前围及过孔件隔声性能对整车噪声的影响分析

在汽车不断普及的当下，人们对汽车的品质追求也在不断地提高。噪声与振动是整车开发目标中必须的考衡因素[1]。汽车是由多系统组成的复杂产品，而这些系统具有各自的性能特征，NVH 性能几乎涉及到汽车的各系统中。过孔零件一般为橡胶或发泡类材料，考虑该产品的工艺成型性，结构设计的复杂性，整车上安装简易性，其隔声性能易被产品设计者忽视。前围系统上安装了各种过孔零件，包括线束、制动踏板、油门踏板、转向管柱、空调系统的膨胀阀及进风口等，这些过孔零件对前围系统的隔声有重大贡献，会在很大程度上影响车内噪声水平。在声能的传递过程中，考虑过孔及隔音垫覆盖率引起的缝隙透声问题，按等传声原则，对各部件进行隔声设计控制[2-3]。采用统计能量分析方法，对前围系统部件进行声学性能计算[4-8]。

1 分析模型

1.1 统计能量模型

整车统计能量SEA 拓扑模型由板和声腔组成，根据车身结构和声学包零件分布，对SEA 模型的196个板进行分组，将板件分成前围系统、前地板、后地板、后轮罩、后备箱地板、顶棚、车窗、前后风挡等18 个子系统。声腔包括驾驶员/乘客头部、中部、脚部声腔，仪表台、副仪表、座椅声腔，后备箱声腔等54个腔体，如图1。

图1 SEA 分析模型

1.2 计算原理

1.2.1 车内声腔能量

系统之间存在能量交换，并最终达到稳态的子系统能量平衡。由能量平衡方程，可得到车内声能量，其近似计算公式

式中：Pexc，Vc，为车外声压和车内声腔体积；ρ、c，为空气的密度和空气中的声速；τp、Sp为声能传到车内的透射率和对应的该传递区域面积；αc,Sc为车内吸声系数和面积。

由公式(1)可知，在整车声学包零件性能不变的情况下，车内各系统隔声与车内的总吸声量不会改变，过孔的面积及其隔声对系统有很大影响。

1.2.2 损耗因子

统计能量分析是用能量描述各子系统的状态，使用功率流平衡方程表述耦合系统间的相互关系，评价各子系统的能量，并转换成相应的声压级等参数。板与声腔及声腔之间存在能量的传递关系，车内声腔的内部损耗因子

Siα 为声腔的吸声量，c0,Vi 分别为声速，声腔体积，ω为角频率。

两系统之间通过面连接的耦合损耗因子

τ为声腔i传递到声腔j的透射系数。

1.3 模型参数

基于统计能量法的分析模型中，板的声学性能参数包括吸声系数、隔声量、声载荷、板的面积、过孔面积及其隔声。前围钣金、隔声垫与过孔件的材料都是不同的，其面积差异非常大。表1为前围系统各部件的测试调校后仿真输入隔声参数。

前围钣金及隔声垫比较重，隔声量较高，透射系数较小，面积大；而过孔件透射系数较大，隔声量要低很多，面积较小。组合板的透射系数

τk,Sk 为过孔件的声透射系数和面积。

其组合隔声量为

2 计算分析

2.1 覆盖率对隔声的影响

子系统的隔声直接影响到车内噪声，因此，对零部件的隔声控制显得非常重要。样车前围钣金为0.8 mm厚度的钢铁，隔声垫由重层4.3 kgsm_EVA与发泡层80 kg/m3两层组成。根据单层墙理论，应用VisualSISAB软件计算出钣金的隔声量，再计算出钣金与重层EVA 构成的双层墙的隔声[9-11]。图2为隔声垫在不同覆盖率下的隔声曲线。

0%表示无隔声垫覆盖时仅钣金的隔声，原样车隔声垫覆盖率约为90%，隔声垫对前围的隔声提升最大只有10 dB，当覆盖率达到99%时，隔声垫的隔声量对前围系统的隔声提升最大不超过20 dB。当覆盖率降至80%时，隔声提高量不会超过7 dB；而隔声垫100%完全覆盖钣金的理想状态，8 kHz的隔声量为57.6 dB，当然这在实际零件设计和整车装配中是不可能实现的。由此可见，覆盖率很大程度上影响前围的隔声性能。

表1 前围系统各部件隔声量

图2 不同覆盖率的隔声垫的前围隔声量

2.2 不同过孔结构对隔声影响

过孔件多为橡胶护套密封，图3为橡胶件在不同厚度和不同结构下的隔声对比曲线，对于单层结构的护套过孔，每倍频程提高6 dB，且厚度增加一倍，隔声提高约6 dB；而双层结构比单层结构隔声高很多，每倍频程提高约18 dB，且随两层间隔距离增加一倍而提高6 dB。

图3 不同结构设计的过孔隔声量

因此，护套采用双层结构设计的过孔，能有效提高过孔的隔声。

2.3 零件隔声的整车SEA分析

2.3.1 前围过孔对整车噪声影响

根据整车SEA仿真计算结果，如图4，仿真与试验结果一致性较好，同时分析了有无过孔件状态时，车内前排驾驶员头部噪声差异，结果表明，前围各过孔对车内噪声影响很大，主要集中在1 kHz 以下低频和5 kHz以上高频段，其中800 Hz有3.7 dB差异，8 kHz有3.8 dB差异。

图4 车内噪声SEA仿真结果

这是由于过孔是单层结构设计且护套壁面较薄，低频隔声比较低，同时存在高频泄漏问题。

2.3.2 车内噪声改善分析

图5 不同方案对车内驾驶员头部噪声的影响

在整车SEA 模型中计算了60 km/h 工况下，不同方案对车内驾驶员头部噪声的影响，如图5(a)，前围隔声垫在不同覆盖率下与无隔声垫情况下车内声压级差值，在630 Hz，前围隔声垫全覆盖时车内噪声会降低3.8 dB，当前围钣金有90%隔声垫覆盖时，车内噪声会降低3.1 dB。因此，隔声垫能有效地改善车内噪声，同时要保证隔声垫覆盖率达到90 %以上。如图5(b)，不同的过孔设计状态与无过孔件时车内声压级差值，显而易见，过孔件的存在会使得车内噪声变大，因此，在设计过孔件时需要考虑其壁厚和结构。单层过孔护套由2 mm 增加至4 mm，车内噪声可以改善约1 dB；由单层2 mm 改为双层2 mm间距40 mm，车内噪声在800 Hz以上高频率，至少可以改善1 dB，500 Hz～630 Hz低频率段改善约2 dB。

3 设计优化

3.1 贡献量分析

根据声学包装特性，整车SEA 板件可分为前围系统和其它系统，包括玻璃窗、车门、顶棚、地板、轮罩等，这些系统都与车外存在能量交换，决定了车内的声能。考虑车外不同区域的板件，其声载荷分布也不同，Revamp 软件采用“开窗法”，即封堵其它所有板件，以各板件的隔声及板外部载荷为约束条件，依次计算出每组板对车内噪声能量贡献大小，得到各组板件对目标声腔的能量贡献占比。

SEA 模型中前围系统包括隔声垫和转向管柱、振动踏板、线束、HVAC膨胀阀、空调进风口等8个过孔。图6(a)为驾驶员头部声腔能量来源路径分析，在1 kHz 以下频率，前围系统占整车板件贡献量超过30%。对前围系统进行贡献量分析。

图6 驾驶员头部声腔能量来源路径分析

如图6(b)，过孔件对前围系统的贡献超过90%，问题过孔比较多，其中转向护套和线束过孔对前围系统贡献约50%，并存在高频泄漏。前围系统的隔声控制对整车噪声影响，主要问题就是对过孔件进行严格设计控制。

3.2 优化方案

在新车型开发阶段需要考虑，防火墙钣金、转向管柱部件与护套本体间的密封，对各过孔隔声性能设计进行严格控制，提供过孔件隔声优化设计方案。采用厚度大、克重高的护套材料和双层结构设计，提高前围隔声垫对过孔件周边覆盖率，减少前围过孔数量，提高过孔件的密封性。如图7，原样车转向管柱等过孔件设计，由能量传递路径可知，存在泄漏较大且隔声差的问题。

图7 过孔优化设计方案

对新车进行过孔的优化设计，可大幅度地降低透射系数，提高过孔件隔声量。新车过孔设计优化包括

(1) 结构优化，多采用双层结构设计；

(2) 数量优化，合并过孔，如左右线束两个过孔合成一个过孔，空调膨胀阀和水管过孔集成为一个过孔，油门和制动踏板集成为一个过孔；

(3) 减小过孔面积，增大前围零件对其覆盖。不同功能件过孔结构设计，在兼顾声学特性的前提下，要保证实现自身功能，因此诸过孔件设计都各具特点。

4 过孔隔声验证与控制

样车在道路试验中，对部分过孔件进行改进前后对比试验，以验证过孔对车内噪声的影响大小。并制作前围隔声工装，测试前围钣金，隔声垫及相关各过孔的隔声性能，针对较弱的隔声过孔进行优化提升，以提高整个前围系统组合隔声量。

4.1 整车路试

线束过孔由单层结构改为双层结构设计，之后分别对离合器过孔、空调进风口进行密封处理，从车内总声压级与语音清晰度两个方面进行比较，见表2，各过孔优化设计后，车内总体噪声改善情况。

表2 优化后的过孔对车内噪声改进

其中线束过孔对车内影响最大，原因是线束为单层结构设计，隔声量较低，同时存在装配后泄漏较大的问题，降低了前围系统整体的隔声量。如图8。

图8 车内驾驶员内耳声压级

图8为60 km/h 工况下，线束过孔改进前后的1/3 倍频程结果，优化方案在2.5 kHz 改善为4.1 dB，高频改善效果非常明显。

4.2 过孔隔声控制

过孔的隔声与隔声垫的覆盖率以及设计装配等引起的泄漏，对前围系统隔声影响非常大，尤其对高频影响愈加明显。因此，通过隔声窗试验来验证过孔、隔声垫的隔声性能设计方案，是控制和改进前围系统隔声的有效方法。

4.2.1 隔声窗试验

对前围隔声垫和过孔件进行隔声测试是保证整车声学性能的前提，是整车声学包开发过程中必要的环节，同时为寻找噪声问题来源做到有的放矢。

制作前围钣金工装，测试隔声垫与各过孔隔声量。前围系统的隔声是前围钣金和隔声垫与过孔件的组合隔声，如图9。

前围隔声垫在800 Hz 的隔声比全密封状态低3.1 dB；安装过孔件后，前围系统整体隔声在630 Hz下降3.2 dB，在8 kHz隔声降低达到15.1 dB。

4.2.2 测试结果分析

将钣金、隔声垫、过孔件的隔声测试结果，更新到SEA 模型中，验证前围系统隔声是否满足整车噪声水平要求，同时分析前围系统各过孔对车内噪声的贡献量，线束过孔更改为双层结构设计后，对车内噪声贡献量占前围系统仅7%，效果非常明显；其它各过孔件贡献在15%左右，基本上做到均等隔声设计效果，为设定零部件隔声目标奠定基础。

图9 前围系统隔声测试结果

5 结语

过孔件的隔声设计与声学包性能开发设计是一体的，需要考虑过孔对整车性能的影响，其设计过程需要借助SEA 模型，是仿真分析与试验高度结合，反复验证的过程。过孔的隔声性能设计是整车声学包开发过程中的重要环节，涵盖数据设计及其方案评审和试验验证。结合SEA 模型对其进行贡献量分析，可以优化提升过孔声学性能和改善车内噪声，同时对前围隔声垫与过孔零件隔声目标的设定也具有指导意义。