汽车声学包装开发的轻量化策略

汽车的轻量化一直是产品研发永恒追求的目标；对于传统汽车而言，汽车轻量化技术由于可有效减少污染物和降低碳排放，研究表明，汽车质量每下降10%，油耗下降约8%，排放下降约4%，节能减排效果非常可观！对于新能源汽车，轻量化的效益更是不言而言，能够有效提高续航里程，缓解用户的里程焦虑。

由于车身在整车重量占比最大，所以主要的减重目标就是在它身上，目前重点的发展方向是高强度钢、铝合金、镁合金或塑料等新材料的技术应用。比如奥迪A8和特斯拉电动车就采用了全铝车身，其他主机厂都花大力气在轻量化研发上下功夫。

当然作为车身上一个重要的声学降噪套装——声学包装，也能为整车减重贡献一部分，虽然不多，也是能抠一点是一点的。据我们统计的结果，大部分汽车的声学包装重量一般在20-30kg，如果能降低10%，那也是3kg的贡献。不同的重量对应不同级别的性能，性能与重量之间的比值也是衡量声学包设计水平的一个指标。如何高效的利用每一克重量，发挥最大的的降噪效果也是一个重要的研究课题。



下面就以三个方面来介绍下如何进行汽车的声学包装轻量化设计。

·  声学包装设计轻量化的数学解释

·  轻量化设计的思路和策略

·  电动汽车的轻量化设计

声学包装设计轻量化的数学解释

根据隔声理论，零件的隔声量跟单位面积质量成正相关，满足质量定律（mass law）：单位面积质量增加一倍，其隔音量增加6dB。对于双层板，增加的斜率会更高，增加12-18dB。
STL=20log（m*f）-42.5 m-单位面积质量；f-频率

可以看到如果要增加零件的隔声性能，必须要要增加质量，不存在一个轻量化的方案，还能提升性能的，简直是天方夜谈！就在这里性能工程师就跟重量工程师结下了恩怨！

在前面如何进行汽车声学包的正向设计中，我们介绍了声学包装工程师应该具有系统思考的能力，在这里就派上用场了。真实的汽车声传递损失不单单是一个零件决定的，在文献1中，建立了一个混响-消声模型，利用统计能量法（SEA）推导了整体的声传递损失表达式。

从源头到接收者整个路径上的传递损失是由三部分组成的，声源附近的吸音、路径上的隔音和接受者附近的吸音组成。所以针对前面提到的问题，似乎找到一个完美的答案。提高吸音性能来弥补因减重导致的隔音降低，从而提高整个系统的声传递损失，简单的说就是“以吸代隔”。上述推导是严格遵行数学原理的，所以从数学上找到了轻量化的合理性解释。



轻量化设计的思路和策略

声学包装轻量化策略主要从以下三个层面上进行。
·  整车级层面：注重于目标最优分解和布置位置的最优分配；
·  总成级层面：注重于对于某一个区域的主要部件进行厚度分布、材料组合配置。
·  材料级层面：注重于超细纤维材料的工艺制造与研发

①整车层面优化设计

车内噪声成分主要组成有两类：空气声和结构声。声学包装主要解决的中高频噪声问题，在汽车上，通常以400-10KHz频段来进行评价，它是一个宽频带声源，不针对某一个的单频的声音。对于400Hz以下的声源，效果就很有限。即使使用再多的材料，也不会以很好的效果，所以对于主机厂整车性能开发而言，如何将车内的中高频噪声分离出来，性能目标设定的不冗余，那么这就是轻量化设计的第一步。



分离结构声和空气声常用的方法就是TPA（传递路径分析）。得到车内噪声的这个目标后，再根据声源的位置设定分区域的目标，比如针对动力总成噪声设定前围隔音指标（PNR），针对轮胎的辐射噪声，设定轮胎隔音指标（TNR），针对排气噪声设定指标（ENR）。针对前围隔音，在通过贡献量分析（CA），分解到前围区域、脚踏区域、前风挡区域和前侧位区域和机舱区域分别再设定插入损失（IL）或者吸音量（Ab）指标。这里面可以用到优化算法。以车内声学包装零件重量为目标，以噪声为约束条件，以零件的插入损失和吸音量为优化变量，就可以优化计算得到各个板块的最优目标。整车层面上更关注性能的分解和优化。

②总成零件优化

针对每一个区域的隔音目标，那么如何对结构进行设计才能达到目标要求。这一层级的就是总成级的优化。比如分解到内前围的插入损失指标是10dB，那么如何选择合适的材料和结构设计才能达到要求。

常用的内前围材料，一般都是以下三种材料组合：

1、重层质量耦合结构：可变密度质量层优化

2、吸音-隔音-吸音结构：嵌入纤维或者发泡材料的三明治结构， 吸音和隔音混合匹配
3、双阻抗耗纤维耗散结构：软硬层纤维搭配，偏重吸音型轻量化

以上三种组合成的总成重量一次是从重到轻，其隔音性能是逐步降低的，但是吸音性能是逐步提升的。所以针对不同的目标要求和声源特性，需要进行最佳的匹配。



在一些国外的知名汽车公司，在平台架构研发阶段根据内燃机的型号和车型定位，基本就制定好了不同平台下不同车型的材料组合。比如针对豪华车车型，就偏向于选择传统隔音型，以发挥最好的静音效果。对于中低端产品，可以逐步向耗散型吸音材料下探，做到性能和重量的平衡。当然在平台架构开发阶段，空间和位置都已经预留好了，就已经考虑到了声学包装性能的发挥潜力，所以到了车型开发阶段工作就少了很多。



3、材料级轻量化设计

吸音材料大部分是由纤维类和棉毡类材料组成的，纤维类材料主要聚氨纤维（polyester）、聚丙烯纤维(polypropylene)和玻璃棉（fiber）等化学合成材料，棉毡类主要有废纺毡（shoddy）、棉毡（cotton）。由于对车内用材的环保性能的要求，所以汽车上主要用到的就是纤维类材料。

纤维类根据直径大小可以分为粗纤维和超细纤维，由于粗纤维具有良好的流阻性能，所以具有更优的吸音性能和重量优势。这部分的轻量化研究主要就是供应商进行的，比如超材料的性能研究。



电动汽车的轻量化设计

电动车由于没有了内燃机，噪声源辐射能量变小了，是否可以更容易的推广轻量化方案？这样理解是片面的，我们从两个方面来进行解释

·  声源的变化：电动汽车由于没有内燃机的隐蔽效应，路面噪声和风噪声车内噪声将更加突出，在加速时的电机啸叫、机舱内的各种辅机和热泵的噪声也凸显出来，所以在底部隔音和声源位置包裹显得更加重要。但是有一点的是对于电动车内前围对中低频的隔音要求放松，主要对中高频噪声的阻隔，所以可以选择轻薄、偏重于吸音性能的材料组合。

·  车内声场的变化：很多电动车配备了主动降噪系统和车内的主动发声音效设计，还有比如向奥迪e-tron的8D环绕音效，这些功能配置最大潜力发挥就更需要使车内的静音性需要做的更好。

e-tron是奥迪的首款电动车型，它的声学包装的配置基本可以窥探到一些新能源车型的控制策略。动画配图可以参考奥迪e-tron的声学材料布置那一期视频中，它在声学包方面设计付出了不亚于传统车的配置，主要特点有：关注与声源处的降噪处理，包括对前后电机的包裹，对于前围和地毯仍然采用的是重层+发泡组合质量弹簧耦合传统配置。
综合以上，不见得新能源车型就比传统车在声学包装配置方面可以放松。



总结：

1、声学包装轻量化策略主要从以下三个层面上进行：整车级、总成级和材料级层面。整车层面注重于目标最优分解和布置位置的最优分配；总成级注重于对于某一个区域的主要部件进行厚度分布、材料组合配置。材料级注重于超细纤维材料的工艺制造与研发。

2、对于电动车车型，由于声源的变化和车内声场的更高要求，需要车内的基础静音性能做得更好，因此对声学包装的设计可能会更加精细和苛刻。

参考文献
1 Power-based Noise Reduction Concept and Measurement Technique SAE 2005-01-2401
2 Generalized Light-Weight Concepts Improving the Acoustic Performance of Less than 2500 gm2 Insulators SAE 2009-01-2136
3 An Acoustic Target Setting and Cascading Method SAE 2019-01-1581