车身侧围空腔阻隔结构隔声性能的建模与验证

牛胜福，张立军，孟德建，何 臻，曹 诚，徐雪莹，陈 阳

(1. 同济大学汽车学院，上海 201804； 2. 上海大众汽车有限公司，上海 201805； 3.上海华特汽车配件有限公司，上海 201822)

2016139

车身侧围空腔阻隔结构隔声性能的建模与验证

牛胜福1,2，张立军1，孟德建1，何 臻1，曹 诚2，徐雪莹2，陈 阳3

(1. 同济大学汽车学院，上海 201804； 2. 上海大众汽车有限公司，上海 201805； 3.上海华特汽车配件有限公司，上海 201822)

采用有限元-统计能量分析混合建模方法，建立车身侧围空腔阻隔结构隔声性能预测模型，其中，阻隔结构塑料支撑板用有限元方法建模，密封膨胀胶使用统计能量分析与多孔介质声学理论(毕奥理论)相结合的方法建模，阻隔结构前后的声腔采用统计能量分析方法建模。同时在混响-消声室中进行阻隔结构隔声性能测试。模型预测性能与试验测得结果的对比表明，模型预测与试验结果在200～8 000Hz频率范围基本一致，说明所建模型能有效预测阻隔结构隔声性能。

车身侧围；阻隔结构；隔声性能；建模；试验

前言

车身侧围空腔阻隔结构对于阻止空气声在侧围中的传播，降低车内噪声具有重要作用[1-6]，因而受到整车厂和供应商的广泛关注。针对阻隔结构的降噪性能，前期研究者在材料级[7-11]、部件级[5,12-13]和整车级[13-15]都开展过研究，但研究绝大部分都是基于样件或者原型车的试验分析，虽然有利于评价阻隔结构和配置方案的总体性能，但是无法在设计阶段指导部件设计和系统匹配。因此，如何在样件制作或原型车试制之前进行阻隔件的计算机辅助设计和系统匹配成为核心关键技术。

前期曾有研究者提出通过分析各个侧围空腔对空气声传递贡献量指导阻隔结构的布置[15]，或使用统计能量分析来预测阻隔结构的降噪效果[4,16]。但在上述研究中，未说明阻隔结构的建模方法，无法指导实际工程开发。实际上，若能建立阻隔结构声学性能预测模型，针对不同的阻隔结构设计和布置方案的效果进行预测和评估，可大大缩短研发周期和成本，具有良好的工程价值。

在此背景下，本文中将基于全频段声学分析软件VA One对车身空腔阻隔结构的声学性能进行建模、仿真和试验验证。需要说明的是，本文中的建模对象是目前应用非常广泛的装配式阻隔结构，具有质量轻、成本低和密封性能好的特点[2,6]。

1 有限元-统计能量分析混合方法简介

由于阻隔结构用于阻隔中高频的空气声，所以本文中研究的频率范围属于中高频。而对于阻隔结构来说，由于它尺寸较小，对结构本身来说属于中低频问题，可采用有限元方法；而高频问题则宜采用统计能量分析方法，故本文中将使用有限元-统计能量分析(简称FE-SEA)混合方法来进行建模和求解。

关于FE-SEA混合方法建模、求解方程已有详细的介绍[16-19]，在这里只做简要说明。

1.1 整体运动方程与局部运动方程

根据结构的模态频率将结构中的模态分为整体模态和局部模态，相对应的结构响应称为整体响应和局部响应。整体响应部分利用有限元方法求解，局部响应利用统计能量分析方法求解[19]。

系统激励与运动的关系为

F=Dq

(1)

式中：F为激励；q为系统振幅；D为系统动刚度矩阵。将其分解为整体模态和局部模态分量有：

(2)

式中：g为整体模态，l为局部模态。系统的整体运动方程和局部运动方程可以分别表示为

(3)

(4)

1.2 混合连接子系统间的互相关系

FE模型和SEA模型通过扩散场互易关系[19]互相联系，互易关系表达式为

(5)

式中：E[·]为所有结构的均值；E为板件子系统的振动能量；n为模态密度；ω为分析的圆频率；frev为边界力与实际边界力的差值；Ddir为直接动力刚度矩阵；Im{·}表示取虚部运算。

1.3 FE-SEA混合系统方程

混合系统的功率平衡方程为

(6)

再根据确定性系统响应求解式(7)可以求得子系统的响应：

(7)

式中Sqq为响应的子功率谱。

2 阻隔结构建模

本文中所分析的空腔阻隔结构如图1所示，是具有完全自主知识产权的一款在多种车型上大量应用的阻隔结构。该阻隔结构由密封膨胀胶EVA和塑料支撑板PA66组成，塑料支撑板下方有一个用于在车身上固定的卡扣。

2.1 塑料支撑板建模

由于支撑板几何尺寸较小，且弹性模量较大，在所分析的频段内模态密度较低，板件的共振模态对板件的隔声性能会产生显著影响，也就是说支撑板隔声量的刚度控制区仍然落在分析频段内[22]。当系统模态密度较低时，有限元方法较统计能量分析方法具有更好的计算精度[23]，所以为支撑板建立了有限元模型。为了建模方便，将原有的支撑板CAD模型进行简化，去掉卡扣等对隔声性能影响很小的细部特征，得到如图2所示的板件有限元模型。

单元类型为壳单元，单元尺寸5mm，以CQUAD4四边形单元为主，局部辅以CTRIA3三角形单元，壳单元厚度为2mm。模型中壳单元数为473，节点数为502。为了体现支撑板下端卡扣对板件振动的约束，对有限元模型相应位置节点添加约束，如图3所示。

支撑板材料为PA66塑料，材料属性如表1所示。其中，结构损耗因子可通过查阅技术手册获得，也可通过稳态能量法[24]等试验方法来获得。

表1 PA66材料属性

采用VA One中的COSMIC NASTRAN求解器求解，得到支撑板前10阶振型，如表2所示，200～8 000Hz范围内1/3倍频程频带上模态数如图4所示。当5 000Hz以上时，板件才具有较高的模态密度。

2.2 发泡密封膨胀胶建模

最近对焦距离24cm，防水防尘设计，全新Batis 40mm f/2 CF镜头是蔡司旗下的E卡口定焦镜头中的第五款产品。这支镜头采用了独特的浮动镜组设计，能够保证所有光圈下的成像质量。Batis 40/2 还使用了蔡司独有的T＊镀膜，能够有效减少炫光和鬼影的出现。

为了满足涂装前处理、电泳工艺要求，注塑到支撑板周圈的EVA膨胀胶在发泡前需要与钣金壁保留4～6mm间隙[4]，这里取4mm，膨胀胶发泡后的厚度为25mm。发泡的膨胀胶是多孔泡沫材料，对入射在其表面上的声能有吸收作用[22]，所以需要对其吸隔声性能进行建模。在建模过程中忽略膨胀胶内外周边界约束和支撑板振动对吸隔声性能的影响。声波在多孔泡沫材料的传播用毕奥理论来描述。根据毕奥理论可以计算出泡沫材料的吸声系数和插入损失。多孔泡沫材料的特性由弹性参数、声学参数和毛孔参数3组参数来描述。发泡EVA膨胀胶的3组参数如表3～表5所示。EVA材料的密度和发泡率由供应商提供，孔隙率由发泡率推算，其余弹性参数借鉴了泡沫材料研究的成果[25-26]，多孔参数参考VA One官方教程参数设定，其数量级在常见范围。

表2 支撑板件前10阶阵型图

表3 发泡EVA膨胀胶弹性参数

表4 发泡EVA膨胀胶声学参数

表5 发泡EVA膨胀胶毛孔参数

VA One软件中，多孔泡沫材料只能作为附加的声学包装设置在板、壳类子系统上而不能单独作为子系统参与计算，所以必须为泡沫材料额外创建一个能够承载它并与其轮廓相同的属于SEA标准子系统的“基体”[27]。

这个附加的“基体”应当对多孔泡沫声学性能影响尽量小，因此将这个“基体”建立成1mm的平板子系统，赋予它EVA膨胀胶的材料属性，将它的传声属性用质量定律来描述，即它的隔声量仅取决于单位面积的质量(面密度)。由于该基体面密度很小，所以它的隔声量非常小，对膨胀胶本身的声学性能影响很小。忽略膨胀胶的圆角等对声学性能影响微弱的几何细节，在VA One中建立的“基体”平板子系统如图5所示。

当创建了平板子系统“基体”后，即可通过VA One软件的Noise Control Treatment模块在该“基体”上添加EVA膨胀胶材料。不考虑膨胀胶内外侧轮廓分别与支撑板件和钣金件壁面粘接对其吸隔声性能的影响。

2.3 定义阻隔结构各子系统间的连接

完成了支撑板件和膨胀胶的建模后，为了将两部分连接在一起，能够产生能量流动，需要定义各个子系统间的连接。由于统计能量分析理论中只定义了板与板之间的线连接、梁与板之间的线连接、板与声腔之间的面连接、声腔与声腔之间的面连接可以进行理论分析的简单连接[27]，所以将膨胀胶与支撑板之间的连接关系也简化为线连接。定义了连接关系的阻隔结构模型如图6所示。

2.4 空腔建模

创建了“声腔”子系统后，还需要定义空腔与阻隔结构在接触面上的连接关系，使声能量能够在空腔与阻隔结构之间传递。

3 混响-消声室中的阻隔结构模型验证

3.1 阻隔结构声学性能试验

为了获得阻隔结构实际的声学性能数据，在混响-消声室中进行阻隔结构的测试。混响室尺寸为7.6m×6.4m×4.5m，各项参数符合GB/T 20247—2006《声学混响室吸声测量》的要求，半消声室各项参数符合GB 50800—2012《消声室和半消声室技术规范》的要求。

采用复合板共振吸声结构。测试方法按照SAE对阻隔材料声学性能测试的标准J2846进行，其布置简图如图7所示，混响室和消声室侧观察到的连接通道分别如图8和图9所示。阻隔结构的声学性能可以用传递损失、插入损失、降噪量来评价，本文中采用降噪量作为声学性能的评价指标。按照图7的说明，降噪量MNR(measured noise reduction)在本试验中定义为

MNR=SPL测点1-SPL测点2

(8)

式中SPL测点1和SPL测点2分别为测点1和测点2的声压级。由于混响室达到稳定状态声压且分布均匀，所以测点1的位置在混响室中是任意的。

混响室中设置声源作为系统的激励，声源的布置和规格符合SAE混响-消声室测试材料隔声量试验标准J1400，声源能在200～8 000Hz的频率范围产生激励。试验中测点1和测点2的声压级如图10所示。

3.2 阻隔结构模型的验证

在VA One环境中再现混响-消声室试验，仿真计算阻隔结构的降噪量，并与试验数据进行对比。VA One软件中基于SEA建立的试验环境见图11。

混响室和消声室用“声腔”子系统来建模，其中定义混响室声腔表面和连接通道声腔表面的吸声系数为1%，消声室声腔表面吸声系数为100%，连接通道壁为1mm厚钢板。为了使混响室的声能能够经由阻隔结构流向消声室，需要定义混响室声腔-阻隔结构-连接通道声腔三者之间的连接关系。因此，在混响室声腔与阻隔结构交界面、阻隔结构与连接通道声腔交界面定义面连接，如图12所示。这里使用的是基于统计能量分析理论中的“板与声腔之间的面连接”。连接通道声腔与消声室声腔的连接关系也定义为面连接。

(9)

(10)

式中ρ0为空气密度。由上述关系式可以根据混响室声压级计算出输入功率，将该输入功率作为激励施加在仿真环境的混响室中。在混响室声腔施加激励后，可得到连接通道声腔中的声压级，将其作为测点2处的声压级。混响室声压级即是测点1的声压级，测点1声压级与测点2声压级的差值即为阻隔结构的降噪量，如图13所示。

由图可见，在整个频段上，仿真值与试验值变化趋势相同，两者数值非常接近，说明仿真模型有效。观察结果表明，4 000Hz以上的仿真值明显低于试验值，最大相差5dB，在安装试验装置时，吸声挡板与试件外侧管壁之间无法做到完全密封(见图7和图8)，使得高频时有少量声能泄漏至连接通道一侧，导致测点2的试验值偏高。

阻隔结构降噪量试验值在800Hz有一尖峰，而在仿真中降噪量1 000～1 250Hz时有明显下降。阻隔结构隔声量仿真与试验结果的变化趋势均与板件隔声的质量定律相同。考虑到支撑板共振(仿真分析中1 108.1Hz出现了共振模态)的影响，仿真分析中1 000～1 250Hz时降噪量有明显下降。同理试验结果中800Hz处的尖峰也与阻隔结构支撑板振动有关，只是800Hz板件处于反共振点。

4 结论

本文中采用有限元与统计能量分析相结合的混合建模方法，对车身侧围空腔阻隔结构进行建模，在混响-消声室环境中进行了声学性能预测，并且通过混响-消声室试验验证了模型的有效性。该建模方法对指导阻隔结构设计和整车匹配的进行、缩短研发周期和降低研发成本，都具有实用价值。

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Modeling and Verification of the Sound Barrier Performance of Cavity Filler Structure in Car Body Side Panel

Niu Shengfu1,2, Zhang Lijun1, Meng Dejian1, He Zhen1, Cao Cheng2, Xu Xueying2& Chen Yang3

1.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804; 2.ShanghaiVolkswagenAutomotiveCo.,Ltd.,Shanghai201805; 3.ShanghaiHuateAutomotivePartsCo.,Ltd.,Shanghai201822

With the hybrid FE-SEA modeling method, the sound barrier performance prediction model for the side wall cavity filler structure of car body is established, in which the plastic barrier plate of cavity filler structure is modeled by FEM, the sealing strip is modeled by SEA combined with Biot theory, while the sound cavities are modeled by SEA method. Meanwhile, the measurement of sound barrier performance of cavity filler is also conducted in reverberation-anechoic chamber. The comparison between the performances predicted with model and the measurement results by test indicate that they are basically consistent with each other in the frequency range of 200 to 8000Hz, demonstrating that the model built can effectively predict the sound barrier performance of cavity filler structure.

car body side panel; cavity filler structure; sound barrier performance; modeling; test

原稿收到日期为2015年5月19日，修改稿收到日期为2015年8月27日。