基于概念模型的声学包装吸隔声性能目标分解

分类：电子论文 时间：2021-09-23 热度：81

　　摘要：在整车设计初期，为实现声学包装吸隔声性能快速、准确开发，克服传统经验开发对标成本高、建模时间长、无法分解至最优解等问题，提出一种基于概念模型的声学包装吸隔声性能目标分解方法。该方法应用统计能量分析(StatisticalEnergyAnalysis，SEA)原理将整车SEA模型分解为防火墙总成、地板总成等26个基本模块，建立整车通用概念SEA模型;基于目标车型特点对通用概念模型，包括整车尺寸、声学包装位置及性能、关键过孔零件性能等进行调校;建立目标分解优化模型，以子系统声学包装吸隔声性能为设计变量，以车内噪声目标为约束条件，以整体吸隔声变化量为目标函数，利用多岛遗传算法(Multi-islandGeneticAlgorithm，MGA)进行优化，获得目标分解结果。将此方法应用于某SUV车型声学包装目标分解过程，分解结果显示，在满足车内噪声目标的前提下，各子系统传递损失曲线平均下降2dB，可应用于所有车型声学包装开发工作。

　　关键词：声学;概念模型;声学包装;目标分解;传递损失

　　相对于低频噪声，400Hz以上的高频噪声对于车内声品质有着更为关键的影响。随着新能源汽车的快速发展，汽车高频噪声问题越来越突出，车身声学包装作为汽车高频噪声控制的主要手段越来越受到广泛的关注[1–3]。

　　汽车的声学包装利用吸隔声材料本身特性在传递路径中吸收和阻断噪声的传播[4]，调节车内噪声水平。吸隔声材料的选取要遵循轻量化、高性价比等原则，常用的吸声材料包括聚氨酯(Polyurethane,PU)发泡、聚对苯二甲酸类塑料(Polyethyleneterephthalate，PET)毛毡等，隔声材料包括乙烯-醋酸乙烯共聚物(Ethylenevinylacetatecopolymer，EVA)、三元乙丙橡胶(Ethylene-propylene-dienemonomer，EPDM)等。整车声学包装附加在车身结构壁板或内饰件上，包括前围、地毯、轮罩等关键部位。

　　随着汽车行业迅猛发展，声学包装研究逐渐深入，越来越多的国内外学者加入声学包装研究行列，从理论方法到实践应用取得了突破性进展。Huang等[5]利用统计能量模型优化声学包装，降低了车内噪声，为声学包装的研究指明方向。Freeman等[6]提出了声学包装的基本开发方法，并论证了声学包装对于车内噪声控制的重要性。陈书明[7]采用试验方法研究车内声学包装吸隔声性能，成功对发动机舱声学包装进行优化设计。车勇等[8]建立电动车SEA模型，成功预测车内噪声，利用模型分析实现整车主要板件的声学包装优化。贺岩松等[9]对整车的地板和前围进行声学包装优化，不仅使驾驶员头部声压级下降0.4dB，而且使声学包装总重减少了33.2%，实现了声学包装的轻量化设计。

　　国内外对声学包装的研究大多是在已有方案基础上进行改进优化，声学包装目标分解方法研究还处于较低水平[10]，只处于简单的探索研究中。实际应用中只进行了简单的试验对标，利用上一代车型进行全面剖析，移植SEA模型进行仿真分析[11]。此方法对标成本高，建模时间长，且未能找到声学包装最优方案。最重要的是无法在整车开发前期完成目标分解工作，即将车内噪声控制目标分解至各子系统声学包装性能中。

　　针对以上问题，本文提出了一种基于概念模型的声学包装吸隔声性能目标分解方法。利用统计能量分析方法，基于各个模块的共性特点建立整车通用概念SEA模型;基于现有两款目标车型特点对通用概念模型进行ATF(声传递函数)调校，验证概念模型的通用型;建立声学包装吸隔声性能优化模型，利用多岛遗传算法将车内空气噪声控制优化分解至各子系统声学包装吸隔声性能中，得到子系统声学包装最优设计方案。

　　1统计能量分析基本原理

　　统计能量分析方法应用的是能量流平衡原理，系统在激励作用下，通过能量的传递达到一种平衡状态[12]。SEA模型研究的是保守系统，系统的能量流入等于系统流出和损耗能量之和，两耦合子系统能量流动原理如图1所示。根据图1建立子系统1和2的功率流平衡方程，如式(1)、式(2)所示。

　　2整车概念模型建立

　　在声源激励作用下，模型中的能量在子系统间流动，根据统计能量分析原理可知，建模过程中只有SEA模型的声腔容积直接影响系统响应结果，而实际板件和声腔的形状细节对声腔容积影响非常小[14–15]，忽略掉小的影响因素可以将复杂板件进行平直化处理。又由于汽车的主要构成相似，因此可以将复杂的整车SEA模型简化为概念模型。

　　简化处理整车板件，追求汽车共性特征，去除个性特征，保证激励和响应的声腔大概位置与实际情况一致，得到概念模型。基于模态相似性原理划分整车概念模型子系统，将整车模型结构划分为26个模块，划分情况如表1所示。

　　地板总成和防火墙总成是整车模型的关键组成部分，建模时要保证其独立性。为更接近所有车型的外形特征，去除个性细节，将地板所有板件建立成平直结构。地板属于对称结构，建模时只需建一侧，在对称线上建立节点，直接镜像到另一侧。由于地板总成面积较大，贯穿整个汽车舱，划分子系统时尽量考虑预留相应的节点，以便后续声腔子系统的划分。根据上述描述，所建立概念模型的地板总成如图2所示。

　　防火墙总成是不对称的总成结构，在建模时要注意与前轮罩总成及A柱总成的连接。在Y=0的线上建立节点，将防火墙结构左右两侧分开。简化处理平板件，预留线束孔、转向孔、进风口、排水孔等孔洞结构。根据实际防火墙厚度分布进行总成结构划分，建立的防火墙总成模型如图3所示。

　　除防火墙总成外，其他总成结构均左右对称，只需建立一侧即可。在地板总成和防火墙总成的基础上，依次搭建其他总成结构，注意公共边节点的选取。根据子系统划分情况建立声腔，定义子系统物理属性和参数，建立声腔和板件之间的连接与半无限流体连接，定义声学包装的吸隔声性能，建立的概念SEA模型如图4所示。

　　3整车概念模型调校

　　建立该概念模型的意义在于其通用性强，可应用于所有车型的声学包装开发工作。为了验证该模型的准确性，观察其是否可替代复杂SEA模型进行仿真分析工作，特针对现有两款已开发完成车型，运用互易性原理分别进行ATF(声传递函数)调校。根据目标车型进行相关参数性能校准，包括整车尺寸、声学包装位置及性能、过孔性能等。

　　整车尺寸可通过调节概念模型外侧边缘节点来调整，比如通过图5中3排节点的平移可以轻松调节整车前悬、轴距和后悬长度，同理，也可以采用相同的方法对整车宽度和高度尺寸进行调节。

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　　进行声学包装的吸隔声性能校准时只需将实际车型的吸声系数和插入损失曲线应用至概念模型中相应位置，由于板块面积与实际情况大小有差异，为更符合实际情况，可调节声学包装的覆盖率分布、厚度等参数来进行声学包装校准。

　　不同车型应用的过孔件差异明显，尤其前围板存在很多过孔，过孔的面积、材料和泄漏量等因素对整车噪声影响显著。整车在白车身阶段已完成过孔件的设计，由于功能的不同，需要的材料、厚度等均不同，所以需要通过试验测量过孔件的隔声性能，在概念模型中定义过孔相关参数。

　　经过上述校准操作，在概念模型和两款目标车型的驾驶员耳边声腔位置各添加1Pa声压激励，查看各子系统ATF调校结果。两款目标车型均为前置前驱SUV，车型A长为4460mm，宽为1820mm，高为1720mm，轴距为2720mm，最大扭矩为151N∙m，车型B长为4325mm，宽为1830mm，高为1640mm，轴距为2570mm，最大扭矩为210N∙m，SEA模型如图6和图7所示。概念模型与车型A吻合度最差的调校部位为前挡风玻璃，如图8所示，与车型B吻合度最差的调校部位为后轮，如图9所示。

　　调校后各声腔到车内的传递函数调校结果误差均在3dB以内，所以可以运用概念模型进行待开发车型的声学包装吸隔声目标分解工作。

　　4声学包装隔声性能目标分解进行目标分解工作时，可在汽车开发初期阶段将整车级目标分解至各子系统，本文研究内容是将整车车内噪声控制目标有效优化分解为声学包装吸隔声性能目标，实现各子系统声学包装的优化设计。将仿真软件与优化软件相结合，在满足车内噪声控制目标要求情况下，更快速准确完成目标分解工作。

　　各子系统吸隔声曲线的添加直接决定车内噪声水平，子系统吸声曲线通过声学包装各频率下的吸声系数α来描述，隔声曲线用声传递损失STL来描述。能量为Ei的噪声从空气入射到材料表面时，一部分声能Ea被材料吸收，一部分Et穿透材料继续传播，其余声能Er被反射回空气中。吸声系数定义为吸收能量与入射声能的比值，如式(8)所示。当量吸声面积A可以描述一定面积吸声材料的吸声本领，表示相对于吸声系数1对应的等效吸声面积，如式(9)所示。声传递损失定义为声传递系数τ倒数的对数形式，如式(10)所示，其中声传递系数为透射声能与入射声能的比值，如式(11)所示。

　　整车工况较复杂，车内噪声目标分解工作要针对不同工况进行，在满足所有工况下的车内噪声控制目标前提下，完成声学包装的优化分解工作。整车的测量工况一般包括60km/h、80km/h、100km/h、120km/h、3WOT3000(三档，发动机转速为3000r/min)、3WOT4000(三档，发动机转速为4000r/min)和3WOT5000(三档，发动机转速为5000r/min)，实际操作中可根据工程需要自行调整。将不同工况激励添加到概念模型中，通过设定不同工况下的车内噪声目标曲线，完成整车工况噪声目标分解工作。

　　选取整车子系统各频率下的吸声系数和传递损失值为设计变量，其中包含吸声声学包装的子系统数为m，包含隔声声学包装的子系统数为n。

　　基于声学包装的成本和总质量确定目标函数，尽量将子系统的声学包装合理分配，使用最少的声学包装，实现抑制车内噪声的目标，即要求使n个子系统声学包装传递损失与相同数量级的m个子系统声学包装吸声系数相加之和达到最小。

　　设置约束条件，即根据用户需求和实际工程需要，合理制定不同工况下的车内噪声目标约束，确保分解结果满足整车级目标要求，共包含k个工况;设置各子系统不同频率下的吸声系数和传递损失变化范围，减少优化迭代次数，节约运算时间，且避免使各子系统声学包装吸隔声曲线变化过大，导致在工程技术上无法实现该目标。

　　5算例分析

　　将上述理论应用到某五门五座SUV车型声学包装开发中，该车型发动机最大功率为138kW，最大扭矩为275N∙m。以80km/h工况为例，进行声源声功率测试，并将试验数据应用到概念SEA模型中。为验证目标分解方法的可靠性，设置传递损失初始值并应用到概念模型中。进行声源激励下车内噪声仿真分析，对比目标分解前后传递损失及车内噪声变化，验证基于概念模型的声学包装隔声性能目标分解方法能否准确有效将车内噪声目标分解至声学包装的隔声性能。

　　本文针对防火墙、前轮罩、后轮罩和行李厢盖板5处子系统传递损失曲线进行优化分解，为方便计算分别取每条曲线400Hz、2500Hz和8000Hz频率处的传递损失值为设计变量，用a、b和c表示，其余传递损失均根据线性插值设定，STLall为所有变量相加之和。将分析结果作为车内噪声目标值约束条件，定义传递损失变化范围为初始值上下波动5dB。选用MGA作为优化算法，在传统遗传算法的基础上增加了“岛”的数量，优秀个体在各岛间迁徙杂交，更容易跳出局部最优解，在解决全局优化求解问题中具有显著优势。为更好应用优化算法解决本文优化问题，优化参数具体设置如表2所示。

　　5.1声源声功率测试

　　在整车开发设计前期，已具备白车身，可针对整车关键声源激励进行声源声功率测试。汽车集中空气声源包括发动机和4个车轮，运用声压法在半消声室内进行集中声源声功率测试。将麦克风在声源假设半球面上均匀排布，采集各路径下的声压信号，计算所采集的数据，修正输出声源声功率数据，如图10所示。

　　将激励曲线输入到概念SEA模型中，并根据实际激励位置添加到相应的子系统声腔中，用于后续的概念模型仿真分析及声学包装隔声性能分解工作中。

　　5.2整车模型调校

　　在实际工程应用中，只需按照实际车型整车尺寸，通过移动相关节点对待开发车型进行调校。本文待开发车型尺寸参数为：长4710mm，宽1890mm，高1720mm，轴距2800mm。

　　实际的声学包装隔声性能分解中无需设置传递损失初始曲线，直接设置车内噪声目标和传递损失变化上下限即可完成目标分解工作。设置传递损失初始曲线，意在检验本文所提出的目标分解方法是否准确可靠。

　　在防火墙(Firewall)、地板(Floor)、前轮罩(Fronttire)、后轮罩(Reartire)和行李厢盖板(Trunk)位置分别定义一组传递损失曲线，如图11所示，并将所有隔声曲线添加到概念模型子系统中。

　　计算受到80km/h工况声源激励作用时初始传递损失状态下的车内噪声，在概念SEA模型中进行仿真分析，获得400Hz～8000Hz的1/3倍频程车内噪声曲线，仿真结果如图12所示。

　　记录仿真结果，并根据车内噪声曲线设定车内噪声控制目标，用作目标分解约束曲线，验证目标分解工作的准确可靠性。

　　5.3目标分解结果

　　根据以上理论分析，设置车内噪声控制目标和传递损失变量变化范围，在满足实际工程需求条件下为提高计算效率，设置传递损失变化步长为2.5dB，利用多岛遗传算法对其进行优化分析。将概念SEA模型的仿真分析功能和算法的优化功能进行有效结合，完成声学包装子系统隔声性能目标分解工作。在声学包装开发前期，有效将车内噪声目标分解为各子系统声学包装传递损失目标。对比如图13所示优化前后传递损失曲线，分析各子系统隔声性能对车内噪声的影响。

　　由图13可知，防火墙、前轮罩、后轮罩和行李厢盖板处传递损失曲线相比初始曲线均有下降，但行李厢盖板处下降最明显，说明存在声学包装隔声性能浪费现象，尤其行李厢盖板处传递损失变化对车内噪声的影响最小。地板处声学包装传递损失曲线有明显上升，说明此处声学包装隔声性能不足，并且传递损失变化对车内噪声的影响较大。

　　对比整体传递损失变化情况以及所有传递损失变量变化情况，需要计算各传递损失变量之和以及变化的差值，各传递损失变化具体情况如表3所示，表中所有数值单位均为dB。

　　由表3可知，传递损失变量均在初始值5dB以内波动，满足约束范围的条件。各传递损失变量之和由初始值357dB下降为327dB，总共下降了30dB。由于传递损失曲线上其他数值均由插值法求出，所以STLall可以代表整体声学包装传递损失变化。根据优化前后差值可以看出，整体的传递损失有明显下降，符合目标分解优化设计的目标函数要求。

　　5.4车内噪声分析验证

　　为验证上述声学包装传递损失分解结果是否满足车内噪声控制目标要求，对比优化计算后输出的车内噪声曲线与设定的车内噪声目标曲线，如图14所示。

　　结果显示，优化后的车内噪声声压级曲线较优化前有显著下降。在满足车内噪声控制目标的前提下，实现了子系统隔声性能分解，且分解结果准确有效，验证了本文提出的目标分解方法正确可行。

　　6结语

　　本文提出了一种基于概念模型的声学包装吸隔声性能目标分解方法，该方法基于统计能量分析原理建立整车概念SEA模型，根据待开发车型对整车尺寸进行调校，建立目标分解优化模型，利用多岛遗传算法将车内噪声控制目标优化分解至各子系统声学包装吸隔声性能。结果显示：

　　(1)该方法建立了通用概念模型，适用于所有不同尺寸、不同性能车型的声学包装开发工作，只需对其尺寸参数和子系统属性进行校准即可，通用性强，调校过程操作简单方便。

　　(2)基于概念模型的目标分解方法不涉及大量对标过程及建模过程，利用优化算法直接将整车级目标分解至吸隔声目标，分解过程快速方便，且目标分解结果为最优解。

　　(3)以某SUV车型为研究对象，采用该方法对其声学包装隔声性能目标进行了分解，利用该方法快速准确完成了目标分解工作，得到最优的子系统声学包装方案。——论文作者：崔聪聪1，安子军1，郝耀东2

文章名称：基于概念模型的声学包装吸隔声性能目标分解

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