车身噪音的分析与控制

阎勤劳，杨志勇，朱 焘

（广东白云学院机电工程学院，广州510640）

汽车在行驶过程中，由于发动机的不断加速和减速、路面情况的不断变化，噪音不断地通过车身构件和车身缝隙的空气传入车内。为了防止噪音的传入，车身壁板在设计时已经采取了消音措施[1]，如由车身结构板、阻尼层（对约束阻尼结构还包括约束层）等多层结构组成。粘附阻尼层也可以提高车身壁板的吸声与隔声性能。可是，随着车辆运行时间的延长，其消音性能会逐渐下降。而通过分析多层板结构的特性（层厚度、层数、空气隙等）对车内噪声的影响，还不能完整低解释这种原因[2]，对于车身消音性能的恢复更提不出有效的方法。在现代设计中，人们应用有限元法、边界元法[3]及统计能量法[4]等进行了车身效应的设计，而对于经过一定时期运行汽车的消音效能下降的分析涉足很少，本文根据车辆在运行时期的隔音效果测试提出改进隔音效果的措施。

1 车内噪声分析

应用模态相似准则[5]对SEA模型[6]施加声载荷，测试驾驶员头部声子系统和后排乘员声子系统的隔声量，阻尼材料老化车身和加新阻尼材料车身的测试结果如图1所示。

由测试结果图1所示可以看出，汽车的噪声主要依靠车身的隔阻，车身噪声阻尼材料的老化对于消除噪声（450 Hz以上）确有作用，但不是主要的。在高于800 Hz的高频阶段，有阻尼车身的隔声效果明显好于阻尼材料老化车身，而在800 Hz以内，故两种情况下隔声量没有变化，此时有无阻尼，车身壁板的隔声量均无太大变化，也反映出阻尼材料对高频时声处理的作用。

图1 车身加阻尼前后车内声压级比较[5]

当计算出改变不同的阻尼层结构厚度时[5]，不同材料组合相对于阻尼材料老化时车内噪声的变化如图2所示。几种不同阻尼层结构组合，在驾驶员头部声学子系统和后排乘员子系统处计算得出的车身壁板隔声量相对于阻尼材料老化车身的变化[7]（如图2所示）。

图2 阻尼层厚度不同组合时相对于阻尼材料老化车身的变化

由图可以看出，在800 Hz以上时，随阻尼层结构厚度的变化，车身壁板的隔声量有了明显的改变，这也说明，阻尼层结构对中高频的吸声隔声作用更为明显。

2 车身的消音设计

车身壁板的阻尼层处理包括附加自由阻尼处理和约束阻尼处理，有些还在阻尼层间留有一定间隙的空气层。自由阻尼结构中车身结构板为基板，在其上粘结阻尼层，在每个振动周期中靠阻尼层的粘滞特性损耗振动能量。约束阻尼结构的最下与最上层分别为车身结构板（基板）和约束层，中间为粘弹性阻尼层，在振动中靠粘弹性阻尼层剪切应变在每个振动周期中把基板的一部分振动能量转化为热能。本文主要对车顶棚、车地板及车门处的阻尼结构进行分析，其中车顶与车门为具有空气层的多层板结构，车地板为三层约束阻尼结构，其余壁板为两层的自由阻尼结构，车身壁板阻尼材料层与空气层厚度的参数选取范围如表1所示。

表1 阻尼材料层与空气层厚度的取值[5]

由上述参数可知，车身的消音效果来源于消音设计，即结构设计和噪声阻尼材料的选用，那么由于车辆在运行过程作用以及材料的不断老化、污染，汽车的消音效果必然变差。

3 汽车运行后对车身消音效果的影响

采用数值仿真方法可计算出多组随阻尼层及空气层厚度变化时对应车内两个选定点的声压级，利用人工神经网络[8]方法可得到一组多输入（多层板及空气层厚度）对多输出的非线性映射。对应于每一频率，通过对多输入对多输出的非线性函数求各变量的偏导即可得到在各频率下设计变量对车内声压的灵敏度。

通过BP神经网络对输入输出的学习，可得到在各个频率段下，车身壁板阻尼层厚度参数对车身壁板隔声量的非线性映射，依据网络的权值和阈值可获得各输出对应输入变量的映射函数。即输入空间R5（5个设计变量）对输出空间R3（3个频率下的车身壁板隔声量）的非线性映射函数。神经网络采用三层结构，输入层节点为5，输出层节点为3，隐含层节点数为2.另外，设定神经网络的学习率为0.1，学习次数500次，许可误差0.000 01，此时检验样本输出误差均控制在5%以内，达到满意效果。

可求得在频率为800 Hz、2 000 Hz以及10 000 Hz时，输入变量相对于车身壁板隔声量的非线性映射函数为

式中 S1，S2，S3分别表示在频率为 800 Hz、2000 Hz以及10 000 Hz时的隔声量映射函数，网络权值与阈值分别为

通过求映射函数对阻尼层结构厚度参数的偏导数，可得到不同频率下阻尼层结构变量对车内声压级的灵敏度，进行归一化处理后如图3所示。

图3 相对于各层厚度的归一化声－结构灵敏度

图3 所示说明具有阻尼层和空气层的车顶蓬的声传递损失灵敏度是最高的。在800 Hz时，增加车顶装饰层和空气层的厚度有利于提高壁板隔声性能。而在其他两个频率，二者的作用是相反的，即要想在同时改变车顶阻尼结构的同时提高隔声性能，必须在增加车顶装饰层厚度的同时减小车顶空气层的厚度。对车底板及车门阻尼结构，对车身壁板的隔声量灵敏度较小，且车门空气层对隔声量的影响为负，即减小车门空气层的厚度可提高壁板隔声量。

4 结束语

（1）车身的密封是保障降低车内噪音的主要条件，可是，随着车辆的运行时间的延长，车身结构必然产生一定的变化，使车身的密封性能下降，因此及时地对车辆结构进行调整复原，不仅仅有利于汽车的使用安全，还对消除车内噪音有着直接的关系。

（2）车内噪声阻尼层的结构、材料的形状对消除噪声均有直接影响，随着汽车运行时间的延长，其各方面都会产生变化，如由于灰尘，阻尼材料孔隙度的下降、阻尼材料的老化致使材料心能变化等。所以必须对车内阻尼材料进行定期清洁或采用其它恢复阻尼材料性能的措施。

[1]Dan Tang.Aluminum Vehicle Side Impact Design[C].Test and CAE，2002.

[2]Horst Lanzerath.Crash Simulation on Body Structural Components Made Out of Extruded Magnesium[C].SAE Paper，2003.

[3]Ari Garo Caliskan.Design&Analysis of Composite Impact Structures for Formula One Using Explicit FEA Techniques.[C].SAE Paper，2002.

[4]侯 林，张君媛.某轿车车体结构侧面抗撞性的分析与改进[C].2006中国汽车安全技术国际研讨会论文集，2006:33-36.

[5]邓江华，刘献栋，李兴虎，等.车身阻尼层结构的声灵敏度分析及优化[J].噪声与振动控制，2009，（1）：54-58.

[6]马晓春，沈卫兵.有限元数值模拟技术在汽车冲压件成形中的应用[J].浙江工业大学学报，2007，35（1）：100-101.

[7]M.Dorigo， V.Maniezzo， and A.Colorni.Ant system:Optimization by A Colony of Cooperative Agents[J].IEEE Transactions on Systems，Man and Cybernetics Part B:Cybernetics，1996，26（1）：29-41.