，使用測試軟件Siemens Simcenter TestLab 18.0 的ODS 測試模塊進(jìn)行測試。針對車內(nèi)噪聲峰值頻率，使用軟件提取35 Hz 處的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行ODS 振型計(jì)算，結(jié)果如圖12 所示?？梢钥闯?，在尾門壁板結(jié)構(gòu)中，駐波的波腹位置主要集中在后風(fēng)窗及其下部金屬壁板位置。由于后風(fēng)窗是駕駛員及乘客觀察后方來車的重要視線區(qū)域，故確定聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的安裝位置為后風(fēng)窗下部金屬壁板。

圖11 ODS測點(diǎn)位置

3.3 聲學(xué)超結(jié)構(gòu)諧振單元排布與基體框架設(shè)計(jì)

針對后風(fēng)窗下部金屬壁板的外形尺寸，為使設(shè)計(jì)的聲學(xué)超結(jié)構(gòu)夠完全貼附到金屬壁板上，確定了聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的基體框架尺寸為100 mm×150 mm×3 mm。將前文設(shè)計(jì)的諧振單元周期性排布到基體框架中，如圖13 所示（含4 個(gè)諧振單元）。聲學(xué)超結(jié)構(gòu)基體板由鋁板激光切割而成，質(zhì)量塊由鐵塊切割而成，磁粒熱熔型阻尼層具有磁性，可直接吸附到車身金屬壁板上。

圖12 35Hz尾門ODS振型

圖13 聲學(xué)超結(jié)構(gòu)外形

4 實(shí)車效果驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的聲學(xué)超結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工試制、貼附質(zhì)量塊并使用LMS SCADAS Mobile 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行諧振單元頻率檢測和調(diào)校。對未貼附聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的原狀態(tài)、貼附聲學(xué)超結(jié)構(gòu)、貼附同等質(zhì)量的傳統(tǒng)阻尼板3 種裝車狀態(tài)進(jìn)行噪聲、振動(dòng)數(shù)據(jù)測試，對比驗(yàn)證聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的減振降噪效果。測試工況為30 km/h 勻速工況，貼附位置如圖14 所示，噪聲與振動(dòng)測試結(jié)果如圖15～圖17 所示。通過對比圖15～圖17 中的尾門壁板件振動(dòng)幅值和車內(nèi)噪聲幅值可以看出：在35 Hz 處，貼附聲學(xué)超結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)阻尼板對由尾門壁板件振動(dòng)而向車內(nèi)輻射的低頻轟鳴聲均有改善，但在同等質(zhì)量情況下，貼附聲學(xué)超結(jié)構(gòu)具有更加顯著的減振降噪效果，具體數(shù)據(jù)如表3 所示。

圖14 試驗(yàn)貼附位置

針對以上測試結(jié)果，邀請20 名NVH 主觀評價(jià)人員針對未貼附聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的原狀態(tài)、貼附聲學(xué)超結(jié)構(gòu)、貼附同等質(zhì)量的傳統(tǒng)阻尼板3 種裝車狀態(tài)進(jìn)行主觀評價(jià)。主觀評價(jià)人員由10名企業(yè)NVH 主觀評價(jià)工程師、5名高校教授、3名博士研究生、2名碩士研究生組成，男女比例為1∶1，年齡為22～55 歲，均具有一定的NVH 主觀評價(jià)經(jīng)驗(yàn)。主觀評價(jià)的行駛道路與前期測試數(shù)據(jù)采集的行駛道路一致，且只選取單向同一路段作為行駛路段，行駛工況為30 km/h 勻速行駛。主觀評價(jià)時(shí)，先將20 名主觀評價(jià)人員進(jìn)行隨機(jī)排序，然后依次安排每位評價(jià)人員在原狀態(tài)、貼附聲學(xué)超結(jié)構(gòu)、貼附傳統(tǒng)阻尼板3種狀態(tài)下按照如表4所示的主觀評價(jià)評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評分，每種狀態(tài)重復(fù)評價(jià)2 次，如果評價(jià)人員對同一狀態(tài)的評分差距過大，需進(jìn)行多次評價(jià)，以確定最終的評分。最后，將20 名主觀評價(jià)人員在每種狀態(tài)下的評分?jǐn)?shù)值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和平均處理，結(jié)果如表5所示。

圖15 駕駛員右耳聲壓級對比

圖16 后排中部聲壓級對比

圖17 尾門壁板件振動(dòng)幅值對比

表3 車內(nèi)35 Hz噪聲與振動(dòng)數(shù)據(jù)對比

表4 主觀評價(jià)評分標(biāo)準(zhǔn) 分

表5 主觀評價(jià)結(jié)果 分

綜上，基于局域共振原理設(shè)計(jì)的聲學(xué)超結(jié)構(gòu)相對于同等質(zhì)量的傳統(tǒng)阻尼板在35 Hz 峰值處具有更好的減振降噪效果。結(jié)合主觀評價(jià)，在車輛貼附聲學(xué)超結(jié)構(gòu)行駛時(shí)，車內(nèi)低頻轟鳴聲已明顯改善，達(dá)到可接受水平。

5 結(jié)束語

本文針對尾門壁板件振動(dòng)而向車內(nèi)輻射低頻轟鳴聲的問題，引入諧振單元帶隙定向設(shè)計(jì)技術(shù)，研發(fā)出一款等效剛度穩(wěn)定、帶隙可調(diào)且具有輕量化、小型化特征的聲學(xué)超結(jié)構(gòu)，針對聲學(xué)超結(jié)構(gòu)諧振單元構(gòu)型的選擇與帶隙規(guī)劃、整車布置規(guī)劃及其諧振單元排布與設(shè)計(jì)提出了具體的設(shè)計(jì)和解決方案。實(shí)車測試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)能夠有效降低車內(nèi)的低頻轟鳴聲，改善車內(nèi)噪聲環(huán)境。