基于统计能量方法的电动汽车高频噪声分析

【摘要】相对于传统动力汽车，高频噪声是电动汽车主要的NVH 问题，而统计能量方法是目前解决高频问题的主要手段。文章以某电动车为例，对其车内高频噪声问题进行了研究，首先建立了电动车的整车统计能量模型，进行了声学包装零件吸声、隔声性能测试，对车辆加速的工况下的声载荷进行了测试，将声载荷测试结果加载至整车模型中，实现了车内高频噪声的计算。计算结果与试验测试结果对比表明，文章提出的方法可以较好的进行电动汽车车内高频噪声分析。

【关键词】电动汽车；车内噪声；高频；统计能量方法
【作者】郝耀东，李洪亮，冷永刚，顾灿松，董俊红
【单位】天津大学，中国汽车技术研究中心有限公司
【来源】科技创新与应用、万方数据


0  引言

伴随着全球能源（特别是石油资源）危机、环境污染问题的日益严重，在汽车行业政策的推动下，新能源汽车快速发展。相对于传统的内燃机车，新能源汽车车内高频噪声问题更加突出。没有了发动机噪声及其掩蔽效应，一些噪声源如电动机/发电机、其他电子器件及辅助设备所产生的噪声便凸显出来，虽然车内噪声整体水平低于传统内燃机车，但是电动汽车车内会产生大量的令人烦扰的高频噪声，给驾乘人员带来不一样的主观感受[1]。因此，行业关注点向高频区域转移，针对车内高频噪声控制及优化技术日益引起各大汽车厂商、科研单位的重视。车内声学性能是汽车舒适性最重要的组成部分之一，根据频率的高低，可以分为低频问题（20~200Hz）、中频问题（200~500Hz）和高频问题（>500Hz）。其中，不同于解决中低频问题的有限元方法和边界元方法，国际上普遍采用统计能量方法（SEA）进行高频噪声问题的分析和计算。

统计能量分析（Statistical Energy Analysis，SEA）方法是目前解决高频噪声问题的一种有效方法[2-4]。2001年，王震坡等人介绍了建立汽车SEA模型的方法和国产，并对两款车型驾驶舱的噪声特性进行了预测和对比[5]。2009年，吉林大学的王登峰[6]等人建立了某国产车型的SEA 模型，分析预测了车内噪声的1/3倍频程频谱，并与试验结果进行了比较。贺岩松[7]等人研究了内损耗因子的变化对SEA子系统间能量传递的影响，使用三种不同的方案添加阻尼材料，预测了驾驶员头部声腔声压级的变化趋势。

本文首先建立了整车统计能量模型，包括结构子系统、声腔子系统、声学包装以及子系统之间的连接。其次，并根据试验结果对声学包装的吸声性能和隔声性能进行了定义。再次，对匀速工况和加速工况下车辆声载荷进行了测试。最后，将声载荷测试结果加载至整车模型上，进行了车内高频噪声分析，并将分析结果与试验结果进行了对比。

1  整车统计能量模型建立

将整车有限元模型导入VA One 软件中，划分子系统，选择能够描述子系统形状特征的节点，简化子系统模型，创建子系统SEA模型。建立好的整车结构子系统SEA模型如图1，共包括1172个平板子系统。


根据车身结构及车内空间分布，建立车内车外声腔子系统，检查并修正车内外声腔子系统。为了准确的分析声音的传递路径和能量传递，根据座椅的位置将样车车内声腔划分为前排、二排、后备箱三部分，坐标平面XZ 把声腔再次划分成左右两部。为了能更准确反映驾驶员头部能量变化和能量传导路径，将前排、二排、后备箱声腔划分为上中下三层，分别对应头部、胸部、腿部空间。建立车内声腔SEA模型如图2所示，共包含80个声腔子系统。


在外声腔周围增加5 个半无限流体，并与外声腔连接。结构子系统和声腔子系统建立后，通过VA One 软件的自动连接功能将各子系统连接。

将各个子系统进行连接，完成整车模型的创建，包括板件与板件之间，板件与声腔之间，声腔与声腔之间，保证能量在各子系统之间的传递。

根据整车板件结构属性和声学包的物理属性，将相应的物理属性赋予板件，并将声学包性能赋予对应结构子系统。子系统参数的定义包括车身结构钣金材料属性定义（材料弹性模量、泊松比、密度、结构厚度）、声腔特性定义、声包材吸声系数、插入损失及子系统的模态密度、内损耗因子等。其中，声学包材料的吸声系数和插入损失需要通过试验测试的方法获得。

整车SEA 模型的准确性是进行声学包优化设计的前提，为了使整车SEA 模型更加完善、车内噪声预测结果更为准确，测量了车内声学包装材料的吸隔声特性，并将其加入到所研究的整车SEA模型中。

2  声学包吸隔声性能定义

整车SEA 模型的准确性是进行声学包优化设计的前提，为了使整车SEA 模型更加完善、车内噪声预测结果更为准确，测量了车内声学包装材料的吸隔声特性，并将其加入到所研究的整车SEA模型中。

对防火墙、地板、行李箱地板等主要车身部件的声学包材料，在体积为9m3的混响室内进行了吸声测试，其中测试样件的尺寸为1m 1.2m，如图3所示。


采用声强法在由相连的混响室、消声室构成的测试环境中进行部件隔声性能试验。试验过程中，在混响室（声源室）窗口右侧墙角处放置无指向声源，在离窗口1 米的距离处放置4 个声压传感器测量混响室的平均声压级。其中，4个传声器间距为30cm，第一个传声器与左侧墙壁距离为195cm，传声器布置高度从左到右依次为150cm，160cm，170cm，180cm。在消声室内安装声强探头，测量试件测量面的平均法向声强级，需要强调的是消声室内各测点分布在一个假想的、将测试样件覆盖的半球形包络面上。对防火墙、地板、行李箱地板、前车门、后车门等主要车身部件钣金及粘附声包材料后进行了隔声量测试，如图4所示。



将试验测得的声学包零件的吸声系数曲线和插入损失曲线定义至整车SEA模型中。


3  声载荷测试

传对所研究样车进行整车声载荷测试，以获取不同工况下车身外侧声激励分布与车内噪声响应，从而为整车SEA模型车内声响应预测提供载荷输入，通过SEA模型预测声响应结果与试验结果对比，就可以验证整车SEA模型的准确性。

根据噪声载荷分布特点和车身结构SEA 子系统划分规则，将车身划分为不同的声腔。然后将麦克风布置于车身各区域表面，每个区域布置不少于3 个传声器，与车身之间的距离为5cm。声载荷测试时过程中麦克风布置如图5所示。



在整车半消声室转鼓上进行声载荷测试，采用两驱转鼓，转鼓面选择标准噪声路面。通过数据采集前端和传声器，分别记录怠速、加速、匀速工况下车辆各测点位置传声器的声压级。对处于同一声腔中的传声器测试数据进行能量平均，计算得到的数据即为对应声腔位置的声载荷数据。

4  车内高频噪声分析与对标

通过建立好的整车SEA 模型，计算将全负荷加速WOT 工况下的车内噪声，转速变换范围为1000~8000rpm。切片提取5000rpm 工况下测得的车身外表面的声压数据施加于整车SEA模型对应的外声腔空间子系统。声载荷通过面连接向车内传递引起车内声响应，进行车内噪声响应分析，并与试验结果进行对标，如图6 所示。由图6 可知，基于SEA 模型的驾驶员右耳旁1/3 倍频带声压级谱的预测结果与试验结果整体趋势一致，误差可控制在3dB 以内，具有较高的精度。



5  结论

本文采用统计能量方法对电动汽车车内高频噪声进行了分析。建立了整车SEA模型，通过吸声系数试验和插入损失试验测量了声学包的吸隔声特性；在整车SEA模型中加载测试得到的声载荷激励，实现了整车高频噪声的计算。仿真和试验结果对比表面，本文建立的整车SEA模型具有较高的准确性，可以较为精确实现车内高频噪声的计算。

参考文献:
[1]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动：理论与应用[M].北京理工大学出版社，2006.
[2]刘涛，顾彦，等.统计能量分析在汽车车内噪声分析中的应用[J].噪声与振动控制，2006，26（2）：66-69.
[3]Chadwyck Musser.Prediction of Vehicle Interior Sound Pressure Distribution with SEA[C].SAE Paper，2011.
[4]Liangyu Huang，Pamkumar Krishnan. Development of a luxury vehicle acoustic package using SEA full vehicle model [C]. SAE Paper，2003.
[5]王震坡，何洪文.统计能量方法用于汽车振动噪声的分析研究[J].汽车科技，2001（6）：10-12.
[6]王登峰，陈书明，曲伟，等.车内噪声统计能量分析预测与试验[J].吉林大学学报（工），2009（s1）：68-73.
[7]贺岩松，张辉，等.基于FE-SEA混合法的车身板件降噪分析[J].振动与冲击，2016，35（23）：234-240.