基于板结构声辐射控制的车内噪声优化.pdf

42023年第16 期基于板结构声辐射控制的车内噪声优化卢国纲，刘钢（海南海马汽车有限公司，海南海口57 0 2 16）摘要：某燃料电池汽车以50 km/h的车速行驶时，车内存在明显的轰鸣声，乘员出现压耳的不适感。文章应用板结构声辐射的理论知识和传递路径的分析方法，准确找到引起该问题的板结构，并通过抑制其振动降低声辐射，最终使轰鸣声消除。车身的板结构是乘员舱的主要声源之一，它的优化能对舒适性的提升起到重要作用。文中涉及的噪声测试、模态计算、ATF测试、选择运行法等方法，均被广泛应用于NVH领域。本文在解决车身引起的低频噪声问题方面具有参考价值。关键词：燃料电池汽车；板结构；声辐射；阻尼片；噪声优化中图分类号：U461.4Abstract:When a fuel cell vehicle is driving at a speed of 50km/h,there is a obvious boom in the vehicle,andThe passengers feel uncomfortable when pressing their ears.This paper applies the theoretical knowledge ofsound radiation of plate structure and the analysis method of transmission path to accurately find the plate struc-ture that causes the problem,and reduce the sound radiation by suppressing its vibration,and finally eliminatethe boom.The panel structure of the car body is one of the main sound sources of the passenger compartment,and its optimization can play an important role in improving the comfort.The noise test,modal calculation,ATFtest,selective operation method and other methods involved in this paper are widely used in the NVH field.Thispaper has reference value in solving the low-frequency noise problem caused by body.Key words:Fuel cell vehicle;Plate structure;Acoustic radiation;Damping plate;Noise optimization0引言近年来，中国在保持加强生态文明建设的战略定力、绿色低碳发展取得积极成效的同时，正采取更加有力的政策和措施，助力实现“双碳”目标。在汽车行业，除了纯电动汽车的高速发展，很多车企也在加快燃料电池汽车的研发。与传统的燃油汽车相比，燃料电池汽车由于没有了动力总成这个重要的噪声源，在怠速工况下，其噪声水平明显优于燃油车。但也正因为没有了动力总成的掩蔽，行驶过程中的一些噪声问题就显得更加突出。尤其是在中低速行驶时，如果未能进行有效地控制，胎路噪就会清晰地传递到车内，引起乘员的不适。本文将通过对车身板结构辐射噪声的控制,降低燃料电池汽车匀速行驶时的车内噪声，进而提升整车NVH性能。1板结构辐射噪声问题研究1.1板结构汽车车身包含大量板结构。车身板通过焊接等方式与梁相连而形成车身。这些板结构是车身振动和噪声的主要贡献源，都有自身的模态。其模态即为板结构的局部模态。车身板在受到激励时，会产生振动并辐射声音。由于车身板的振动基本上是沿着板的法线方向传递，其振型多为弯曲模态。对于活动的板结构，还存在扭转模态。表1作者简介：卢国纲（19 6 7 一），男，汉族，湖南岳阳人，学历本科，机械工程师，研究方向：产品战略及高阶管理方向。文献标识码：AOptimization of Noise in Vehicle Based onAcoustic Radiation Control of Plate Structure(Hainan Haima Automobile Co.,Ltd,Hainan Haikou 570216)列举了部分车身板的模态描述。表1车身板结构模态描述车身板结构板结构模态地板弯曲模态顶棚弯曲模态侧围弯曲模态车门弯曲模态、扭转模态车身板结构由于其模态的频率较低,所以很容易被路面等激励起来。1.2板结构的声辐射点声源对空中辐射的声压p(r,t),表达为(r,t)=;g00e4元r式中，r是点声源到辐射点的距离；o是空气密度；是频率;Q是体积速度;k是波数。jwpQ被称为“单极子声源强度”。对于四边简支的矩形板，其振型函数为wi,(a,y)=Ai,j sin(i元a/a)sin(j元y/b)eiar式中,A,为振型幅值，ij分别为沿着和y方向的模态数,i,j=1,2,3,。此处通过在无限大障板中的矩形板（如图1）的声辐射来介绍板件声辐射的一些概念和问题，如辐射声压、声文章编号：16 7 4-9 57 X(2023)16-0004-03Lu Guo-gang,Liu Gangeial-kr)(1)(2)内燃机与配件强等。矩形板的长宽分别是和b。1.3.2阻尼片的应用阻尼片可以凭借自身的黏性贴在金属板上，也可以经过高温熔化后贴在金属板上。常用的阻尼片有银箔约束R=IT-TS1阻尼片和扩展型阻尼片5。银箔约束阻尼片在常温下是柔软的并且具有黏性，使(x,y)ba图1无限大障板中的矩形板对空中声辐射矩形板可以分解成许多小块。每个小块可以看成是一个点声源，面积为S。假设第块板的法向速度为un，小块辐射的体积速度则为u,S。板振动产生声波向两边辐射。如果只考虑声音向单面辐射，则体积速度为(3)把式(3)代人式(1),矩形板中的一个点声源（,y)对空中任意一点（，之)的辐射声压可以写成p(R,t)=j qpou,(r.)asej(u-kr)2元式中，u（r）)是板件表面的振动速度；r，板件振动表面位置(,y)矢量，r为观察点位置对原点的矢量（,，或r,0,),R是的r一rl模，即R=|r一rl。当观察点的距离远远大于矩形板的尺寸时，Rr 一rsinocosp-ysingsing。板向单面辐射是所有“点”单元辐射的集合，根据Rayleigh公式，可得到板辐射空间的声压为u,(r.)e-iRdSp(r,t):2元JS对式(2)微分，可以得到简支矩形板的法向速度分布，表达为un(a,z)=jwA,sin(i元/a)sin(j元z/b)eio将式(6)代人式（5），得到空间任意一观察点（，)的辐射声压为p(a,y,t)=-apoAuem2元在远场，质点速度与声压的关系为(r,0,9,a)=D(r,0.9,a)空中R位置的声强2 为I(r,0,p,)=Rep(r,0,9,)(r,0,p,)(9)2式中，*表示共轭复数。1.3阻尼的应用1.3.1阻尼现象与描述静止物体受到外界激励时，会产生振动。随着激励消失，物体会逐渐停止振动,这就是阻尼在起作用3。阻尼的存在会消耗系统振动能量,抑制系统振动，从而降低辐射噪声。所有物体或结构都存在内部阻尼，但其大小存在差别。合理利用大阻尼材料，可以有效抑制结构振动。在车身上，阻尼的应用是为了减小车身板的振动和声辐射。将阻尼材料加到应变能最大的地方可以取得最好的效果4。5用时，直接将阻尼贴在车身部位即可。银箔约束阻尼片可以裁剪成任何形状，容易粘贴，重量轻，在车身NVH开发过程中经常用到。扩展型阻尼片在常温下呈现坚硬的块状，使用时，将阻尼片放置在车身的某个部位，经过高温烘烤，阻尼熔化，然后与车身板熔为一体。扩展型阻尼片阻尼效果非常好，粘贴性能很好，还可以增加车身刚度，防止金属腐蚀。在=u.os前壁板上、轮毂包上、中控道上应用比较多。22车身板辐射噪声问题分析2.1车内轰鸣声路径分析车辆以50 km/h的速度在沥青路面行驶时,驾驶员在车内感受到明显的轰鸣声，并伴有压耳的不适感。(4)首先对该问题进行初步测试，在驾驶员内耳位置布置麦克风，采集相应工况下的声音信号，如图2 所示。5040(V)aP/王单302010aurve78.6129.9156.937.4142.341.6LdB(A)(5)-101R20315080125200315500频率/Hz图2 50 km/h时的驾驶员内耳声压级对图2 的频域信号进行分析，可以看出，7 0 Hz170Hz的声压级较大，在30 dB(A)以上,其中,7 9 Hz、12 6(6)Hz、157 H z 三个频率附近的峰值声压级分别达到37 dB（A）、42 d B(A）、42 d B(A）,对总声压级贡献较大。要解决该轰鸣声问题，应考虑重点降低这三处峰值的声压级。sin(i元r/a)sin(j元y/b)e-iR-dadyR(7)(8)MF一59.4 dB(A)根据“激励源一路径一响应 分析模型6 ，要解决该轰鸣声问题，需要找出对应频率的激励源和传递路径。根据燃料电池汽车的特性可知，该工况下的主要激励源有燃料电池系统、电机、路面。根据选择运行法7 ，在燃料电池系统运行和关闭时分别进行评价，发现轰鸣声均存在，因此，可以排除燃料电池系统对该问题的贡献。经测试,电机在该车速下的转速约为47 0 0 rpm,根据该电机的齿轮传动比，计算得出其主要激励频率在2 12 8 Hz附近，采集电机近场声压级信号（如图3），根据图中的频域信号可以看出，在2 12 8 Hz附近声压级最大，7 0 Hz17 0 H z 无明显峰值；另外主观感受上，电机声音的频率较高，表现为啸叫声，与该问题低沉的压耳感并不相同。综合以上分析，再考虑到路面激励的频率较低，所以判断激励来自路面的可能性较大。根据该车辆底盘各部位到车内的ATF测试，未发现对应频率有峰值。由此判断，三个峰值频率对应的振动可能是在经过车身时因模态耦合被放大、并通过声辐射的形式传递到乘员舱的。15006接下来需要找到车身上振动被放大的具体位置，即找到存在上述频率下模态的位置，才能够制定相应的解决措施。2.2车身模态分析考虑到对车身进行测试时，需要拆卸大量零部件，工作量大，所以先对该车型的白车身模态进行仿真计算，分析车身的各阶模态，未发现对应频率下的车身模态。进一步分析各部位的局部模态发现，在泄压阀、后轮罩、后顶棚三个位置，分别存在7 8 Hz、132 H z、156 H z 的弯曲模态（如图4）。图4泄压阀、后轮罩、后顶棚局部模态以上三个位置的弯曲模态频率与该问题涉及到的三个频率接近,相差在3Hz以内，因此判断其振动产生的声辐射很可能对轰鸣声有贡献。3车身板局部优化3.1板结构辐射噪声优化为进一步验证以上分析，考虑通过前文所述阻尼片的应用，解决该问题。拆卸相应位置的零部件，在以上三处位置的车身板上粘贴合适大小的扩展型阻尼片（如图5），以起到抑制板振动、减弱板结构向车内声辐射的作用。图5泄压阀、后轮罩、后顶棚粘贴阻尼片3.2板结构局部优化后效果验证在上述三处位置粘贴扩展型阻尼片后，将拆卸零件重新装配，恢复车辆状态，再次采集相同工况下驾驶员内耳位置的声压级信号，发现对应频率的声压级依次降低了3dB(A）、5d B（A）、8 d B(A），总声压级降低2 dB（A)（如图2023年第16 期70aur ve2128.16）。6060.4/dB(A)(V)aP/单5040302010OLLLL20408016040010002500图350 km/h时的电机近场声压级主观评价发现原轰鸣声消失，该工况的车内噪声达到可接受水平，乘员也不再感受到压耳。5040()aP/王单302000020频率/Hz1qarvel78.66129.9156.937.442.341.6dB(A)34.237.133.7dB(A-10L20315080125.200.315500图6 优化前后驾驶员内耳声压级对比4结论由于车身系统的特殊性,在诊断问题时,对车身的测试往往不易开展，这就需要在项目开发前期，对车身进行必要的仿真和测试分析，为解决问题提供参考；同时要根据理论知识和经验积累，判断具体问题是否可能与车身有关。(1)在调查噪声问题时，由于车身本身并不产生激励，相比动力传动系统、底盘系统，车身更容易被忽略。但车身是多数激励源到乘员必经的传递路径，做好对车身的分析同样重要。(2)车身的结构特性，尤其是板结构的特性，使得其必然存在较低频率的模态。在解决低频问题时，应加强对车身的关注，即在“激励源一传递路径一响应”模型中，将车身作为传递路径重点关注。（3)对于装配完成的车辆，改动车身时需要拆卸很多零部件，工作量大。准确的分析结果可以为问题的解决提供有力支撑节省工作量。(4)对板结构在模态耦合后产生的声辐射进行有效控制,可使单一频率的声压级降低3dB(A),甚至更多。这类低频轰鸣问题的优化，可以有效改善整车声品质。（5)对于板结构的声辐射问题，相比于方案的制定，找准振动最大的位置更为关键。一旦确定具体部位，粘贴阻尼片可以降低各频率的振动，并不需要根据具体频率制定解决方案。参考文献：1刘毅、寇江泽、丁怡婷.我国采取更加有力的政策和措施，持续推进绿色低碳发展落实“双碳”行动共建美丽家园N.人民日报，2 0 2 2-0 6-15（9).2庞剑.汽车车身振动与噪声控制M.机械工业出版社，2 0 15.10 3-10 5.3汤明飞.基于阻尼特性的低频结构路噪控制研究D.石家庄铁道大学，2 0 2 0.4吕毅宁、吕振华、赵波等.基于应变能分析的附加阻尼结构设计评价和准则优化方法J.振动工程学报，2010,23(06).620-624.5孙庆鸿等.振动与噪声的阻尼控制M.机械工业出版社,19 9 3.6-7.12 9-13 1.6庞剑，谌刚，何华汽车噪声与振动一理论与应用M.北京：北京理工大学出版社，2 0 0 6：312.7陈克安，曾向阳，杨有粮.声学测量J.北京：机械工业出版社，2 0 10：112.口F59.4dB(A)口57.4dB(A频率/HZ1500