简单分析车辆声学包开发中的仿真分析与试验验证方法

摘要

消费者体验乘用车品质时，车内声学特征对客消费者的感受具有重要的影响，而车辆的声学包装是对车内声学特征发生影响的重要组成部分。利用声学包装，不仅能降低车内噪声水平，而且可以调节车内的声品质，以满足消费者的心理期待。所以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装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装部件的能力，即通过使用分析工具根据整车级目标定义对声学包装部件的要求和需要达到的指标。

本文介绍了在声学包装的设计方面，针对结合试验和分析两方面优势所做的努力。得到的收益包括在早期设计阶段，即可针对不同的声学包装配置，实现对车内声压级的预测，并可以针对整车级目标和部件级目标，开展试听的验证。此外可以在频域中定量表达不同声学包装设计的性能，并可反映声品质的各种参数，从而最大限度减少了对物理样车试验的需求。本研究中使用了一台现行市场上的车辆，并在该车辆上进行了试验方法的开发和实际的测试，目的是优化对分析工具的联合使用。通过对声学包装特性的掌握，针对不同的声学包装设计方案预测了车内声压级，同时还进行了试听试验，计算了每个设计方案的声学参数，以确认声学性能是否满足了车辆的声学目标。对最终设计方案进行了整车测量的对比验证。

简介

随着消费者要求的不断提高和车辆开发周期的不断压缩，开发团队必须付出更多的努力在更短的时间中开发出更高质量的车辆。为了达到这样的目标，不得不对标准的开发过程进行改进，以提高车辆的质量和缩短开发时间。对缩短开发周期和提高车辆性能和质量而言，使用分析工具是最为有效的方法。分析模型中的一个典型的问题是针对整车声学预测，如何提高预测的精度。为了解决这个问题，必须着力开发一个工程流程和试验方法，使得在配合使用试验和分析方法时，在试验和分析两个方面都能得到最大的收益。

应用

从车辆子系统的角度考察，在改进试验方法与分析方法的配合使用之后，收益最大的子系统就是整车的声学包装。声学包装是由一些特殊设计吸声或隔声材料构成，安置在车辆的一些关键部位，目的是减少传递到车辆成员舱的噪声，同时调节用户最终提到的声音品质。由于用户听到的噪声特性在很大程度上会影响用户对汽车质量高低的评价，所以汽车声学特性的开发不仅仅是降低噪声水平，同时也包括调节声音的品质，以满足用户期待的声音特性。

声学包装的开发通常贯穿了汽车开发的全部过程。在汽车开发的最初阶段，一般需要根据过去的经验或上一个车型的情况，定义在哪些位置使用哪些声学包装材料。而声学包装部件的最终设计参数，则需要通过试验，验证整车级声学目标是否实现才能确定。开发声学包装更为有效的方法是在车辆开发的早期阶段应用分析工具来确定声学包装部件的最终设计参数，而不依赖后期才能进行的试验。理想的情况是后期的试验仅仅用于检验是否达到了整车声学目标，而不是用来定义部件级的目标。为了达到这样的目标，必须采用合适的方法来组织现有的试验，使试验结果能够帮助改进分析的精度和可靠性。这将减少声学包装开发过程对试验和物理样车的依赖性。

目前的方法

统计能量分析（SEA）方法是建立在能量分析基础上、用于分析声学振动问题的方法，它适合于声学包装设计的应用。在一个SEA 模型中，将被分析的结构划分成相互耦合的“子系统”，并对子系统中储存的能量和子系统之间交换的能量进行分析。模型中定义耦合子系统之间的功率平衡，并据此分析从一个子系统向另一个子系统的功率流动。

对于精确的预测来说，子系统的划分是至关重要的。每个子系统相对其它子系统或单元来说，必须具备独立的振动和特性。例如预测动力装置噪声的一个简单SEA 模型可以用三个大的子系统构成：即发动机舱的空间、防火墙结构和乘员舱空间。每个子系统的表现都是独立的，从而可以分析从一个子系统到另一个子系统的功率流。

在这个简单的模型中，发动机子系统提供了声学激励，同时也包括一些声能的吸收。而流入防火墙子系统的功率流必须与流出防火墙子系统的功率流平衡。一部分能量会被吸声和阻尼作用所耗散，其余的能量要么反射回发动机子系统，要么就被传递到乘员舱子系统。而传递到乘员舱子系统的能量有一部分在车内被吸收，其余部分就会以声音的方式被乘员感受到。



同样的方法被用于构建更加复杂的子系统，但功率流平衡的基本假设则是相同的。

声学泄露的存在会对SEA 模型发生重大的影响。因此对存在泄露的零件需要通过试验了解其定量数值，然后施加到模型上确定特定的零件设计。由于这个原因，在样车评价时必须采取一定的步骤定量了解声学泄露，特别是对于那些具有较大声学泄露的零件或区域，比如防火墙上的通孔。

声学材料特性的评价：每一种声学包装材料特性的试验通常都是供应商根据一定的试验标准在部件级或材料级进行的。典型部件级特性试验包括吸声和声传递损失的测量，它们的大小取决于试验材料的构成。吸声反映的是材料控制或减小由其表面反射声音大小的能力。吸声能力的大小通过吸声系数（α）来测量。吸声系数的定义是材料吸收的声能与入射到材料的声能之比值，参见公式。测量吸声系数可以采用阻尼管进行，相应的试验标准是ASTM E1050，也可以采用混响室测量，相应的标准是 ASME C423。



隔声是指材料阻碍声音从一个区域向另一个区域传递的能力。隔声的大小用声传递损失（STL）测量，它是通过材料传递的声能与入射声能的比值，参考公式：



确定声学包装材料的特性为SEA 模型提供了有用的信息，但是必须知道这些特性仅仅是材料的特性，而并不是已经加工好的具备特定尺寸和形状的零件的特性。零件上任何切口或孔都会对吸声系数或传递损失产生重大的影响。由于这个原因，常常需要采用在安装位置的测量数据验证部件级材料。

试验方法：安装位置传递损失的测量方法通常包括在动力总成、车轮罩等位置使用麦克风阵列对被测零件两侧的特征进行测量。例如对防火墙的声学处理，声源侧和接收侧的测量方式如下：将一个声源安置在发动机舱（可以是实际的动力总成，也可以是试验声源），然后通过在声源侧和接收侧进行声学特征对比，从而就可以获得实际安装位置的传递损失。



这种方法的缺点是不能与诸如SEA 一类的分析工具的应用相结合。因为它提供的是从声源到接收方的全局传递损失。而SEA 模型需要的是多个局部传递损失函数来进行预测。



更多的细节方面是如何通过试验建立声学包装材料的局部传递损失，使它们能够直接使用在分析工具中。应用这种方法，就能够实现针对各种声学处理配置来改进对车内生压级的预测。

工程实例：重载卡车

本研究中，采用了一台重载柴油卡车作为平台，进行了试验方法的开发和优化，目的是改进试验方法与分析方法的相互配合。整个研究的目标是为分析模型提供数据，对预测进行验证，并应用这些数据针对重要的声学包装设计方案预测车内的噪声。

本研究中采用了以下主要步骤，我们将对这些步骤逐个进行细致的讨论。

车辆的特征化
穿越防火墙的泄露
部件的特征化
声学合成
预测的验证

车辆的特征化：我们可以应用声学包装来规划最终用户的声学感受。作为前提，我们首先需要深入了解作为特定用途的车辆，用户所期待的是怎样的声音感受。在本研究中，针对的是重型柴油卡车市场。作为实现这个目标的第一步，首先是通过客观测量和用户主观评价获得对现有市场车辆的理解，从而得到哪些声学特征是用户所偏爱的，而哪些特征是用户所讨厌的。

我们对重载柴油卡车市场上的三台竞争车型进行了客观测量，目的是得到它们的声学特征，并进而决定合适的声品质特征参数，以定量地表达它们的声学性能。每一台车都在多种工况下进行了试验，包扩怠速、部分负荷加速、全负荷加速和巡航工况。在用户听取声音的关键位置都布置了麦克风传感器，包扩车内位置和车外行人位置。

根据在各工况测量的结果，组织了试听研究，以确定主观声学性能。然后计算了声品质特征参数，并与主观评价进行了相关性分析。对怠速工况，所确认的关键声品质参数包括用A 计权声压级反映声音的幅值、用清晰度指数反映对车内谈话的影响、用瞬态响度的统计值反映柴油机循环与循环的波动以及波动的百分比。采用这些声品质参数构建了“有效/无效”的判据，用于评估对声学包装的修改是否会被最终用户感知到，并校验声学包装导致的车辆声学性能是否在现行的市场上具备竞争力。

防火墙贯通泄露—为了细化分析模型，对防火墙的贯通路径进行了详细的分析，其中包括了下列零件：

电器贯通孔
制动助力器
方向机立柱
HVAC 加热器和空调管路
发动机舱盖解锁装置

采用声强测量法，对每个贯通部位安装位置的局部声传递损失进行了测量。在每个位置上都采用了“窗口实验法”来分析每个部件的影响，其结果表示在下图中。



通过这个分析，即可以确定贯通孔对安装位置全局声传递损失的贡献。



部件特征化：在了解了对用户感受影响最大的声品质特征参数和对应的关键频率之后，下一个步骤就是确定每一个声学包装部件的特征，查找出那些部件会对这些关键的频率发生影响。本研究中进行评估的声学包装部件包括了防火墙内/外声学包装、防火墙板贯通孔的声学处理、cowl 和 tunnel 的声学处理、内饰部件，bulb 密封、以及地毯和底部处理等。

我们使用了一个全车身对每个声学包装部件进行特征化。在车身内部使用一个体积速度源产生白噪声激励，并在多个位置进行了测试，以确定从源多接收点的局部声传递函数。测试点的位置包括车内乘员的位置的内部麦克风、沿车身布置的路径麦克风以及在发动机和变速箱布置的动力总成的麦克风。



与传递损失试验同时进行的还有对每个声学包装位置的声强和声功率扫描，目的是计算穿越每个声学处理的声功率。测量首先对原始配置展开，并依次逐个拆除声学包装部件进行试验，这样就能够获得每个在安装位置部件的性能，以及该部件所产生的影响。这种方法被称作为“窗口实验法”，主要用来对单个声学包装处理进行评价，降低泄露效应和更精确地确定声学包装部件在安装位置的性能。



对声学包装部件在安装位置的评估提供了每个部件对接收位置车内总声压的影响的大小，以及对每个局部声传递损失造成的变化。这些局部声传递函数则可以直接使用在SEA模型中，改进相关性和预测的精度。



对每个声学包装部件的特征化提供了它们在安装位置所发生的影响。以次为基础，就可以针对不同的声学包装设计配置预测车内的声压级。其中包括了拆除某个声学包装部件、或修改某个声学包装部件性能所产生的影响。



声学合成：对于声学包装的开发来说，结合分析工具的需要制定试验方法和实验内容的最大好处，是在制造样车之前就能够预测车内声压。根据预测的结果，可以回放声音进行试听研究，在时域和频域计算声品质参数，以及预测不同声学包装配置导致的车内声压级。通过这些信息，可以确定为了保证实现整车声学开发目标，哪些声学包装的部件能够进行更进一步的优化，以及车内那些关键的位置需要进行进一步的声学包装处理。车内声压级的合成可以按照下列公式计算：



其中：SPL-rec是预测的车内接收点的声压；SPL-I是在第 i个子系统界面上测量的声压；TL是局部传递损失；TF