基于概念模型的声学包装吸隔声性能目标分解

2021-08-21崔聪聪安子军郝耀东

噪声与振动控制 2021年4期

崔聪聪，安子军，郝耀东

（1.燕山大学车辆与能源学院，河北秦皇岛066000；2.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津300399）

相对于低频噪声，400 Hz 以上的高频噪声对于车内声品质有着更为关键的影响。随着新能源汽车的快速发展，汽车高频噪声问题越来越突出，车身声学包装作为汽车高频噪声控制的主要手段越来越受到广泛的关注[1–3]。

汽车的声学包装利用吸隔声材料本身特性在传递路径中吸收和阻断噪声的传播[4]，调节车内噪声水平。吸隔声材料的选取要遵循轻量化、高性价比等原则，常用的吸声材料包括聚氨酯（Polyurethane,PU）发泡、聚对苯二甲酸类塑料（Polyethylene terephthalate，PET）毛毡等，隔声材料包括乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene vinyl acetate copolymer，EVA）、三元乙丙橡胶（Ethylene-propylene-diene monomer，EPDM）等。整车声学包装附加在车身结构壁板或内饰件上，包括前围、地毯、轮罩等关键部位。

随着汽车行业迅猛发展，声学包装研究逐渐深入，越来越多的国内外学者加入声学包装研究行列，从理论方法到实践应用取得了突破性进展。Huang等[5]利用统计能量模型优化声学包装，降低了车内噪声，为声学包装的研究指明方向。Freeman等[6]提出了声学包装的基本开发方法，并论证了声学包装对于车内噪声控制的重要性。陈书明[7]采用试验方法研究车内声学包装吸隔声性能，成功对发动机舱声学包装进行优化设计。车勇等[8]建立电动车SEA模型，成功预测车内噪声，利用模型分析实现整车主要板件的声学包装优化。贺岩松等[9]对整车的地板和前围进行声学包装优化，不仅使驾驶员头部声压级下降0.4 dB，而且使声学包装总重减少了33.2%，实现了声学包装的轻量化设计。

国内外对声学包装的研究大多是在已有方案基础上进行改进优化，声学包装目标分解方法研究还处于较低水平[10]，只处于简单的探索研究中。实际应用中只进行了简单的试验对标，利用上一代车型进行全面剖析，移植SEA 模型进行仿真分析[11]。此方法对标成本高，建模时间长，且未能找到声学包装最优方案。最重要的是无法在整车开发前期完成目标分解工作，即将车内噪声控制目标分解至各子系统声学包装性能中。

针对以上问题，本文提出了一种基于概念模型的声学包装吸隔声性能目标分解方法。利用统计能量分析方法，基于各个模块的共性特点建立整车通用概念SEA 模型；基于现有两款目标车型特点对通用概念模型进行ATF（声传递函数）调校，验证概念模型的通用型；建立声学包装吸隔声性能优化模型，利用多岛遗传算法将车内空气噪声控制优化分解至各子系统声学包装吸隔声性能中，得到子系统声学包装最优设计方案。

1 统计能量分析基本原理

统计能量分析方法应用的是能量流平衡原理，系统在激励作用下，通过能量的传递达到一种平衡状态[12]。SEA 模型研究的是保守系统，系统的能量流入等于系统流出和损耗能量之和，两耦合子系统能量流动原理如图1所示。

根据图1建立子系统1和2的功率流平衡方程，如式(1)、式(2)所示。

图1 子系统间能量流动示意图

式中：ω表示子系统固有频率，η12表示系统1传递到系统2 的耦合损耗因子，E1表示系统1 的能量，η1表示系统1内损耗因子，η21表示系统2传递到系统1的耦合损耗因子，E2表示系统2 的能量，η2表示系统2内损耗因子。

将式(1)、式(2)转换成矩阵形式：

将两子系统功率流矩阵推至多子系统，假设复杂系统中含有子系统数为n，功率流矩阵表达式：

子系统间损耗因子关系：

假设在统计能量模型中有一子系统k受到外界激励，则输入功率功率中只有Pk≠0，根据式(4)可以得到子系统n中储存的能量：

式中：Knk为储能比，表示子系统n与子系统k的能量之比。

在已知子系统n的能量后，即可求出子系统声压，将声压转化为声压级表达式[13]：

式中：ρ为空气密度，c为声传播速度，P0为参考声压，参考值为2×10-5Pa，V为声腔容积。

2 整车概念模型建立

在声源激励作用下，模型中的能量在子系统间流动，根据统计能量分析原理可知，建模过程中只有SEA 模型的声腔容积直接影响系统响应结果，而实际板件和声腔的形状细节对声腔容积影响非常小[14–15]，忽略掉小的影响因素可以将复杂板件进行平直化处理。又由于汽车的主要构成相似，因此可以将复杂的整车SEA模型简化为概念模型。

简化处理整车板件，追求汽车共性特征，去除个性特征，保证激励和响应的声腔大概位置与实际情况一致，得到概念模型。基于模态相似性原理划分整车概念模型子系统，将整车模型结构划分为26个模块，划分情况如表1所示。

表1 概念模型子系统划分

地板总成和防火墙总成是整车模型的关键组成部分，建模时要保证其独立性。为更接近所有车型的外形特征，去除个性细节，将地板所有板件建立成平直结构。地板属于对称结构，建模时只需建一侧，在对称线上建立节点，直接镜像到另一侧。由于地板总成面积较大，贯穿整个汽车舱，划分子系统时尽量考虑预留相应的节点，以便后续声腔子系统的划分。根据上述描述，所建立概念模型的地板总成如图2所示。

图2 地板总成

防火墙总成是不对称的总成结构，在建模时要注意与前轮罩总成及A柱总成的连接。在Y=0的线上建立节点，将防火墙结构左右两侧分开。简化处理平板件，预留线束孔、转向孔、进风口、排水孔等孔洞结构。根据实际防火墙厚度分布进行总成结构划分，建立的防火墙总成模型如图3所示。

图3 防火墙总成

除防火墙总成外，其他总成结构均左右对称，只需建立一侧即可。在地板总成和防火墙总成的基础上，依次搭建其他总成结构，注意公共边节点的选取。根据子系统划分情况建立声腔，定义子系统物理属性和参数，建立声腔和板件之间的连接与半无限流体连接，定义声学包装的吸隔声性能，建立的概念SEA模型如图4所示。

图4 整车概念SEA模型

3 整车概念模型调校

建立该概念模型的意义在于其通用性强，可应用于所有车型的声学包装开发工作。为了验证该模型的准确性，观察其是否可替代复杂SEA 模型进行仿真分析工作，特针对现有两款已开发完成车型，运用互易性原理分别进行ATF（声传递函数）调校。根据目标车型进行相关参数性能校准，包括整车尺寸、声学包装位置及性能、过孔性能等。

整车尺寸可通过调节概念模型外侧边缘节点来调整，比如通过图5中3排节点的平移可以轻松调节整车前悬、轴距和后悬长度，同理，也可以采用相同的方法对整车宽度和高度尺寸进行调节。

图5 整车尺寸调校

进行声学包装的吸隔声性能校准时只需将实际车型的吸声系数和插入损失曲线应用至概念模型中相应位置，由于板块面积与实际情况大小有差异，为更符合实际情况，可调节声学包装的覆盖率分布、厚度等参数来进行声学包装校准。

不同车型应用的过孔件差异明显，尤其前围板存在很多过孔，过孔的面积、材料和泄漏量等因素对整车噪声影响显著。整车在白车身阶段已完成过孔件的设计，由于功能的不同，需要的材料、厚度等均不同，所以需要通过试验测量过孔件的隔声性能，在概念模型中定义过孔相关参数。

经过上述校准操作，在概念模型和两款目标车型的驾驶员耳边声腔位置各添加1 Pa 声压激励，查看各子系统ATF调校结果。两款目标车型均为前置前驱SUV，车型A长为4 460 mm，宽为1 820 mm，高为1 720 mm，轴距为2 720 mm，最大扭矩为151 N∙m，车型B 长为4 325 mm，宽为1 830 mm，高为1 640 mm，轴距为2 570 mm，最大扭矩为210 N∙m，SEA 模型如图6 和图7 所示。概念模型与车型A 吻合度最差的调校部位为前挡风玻璃，如图8所示，与车型B吻合度最差的调校部位为后轮，如图9所示。

图6 目标车型A的SEA模型

图7 目标车型B的SEA模型

图8 车型A前挡风玻璃调校结果

图9 车型B后轮调校结果

调校后各声腔到车内的传递函数调校结果误差均在3 dB以内，所以可以运用概念模型进行待开发车型的声学包装吸隔声目标分解工作。

4 声学包装隔声性能目标分解

进行目标分解工作时，可在汽车开发初期阶段将整车级目标分解至各子系统，本文研究内容是将整车车内噪声控制目标有效优化分解为声学包装吸隔声性能目标，实现各子系统声学包装的优化设计。将仿真软件与优化软件相结合，在满足车内噪声控制目标要求情况下，更快速准确完成目标分解工作。

各子系统吸隔声曲线的添加直接决定车内噪声水平，子系统吸声曲线通过声学包装各频率下的吸声系数α来描述，隔声曲线用声传递损失STL 来描述。能量为Ei的噪声从空气入射到材料表面时，一部分声能Ea被材料吸收，一部分Et穿透材料继续传播，其余声能Er被反射回空气中。吸声系数定义为吸收能量与入射声能的比值，如式(8)所示。当量吸声面积A可以描述一定面积吸声材料的吸声本领，表示相对于吸声系数1 对应的等效吸声面积，如式(9)所示。声传递损失定义为声传递系数τ倒数的对数形式，如式(10)所示，其中声传递系数为透射声能与入射声能的比值，如式(11)所示。

整车工况较复杂，车内噪声目标分解工作要针对不同工况进行，在满足所有工况下的车内噪声控制目标前提下，完成声学包装的优化分解工作。整车的测量工况一般包括60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h、3WOT3000（三档，发动机转速为3 000 r/min）、3WOT4000（三档，发动机转速为4 000 r/min）和3WOT5000（三档，发动机转速为5 000 r/min），实际操作中可根据工程需要自行调整。将不同工况激励添加到概念模型中，通过设定不同工况下的车内噪声目标曲线，完成整车工况噪声目标分解工作。

选取整车子系统各频率下的吸声系数和传递损失值为设计变量，其中包含吸声声学包装的子系统数为m，包含隔声声学包装的子系统数为n。

基于声学包装的成本和总质量确定目标函数，尽量将子系统的声学包装合理分配，使用最少的声学包装，实现抑制车内噪声的目标，即要求使n个子系统声学包装传递损失与相同数量级的m个子系统声学包装吸声系数相加之和达到最小。

设置约束条件，即根据用户需求和实际工程需要，合理制定不同工况下的车内噪声目标约束，确保分解结果满足整车级目标要求，共包含k个工况；设置各子系统不同频率下的吸声系数和传递损失变化范围，减少优化迭代次数，节约运算时间，且避免使各子系统声学包装吸隔声曲线变化过大，导致在工程技术上无法实现该目标。

根据以上所述方法，建立声学包装目标分解优化模型：

式中：SPLi(f)为第i个隔声声学包装子系统由不同频率下的传递损失值组成的传递损失曲线；αi,max(f)为第i个吸声声学包装子系统由不同频率下的吸声系数组成的吸声系数曲线；SPLi(f)为第i个工况不同频率下的车内噪声声压级组成的车内噪声曲线；SPLi,obj(f)为第i个工况由不同频率下的车内噪声目标声压级组成的车内噪声目标曲线；STLi,min(f)为第i个隔声声学包装传递损失曲线的变化下限；STLi,max(f)为第i个隔声声学包装传递损失曲线的变化上限；αi,min(f)为第i个吸声声学包装吸声系数曲线的变化下限；αi,max(f)为第i个吸声声学包装吸声系数曲线的变化上限。

5 算例分析

将上述理论应用到某五门五座SUV 车型声学包装开发中，该车型发动机最大功率为138 kW，最大扭矩为275 N∙m。以80 km/h工况为例，进行声源声功率测试，并将试验数据应用到概念SEA 模型中。为验证目标分解方法的可靠性，设置传递损失初始值并应用到概念模型中。进行声源激励下车内噪声仿真分析，对比目标分解前后传递损失及车内噪声变化，验证基于概念模型的声学包装隔声性能目标分解方法能否准确有效将车内噪声目标分解至声学包装的隔声性能。

本文针对防火墙、前轮罩、后轮罩和行李厢盖板5处子系统传递损失曲线进行优化分解，为方便计算分别取每条曲线400 Hz、2 500 Hz 和8 000 Hz 频率处的传递损失值为设计变量，用a、b和c表示，其余传递损失均根据线性插值设定，STLall为所有变量相加之和。将分析结果作为车内噪声目标值约束条件，定义传递损失变化范围为初始值上下波动5 dB。选用MGA作为优化算法，在传统遗传算法的基础上增加了“岛”的数量，优秀个体在各岛间迁徙杂交，更容易跳出局部最优解，在解决全局优化求解问题中具有显著优势。为更好应用优化算法解决本文优化问题，优化参数具体设置如表2所示。

表2 多岛遗传算法参数设置

5.1 声源声功率测试

在整车开发设计前期，已具备白车身，可针对整车关键声源激励进行声源声功率测试。汽车集中空气声源包括发动机和4 个车轮，运用声压法在半消声室内进行集中声源声功率测试。将麦克风在声源假设半球面上均匀排布，采集各路径下的声压信号，计算所采集的数据，修正输出声源声功率数据，如图10所示。

图10 声源声功率激励曲线

将激励曲线输入到概念SEA 模型中，并根据实际激励位置添加到相应的子系统声腔中，用于后续的概念模型仿真分析及声学包装隔声性能分解工作中。

5.2 整车模型调校

在实际工程应用中，只需按照实际车型整车尺寸，通过移动相关节点对待开发车型进行调校。本文待开发车型尺寸参数为：长4 710 mm，宽1 890 mm，高1 720 mm，轴距2 800 mm。

实际的声学包装隔声性能分解中无需设置传递损失初始曲线，直接设置车内噪声目标和传递损失变化上下限即可完成目标分解工作。设置传递损失初始曲线，意在检验本文所提出的目标分解方法是否准确可靠。

在防火墙（Firewall）、地板（Floor）、前轮罩（Front tire）、后轮罩（Rear tire）和行李厢盖板（Trunk）位置分别定义一组传递损失曲线，如图11 所示，并将所有隔声曲线添加到概念模型子系统中。

图11 初始声学包装隔声曲线

计算受到80 km/h 工况声源激励作用时初始传递损失状态下的车内噪声，在概念SEA 模型中进行仿真分析，获得400 Hz～8 000 Hz的1/3倍频程车内噪声曲线，仿真结果如图12所示。

图12 车内噪声仿真曲线

记录仿真结果，并根据车内噪声曲线设定车内噪声控制目标，用作目标分解约束曲线，验证目标分解工作的准确可靠性。

5.3 目标分解结果

根据以上理论分析，设置车内噪声控制目标和传递损失变量变化范围，在满足实际工程需求条件下为提高计算效率，设置传递损失变化步长为2.5 dB，利用多岛遗传算法对其进行优化分析。将概念SEA模型的仿真分析功能和算法的优化功能进行有效结合，完成声学包装子系统隔声性能目标分解工作。在声学包装开发前期，有效将车内噪声目标分解为各子系统声学包装传递损失目标。对比如图13所示优化前后传递损失曲线，分析各子系统隔声性能对车内噪声的影响。

由图13可知，防火墙、前轮罩、后轮罩和行李厢盖板处传递损失曲线相比初始曲线均有下降，但行李厢盖板处下降最明显，说明存在声学包装隔声性能浪费现象，尤其行李厢盖板处传递损失变化对车内噪声的影响最小。地板处声学包装传递损失曲线有明显上升，说明此处声学包装隔声性能不足，并且传递损失变化对车内噪声的影响较大。

图13 传递损失优化结果对比

对比整体传递损失变化情况以及所有传递损失变量变化情况，需要计算各传递损失变量之和以及变化的差值，各传递损失变化具体情况如表3所示，表中所有数值单位均为dB。

表3 各子系统传递损失变化/dB

由表3 可知，传递损失变量均在初始值5 dB 以内波动，满足约束范围的条件。各传递损失变量之和由初始值357 dB 下降为327 dB，总共下降了30 dB。由于传递损失曲线上其他数值均由插值法求出，所以STLall可以代表整体声学包装传递损失变化。根据优化前后差值可以看出，整体的传递损失有明显下降，符合目标分解优化设计的目标函数要求。