工程应用 | Hyundai轻卡驾驶室声学包仿真与验证

概述

在现代卡车项目中，用户设立了两个目标，一是在保持成本不变的前提下，优化声学包，降低车内声压级，二是在保持车内声学水平不变的前提下，降低声学包成本。Sound Answers公司（于2015年被Brüel & Kjær公司收购）在项目中负责试验部分，分析车内空气声贡献（Airborne Contribution）和声源能量，对ESI公司的SEA模型进行验证。经过验证后，由ESI公司进行声学包优化设计，实现现代卡车的技术目标。

SEA仿真分析

统计能量分析方法（SEA，Statistical Energy Analysis）是基于系统中的能量守恒定律，适合分析中高频（频带内模态数>3）振动声学的最重要分析方法。通过创建统计能量分析SEA整车空气声模型，可以在满足精度的条件下，快速方便地分析及优化卡车的整车声学包，指导声学包性能开发和设计。卡车的整车SEA模型被分为：（a）SEA结构子系统，（b）SEA声腔子系统，（c）子系统间的连接。SEA结构子系统代表子系统具备存储动能的能力，包括了顶棚、地板、前围等物理部件。车内内部空间和与车身面板接触的周围外部空气体被创建为SEA声腔子系统，声腔子系统用于存储声能量。子系统间的连接表示能量从一个子系统到另一个子系统的传递。SEA子系统通过连接交换能量，主要有三类连接：结构子系统间的线连接和点连接，声腔子系统间或结构子系统和声腔子系统间的面连接。SEA为每个子系统建立功率流平衡方程，考虑外部激励的输入功率、子系统间的传递功率以及每个子系统中自身耗散的功率。耗散的功率关键取决于子系统的阻尼损耗因子，由用户定义或根据材料计算。

图1 现代卡车测试车辆

整车SEA模型创建

此项目使用了法国ESI集团的VA One商用软件，主要对车内车外空气声传递路径进行了建模分析。整车SEA建模流程如图2所示。VA One中的建模过程从导入CAD模型或有限元（FE）模型开始。导入的有限元模型包含主要的整车结构部件及内外饰结构部件，主要用于创建结构SEA板。通常，使用结构SEA板只创建一半的模型，即驾驶员侧或副驾侧。将SEA结构子系统划分为多个SEA板是根据每个板的相同材料属性要求和系统的不连续性来确定的。作为一般准则，为了确保SEA假设的有效性，子系统尽量满足每个频带内至少3个模态数的要求。

一半的整车SEA结构子系统创建后，会在对称平面，车内空间和车外侧创建附加的辅助SEA板，它们将用于将大声腔划分为多个小声腔。大部分SEA板都是平板，另外单曲率板或双曲率板用于考虑具有曲率面板的零部件，例如挡风玻璃或轮罩等。一旦创建了全部的结构SEA板，就会使用内置插件脚本程序来生成全部的声腔。最后全部声腔生成后，这些辅助SEA板需要被删除。通常情况下，车内空间被分为多个车内声腔，例如每个座位分为头部声腔和腰部声腔。驾驶室外部会增加一层或多层声腔，用以仿真声音在车辆周围的传播。外部声腔的自由面与SEA半无限流体（SIF，Semi-Infinite Fluids）相连。SIF是代表声能量的汇聚，可表示为噪声在自由场中的传播。

整车SEA板及声腔生成后可以自动生成连接Junction并进行连接的检查，这些连接代表子系统间能量的传递。SEA子系统创建后，将需要定义其结构类型（均一结构、复材结构、三明治结构或一般夹层结构）和对应的材料属性。

接下来，在SEA板或声腔面上定义声学包材料，定义过孔件的传递损失，泄漏的类型及尺寸。声学包材料在VA One中可以定义为噪声控制处理（NCT，Noise Control Treatment）。噪声控制处理提供了消除或减少噪声和振动的功能。对于结构子系统SEA板，NCT对SEA板提供了阻尼减振的作用，而对于声腔，NCT主要用于吸收降低噪声能量。这些NCT有多层，每层可以由多孔弹性材料组成，如发泡海绵和玻璃棉。具有挑战性的任务是测量/估算这些多孔材料的BIOT性能参数。为了估计BIOT性能参数，将车辆的整个声学包NCT拆解，然后进行裁剪，制作用于阻抗管测试的样本，接下来在阻抗管中测量样本的法向入射吸声系数，最后在FOAM-X软件中使用这些吸声系数间接反推多孔材料的BIOT性能参数。此项目中中型卡车的声学包NCT分为五大子系统：（1）中地板（2）侧地板（3）顶棚（4）侧围和后围饰件（5）发动机隔音垫。

图2 整车SEA模型建模流程

最后，定义整车的空气声载荷，包括人工激励测试载荷和实际工况载荷，见表1。测试得到的声载荷被定义为声功率谱。在SEA模型中，声载荷作为声功率谱被加载在卡车驾驶室的外部声腔上。声功率谱是基于源路径贡献（SPC）模型生成的。源路径贡献（SPC）是一种试验技术，允许将目标位置处的噪声或声压级分解为每个噪声和/或振动源的单独贡献。这是一种估算声源强度的间接方法。在底盘测功机上进行了多种条件下的测量，包括怠速和匀速80千米/小时。

表1 整车工况载荷测试

试验验证

基于仿真推荐的建议方案已得到试验验证。卡车上使用的原始材料无法用于验证测试。在缺乏原始材料的情况下，为了实现改变发泡海绵层和纤维层的厚度的优化方案，使用“现成”材料。对于这些特殊材料，再次使用了BIOT性能参数，并将其应用于VA One模型中。利用这些更新的材料参数，可以预测车内声压级SPL，并将其与测试结果进行了对比。对于目标2，NCT的覆盖范围与基础车相同。VA One仿真结果表明，在降低声学包成本的同时，保持了头部空间声压级不变。通过测试验证，当厚度更新为目标2的建议厚度时，头部空间总声压级没有变化。因此，可以验证基于 VA One的优化建议可以实现目标2。

关于ESI

ESI集团隶属于Keysight Technologies（是德科技），以预测物理建模和虚拟原型专业技术为基础，提供可靠的定制解决方案。ESI软件主要应用于汽车、陆地运输、航空航天、国防和重工业领域，使工程师能够模拟机械设计、智能制造流程和以人为本的工作流程，从而在产品生命周期的早期做出更好的决策。