乘用车声学包设计开发与优化技术研究

邓江华，宋俊，李灿，张斌瑜



乘用车声学包设计开发与优化技术研究

邓江华1，宋俊2，李灿1，张斌瑜2

(1. 中国汽车技术研究中心汽车工程研究院，天津300300；2. 广汽集团广汽研究院，广东广州 510640)

声学包对车内噪声水平及声学环境有着重要的作用，在很多情况下，国产汽车声学包开发都是基于标杆车型的直接逆向，或凭借以往经验的简单开发。但更有价值的方法是在设计早期阶段就具备开发声学包部件的能力，即根据整车级目标定义对声学包部件进行开发和优化。以对某乘用车的声学包开发和优化过程为例，详细说明了乘用车声学包开发优化过程中的主要步骤与关键技术，旨在为声学包开发设计提供指导和参考依据。基于此，在乘用车早期设计阶段即可评估不同声学包方案的优劣，及其对车内噪声水平及声品质的影响，以指导内饰件的设计优化；同时，在满足声学包目标要求的基础上，对声学包方案进行优化，以满足成本和质量的优化控制。

声学包；开发；优化；统计能量方法

0 引言

一般乘用车声学包是指具有降低内部声压尤其是空气声声压的声学部件的组合。对一般乘用车而言，声学封包主要包括发动机室内吸声件、乘员室内吸声或隔声件、后行李箱吸声和隔声件、各种声学密封件等。

车辆的声学包是对车内声学特征产生影响的重要组成部分。利用声学包，不仅能降低车内噪声水平，而且可以调节车内的声品质，以满足客户的心理期待。对于实现整车级声学目标而言，声学包装的定义、设计和开发是至关重要的。在很多情况下，声学包装的开发都是在实际样车和声学包部件的基础上通过试验进行的，但真正更有价值的方法是如何在设计的早期阶段就具备开发声学包部件的能力，即通过使用分析工具根据整车级目标定义对声学包部件的要求和需要达到的指标。统计能量分析作为处理中高频声学分析的方法已成功应用于乘用车声学包的开发设计和优化过程中。

1985年，DeJong首次采用统计能量分析(Statistical Energy Analysis, SEA)方法对车内噪声的预测进行了尝试[1]。此后，国外有很多学者对SEA方法在汽车工业中的应用进行了深入系统的研究[2-4]。同时，国外的一些汽车企业也在该领域取得了很多研究成果。福特[5]、丰田[6]等多家汽车公司均将SEA方法应用于整车及部件声学包的开发与优化过程中。

我国对于统计能量分析方法在车辆工程方面的应用还处于起步阶段，更缺少系统和深入的研究。同济大学[7]、华中科技大学[8]、江苏大学[9]等采用统计能量方法对车内噪声进行了探索性的预测分析及相关研究。

纵观国内外在乘用车声学包方面的研究开展时间尚短，大多集中于车内声场的预测方面，对声学包设计优化方面的研究工作研究较少。国外在声学包方面的研究较为成熟，并对声学包模型的精度修正有较深入研究，对内饰参数的研究也有开展。而国内虽有一些声学包方面的研究，但仍处于较低的水平，模型的精度不能保证，对声学包内饰还不能提供有效的设计、优化方案，尚不能达到指导工程应用的水平。而随着人们对乘用车驾乘舒适性的要求越来越高，车内声学品质也越来越为各大主机厂和内饰供应商所重视，但目前限于国内该方面水平的缺陷，声学包方面设计还主要依赖于国外设计公司或直接照搬照抄其他车型的声学包方案，后期也不能对声学包进行有效的改进优化。因此，对声学包设计、优化方面的研究也势在必行。

1 声学包开发流程

当前，待开发车型的声学包开发多基于标杆车进行，主要包括以下步骤：

(1) 标杆车解析

包括标杆车不同工况下车内声响应的测试、各工况下车外声载荷分布测量、声学包分布特征解析、各种声学部件的材料和物理属性的测定、车身不同位置金属材料属性和厚度确认、基于标杆车的整车开发目标定义。

(2) 标杆车SEA模型建立及调校

包括建立统计能量分析(SEA)所需的数据库、根据载荷分布划分子结构和子空间建立SEA模型、复杂结构件模拟、部件及整车泄漏模拟、阻尼处理模拟等，以及SEA模型有效性的验证。

(3) SEA模型移植

该部分工作主要为将标杆车SEA模型移植至待开发模型，此时由于在模型开发中，对待开发车型，只有金属车身是精确的，其它结构、声学参数和载荷都是大致的。当有样车后，模型需校正。为此，要对产品车进行重复标杆车的测量，并基于此进行声学包目标定义及开发。

(4) 声学包的优化

基于移值完成的待开发车声学包模型，进行优化目标的确定(降低成本，减轻质量，提高性能等)，确立具体到各个部件声学性能目标值的优化方案。

详细的声学包开发流程可表示为图1所示。

2 某车型声学包开发

本文以某车型声学包正向开发为例，详细介绍了整车声学包开发的流程及优化方法，文中所使用数据及图片均为该车型声学包开发设计中所使用。

2.1 标杆车解析

在基于标杆车的声学包模拟开发过程中，需详细解析标杆车声学包结构特性、车身结构特性、车内声学特性等。主要采用试验方法获取SEA模型所需的输入参数及边界条件，包括不同工况车内声响应测试、主要声源声功率测试、车身声载荷分布测试、内饰材料吸隔声性能测试等，如图2所示。

在标杆车解析的基础上，初步定义待开发车型车内噪声目标值及内饰件声学性能目标水平，同时考虑整车其他子系统的声学性能目标，如进排气系统等。

2.2 标杆车声学包SEA模型搭建及调校

声学包SEA模型的建立包括SEA子系统的建立、子系统物理参数定义、载荷施加。

2.2.1 SEA子系统建立

依据载荷分布一致原则、模型简化原则及关注位置细划原则进行SEA子系统划分，同时，考虑整车泄漏的施加，完成标杆车型SEA模型如图3所示。

2.2.2 SEA子系统参数定义

子系统参数定义包括车身结构钣金件材料属性定义(材料弹性模量、泊松比、密度、结构厚度)、声腔特性定义(可直接采用测试损耗因子或来自于吸声材料、内饰件声学特性(吸声系数、插入损失等))以及复杂部件的模态密度、内损耗因子等。

声功率测试 声载荷测试

内饰件解析

2.2.3 SEA模型载荷施加

将不同工况下测取的声载荷施加于对应的外场空间子系统，如图4所示。声载通过面连接向车内传递引起车内声响应。

2.2.4 SEA模型调校

完成SEA模型搭建后，需对模型的有效性进行验证，即调校SEA模型。对SEA模型的调校可遵循以下原则：

(1) 静声载下声学包处理(Noise Control Treatment, NCT)和内部空间声吸收(与测得的混响时间)结果对比，调整NCT设置。

(2) 静声载下预测值和实验值对比，调整泄露与结构辐射特性等。

(3) 将静载调校模型运用于动载预测，调校损耗因子及对前期调整参数进行综合平衡。

对SEA模型调校使之满足对车内声场预测及优化的作用，同时要求该SEA模型对声学包特性的改变敏感且预测误差控制在一定范围内。在模型调校完成后，获得车内预测声压与实测声压间的误差Δ值，如图5所示。

2.3 SEA模型移植

基于标杆车SEA模型，通过声学包定义与结构形式调整，以完成待开发车型SEA模型的移植，在此基础上进行待开发车型车内声响应预测及声学包开发优化。SEA模型从标杆车向待开发车的移值需经过以下阶段：

(1) 基于声功率测试的声载荷等效放大(见图6)，并基于标杆车SEA模型进行待开发车型车内声场预测；

(2) 基于待开发车型车内声场预测结果，进行待开发车型内饰件声学性能的目标修正及方案验证，如图7所示；

(3) 移植关键子结构的SEA模型(如防火墙等)，并基于子结构隔声量测试结果进行调校，如图8所示；

(4) 整车SEA模型移植，调整junction及内饰分布、吸隔声参数等；

(5) 基于静态声载荷的SEA模型调校及Δ值修正(见图9)；

(6) 施加动态声载荷，并加入修正后的Δ值，进行车内声场预测，如图10所示。

2.4 声学包优化

完成了待开发车型SEA模型的调校与预测后，即可基于此模型进行声学包优化设计或改进。声学包的优化主要包括：

(1) 整车声学包优化。对车内所有声学部件性能、分布、结构等进行优化，以满足整车声学性能的要求，或减重和成本控制的要求。

(2) 部件声学包优化。对不同内饰件材料、结构、位置、覆盖水平等进行优化，以满足不同内饰件的性能目标。

(3) 管道声学包优化。包括车身侧围的旁路空腔与车身侧通道封堵设计优化(材料、位置、结构形状等)。

基于各子系统能量输入输出的功率流(图11)，可进行声学包减重、降本及性能优化，优化内容主要包括声学材料结构优化(单层、双层、多层结构)；声学材料类型优化(材料属性、孔隙率、流阻等)；内饰件位置优化(布置位置、覆盖率等)；通道封堵(A/B/C柱等通道隔断位置优化)等。

基于以上思想，对待开发车型声学包声学性能进行优化，同时对地毯进行减重优化。优化后，60 km/h工况下车内噪声水平如图12所示。

由图12可见，优化声学包性能后，60 km/h工况车内噪声已较原水平下降了2 dB以上，除2500~4000 Hz略高于标杆车约1 dB外，已基本达到标杆车水平。而在此基础上进行的地毯减重优化，对车内声场贡献很小，仍能满足目标要求。

3 结论

通过进行基于SEA方法的某车型声学包开发，可得出如下结论：

(1) 基于SEA方法的声学包开发，可以在整车开发初期就完成声学包设计及优化，避免了开发后期对声学包特性的盲目整改；

(2) 声学包的预测分析及优化必须与试验相结合，声载荷与声学包特性参数的试验获取对SEA模型预测分析的准确性至关重要；

(3) 声学包的开发需贯穿整车开发的全过程，声学包性能目标的设定和实现需要经过多次的循环改进和完善；

(4) 一个完善的声学包SEA模型不仅可用于本次开发车型声学包开发和优化的依据，而且可以移植于同平台、同类车型的声学包开发和优化中。

(5) 本文所涉及的整车声学包开发流程也可作为整车声学包开发设计的参考。

[1] DeJong R G. A study of vehicle interior noise using statistical energy analysis[C]// SAE Technical Paper, 850960.

[2] Robert J Unglenieks, Marvin R Mealman. Simplified porous panel subsystem for SEA modeling[C]// SAE Paper, 2003-01-1538.

[3] Chadwyck Musser. Prediction o Vehicle Interior Sound Pressure Distribution with SEA[C]// SAE Paper, 2011-01-1705.

[4] Liangyu(Mike)Huang, Pamkumar Krishnan. Development of a luxury vehicle acoustic package using SEA full vehicle model[C]// SAE Paper, 2003-01-1554.

[5] Ching-Hung Chuang, Kun-Tien Shu. A CAE optimization process for vehicle high frequency NVH applications[C]// SAE Paper, 2005-01-2422.

[6] Norimasa Kobayashi, Hisanori Tachibana. A SEA-Based Optimizing Approach for Sound Package Design[C]// SAE Paper, 2003-01-1556.

[7] 靳晓雄, 叶武平, 丁玉兰. 基于统计能量分析法的轿车内室噪声优化与控制[J]. 同济大学学报, 2002, 30(7): 862-867.

JIN Xiaoxiong, YE Wuping, DING Yulan. Car interior noise simulation using statistical energy analysis method[J]. Journal of Tongji University, 2002, 30(7): 862-867.

[8] 李晓政, 黄其柏, 陆森林. 车辆室内噪声的统计能量分析优化仿真[J]. 噪声与振动控制, 2005, 25(3): 29-32.

LI Xiaozheng, HUANG Qibai, LU Senlin. Optimization design about cab inner noise based on statistical energy analysis[J]. Noise and Vibration Control, 2005, 25(3): 29-32.

[9] 夏恒, 宫镇, 王勇. 关于高速车辆内部气流噪声计算方法的研究[J]. 汽车工程, 2003, 25(1): 78-81.

XIA Heng, GONG Zhen, WANG Yong. A research on calculating method of interior aerodynamic noise for hign-speed automobile[J]. Automotive Engineering, 2003, 25(1): 78-81.

Development and optimization of sound package for passenger vehicle

DENG Jiang-hua1, SONG Jun2, LI Can1, ZHANG Bing-yu2

(1. China Automotive Technology & Research Center,Automotive Engineering Research Institute, Tianjin 300162, China;2. Guangzhou Automobile Group Co., Ltd,Automotive Engineering Institute, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Sound package plays an important role in interior noise level and sound quality of passenger vehicle. For this reason, the definition, design, and development of a sound package are significant to meet acoustic target of vehicle-level. In many situations, this development is conducted experimentally, or reversely developed based on benchmark. Of more value is the ability to develop and optimize sound package components in the early design phase,. to leverage analytical tools for defining component-level requirements and targets to meet the vehicle-level targets, and ultimately to fulfill the final customer’s expectations. This paper presents a development and optimization process of sound package design combining the CAE SEA-based prediction and experiment. Based on the above process, the performance of sound package and the mid-high frequency noise level of vehicle can be evaluated in the early design phase. Additionally, on the basis of meeting vehicle NVH target, the weight and configuration of sound package can be optimized.

sound package; development; optimization; statistical energy analysis method

TB533+.2

A

1000-3630(2015)-04-0353-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.04.012

2014-04-17;

2014-07-03

邓江华(1976－), 男, 山西沁源人, 博士, 高级工程师, 研究方向为整车NVH控制开发技术、整车声学包开发与优化设计、动力传动系统扭振。

邓江华, E-mail: djh617@163.com