声子晶体理论下的汽车顶棚减振优化探索

周秋生

（宁波福尔达智能科技有限公司 315321)

1 汽车顶棚振动和噪声问题研究背景及现状

汽车顶棚产生的振动和噪声问题成为抵制汽车向更高层次发展的瓶颈，基于消费者对汽车乘坐的舒适性需求，要重点研究汽车顶棚振动和噪声问题。由于汽车在高速运行的状态下，会出现来自于汽车外部和内部的噪声，具体表现为：汽车内部噪声，如发动机和变速器高速运转时生成的机械振动现象，由底盘、车架及顶棚进入到车身部分支点中，从而引发汽车内部的振动噪声，同时，还有风扇、涡轮增压器等运行时的噪声，都会使车身与空间产生摩擦而形成空气动力紊流；汽车外部噪声，如汽车鸣笛声、风噪声及环境噪声，也会由各种缝隙、孔洞及顶棚天窗等而进入车体内部[1]。

现有的汽车内部振动及噪声控制方法，主要是针对支撑设备的板壳体结构的振动问题而采取措施，主要包括以下3点。

1.1 对振动噪声源进行消振控制和处理

对于发动机和传动系统的振动，是通过改变和优化振动结构的材料方式，达到抑制、消除振动及噪声的目的，通常选取高分子材料和阻尼合金材料加以控制。同时，还可以将高精密的零部件设置在机器关键部位，提升振动部位的装配精度，减少和消除共振现象。

1.2 传输路径中的振动隔离控制

可以将吸声棉安装于汽车顶棚中，还可以将减振器或地毯安装于车体内部，利用这些材料的独特弹性及阻尼作用，达到削弱振动及噪声的效果。这种方式主要广泛应用于车体内部饰品的安装，从而达到减振和降噪的目的。

1.3 优化结构及材料参数，实现隔振、吸振功能

这是将具有特殊性能的超材料粘贴于接收对象的外表面，转换其接收的振动及噪声，将其由动能转化为热能加以损耗，从而达到抑制振动和噪声的作用。同时，还可以采用增加车身的密封性能，采用车身加筋处理及涂贴阻尼层等措施，进而抑制振动和噪声。

上述这些传统技术可以较好抑制和吸收汽车内部高频噪声，然而对于车体内部大面积板壳结构设备自身的振动以及500 Hz以下的中低频噪声而言，这些技术却没有太好的效果。为此，要引入声子晶体理论和思想，采用更加有效的人工周期性复合结构材料，以解决大面积板壳结构设备振动及中低频噪声的问题。

2 声子晶体理论研究概述

声子晶体是一种新型的隔音材料，具有一定频率范围的弹性波带隙。在其组成部分中添加了压电材料、节电弹性体及形状记忆合金等智能材料，由不同的材料组成人工周期性拓扑结构，在带隙之内的弹性波无法在声子晶体中进行传播。当声子晶体结构显示出非周期性或非对称性的状态时，带隙频率范围内的弹性波会在缺陷部位生成局域态现象，可以较好地起到人工调控弹性波的动态状态效果，实现对声音的滤波转换。由此可见，声子晶体的带隙特征以其超强的可设计及人工调控性，控制和改变材料或结构参数，形成一定频率范围内的无振动环境，可较好的满足汽车顶棚减振和降噪需求，是新型高效的减振方法。

我国研究提出的基于局域共振机理的三维声子晶体模型，是一种空间周期性点阵结构，其带隙特性取决于局域共振单元的共振特性。由于其带隙对应的波长与晶格常数不在同一个数量级，带隙频率范围较窄，对应的弹性波衰减幅值也较小，可以实现良好的低频降噪效果。经过研究表明，20 mm厚的局域共振型结构复合材料就可以较好屏蔽和吸收低频弹性波噪声，实现“小尺寸控制大波长”的低频减振降噪效果。局域共振型声子晶体板结构的设计思路主要体现为以下3种：在具有周期性通透孔穴的薄板上开出一个特殊孔穴结构，并嵌入局域共振单元；在外表面完整封闭的板结构中设计局域共振单元；在破坏基体板结构的均匀性和完整性前提下，建构周期性排列垂直方向的“弹簧振子”结构。

3 声子晶体结构在汽车顶棚减振降噪中的优化应用探索

声子晶体结构是当前针对汽车顶棚减振降噪的前沿技术。由于板状声子晶体结构显示出优越的带隙特性，能够实现“小尺寸控制大波长”的低频减振降噪效果。所以，要建构汽车顶棚具有带隙特性的复合声子晶体结构，结合汽车顶棚板壳结构的实际工况，将薄板的弯曲振动简化为“欧拉伯努利梁”的纵向振动，使声子晶体在汽车顶棚结构减振降噪中能够得以实现[2]。

3.1 阻尼结构下的汽车顶棚振动抑制分析

为了抑制汽车顶棚的振动，可以采用铺设阻尼层的方式，对汽车顶棚进行特殊的阻尼处理，衰减来自于各层面的振动能量，实现减振降噪的效果。一般来说有2种阻尼处理方式：自由阻尼处理，是依赖于阻尼层的粘滞特性，衰减和损耗薄板结构的弯曲振动能量，使之由动能转换为热能损耗，从而达到减振降噪的效果；附加约束阻尼处理，是在黏弹性阻尼层中添加一层约束阻尼层，形成一种夹芯层阻尼层结构，它会在顶棚薄板的弯曲振动下生成剪切应变力，从而将汽车顶棚的动能转化为热能损耗，实现减振降噪的目的。

在实际应用之中通常采用自由阻尼处理方式，其相关的参数为：弹性模量为60 MPa；泊松比为0.49；密度为1 140 kg/m3；损耗因子为0.68。一般来说，选取2 mm厚的阻尼层，可以较好实现中低频噪声的处理，如果阻尼层厚度过大，则会降低中低频减振降噪的效果。

3.2 声子晶体结构在汽车顶棚上的应用分析

可以在汽车顶棚结构中应用板状声子晶体结构，在汽车顶棚薄板结构中添加强肋板和阻尼层结构，优化相应的结构参数和材料参数，建构汽车顶棚的“弹簧振子”结构区域，并将4 mm厚的阻尼条安装于板状声子晶体结构之间，确保汽车顶棚结构施工的准确定位和工业化生产。

可以建构相同尺寸的汽车顶棚声子晶体结构薄板模型，在导入有限元软件（Comsol）的前提下，仿真模拟声子晶体结构模型。通过对比可知，引入板状声子晶体结构的汽车顶棚可以形成一定频段的带隙，较好实现对弹性波振动的抑制。

由于汽车车身的顶棚板壳结构会受到各种噪声源影响，传统的优化振动部件、消声器等措施难以达到减振降噪的效果。为此，要基于声子晶体理论和思想，利用板状声子晶体结构的优良带隙特性，采用阻尼粘贴等措施，对因弹性波而引发的车身顶棚板壳振动现象实现抑制，衰减多方面激励而引发的振动能量，尤其是降低中低频噪声的处理应用，体现出良好的减振降噪优化效果。