DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.008

黏弹性约束阻尼结构对车内噪声控制的应用

邢鹏^{1, 2}，卢炽华^{1, 2}，华林^{1, 2}，邓松^{1, 2}，苏卓宇^{1, 2}，杜松泽^{1, 2}

(1. 武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉，430070；

2. 武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉，430070)

摘要：针对车辆壳体振动辐射噪声，在安静、平坦的柏油路面上进行实验车基本噪声测试，通过对测试结果的分析确定车内主要轰鸣声的转速范围。建立统计能量分析模型进行能量传递路径分析，确定车内噪声的主要来源。从阻尼材料的应用角度出发，对比分析顶蓬不同部位铺设条状阻尼的减振效果。研究结果表明：将黏弹性约束阻尼敷设在顶蓬前部能够有效抑制顶蓬振动产生的辐射噪声。

关键词：能量传递路径；统计能量分析模型；顶蓬；黏弹性约束阻尼

中图分类号：U491.9⁺1          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)03-0763-08

Application of viscoelastic constrained damping structure to interior noise control of a car

XING Peng^{1, 2}, LU Chihua^{1, 2}, HUA Lin^{1, 2}, DENG Song^{1, 2}, SU Zhuoyu^{1, 2}, DU Songze^{1, 2}

(1. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, Wuhan University of Technology,

Wuhan 430070, China;

2. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan University of Technology,

Wuhan 430070, China)

Abstract: To determine the rotational speed range of the main noise radiation of structural vibration, the interior noise of a certain vehicle was tested in the quiet environment and on the smooth road. Then, the energy transfer path was investigated to seek out the main source of the interior noise based on the statistic energy analysis (SEA) model of the vehicle. The viscoelastic constrained damping material was laid on different positions of the roof to reduce the noise. The results show that laying the viscoelastic constrained damping on the front of the roof can effectively restrain the radiate noise from roof vibration.

Key words: energy transfer path; SEA model; roof; viscoelastic constrained damping

随着日益激烈的汽车市场竞争以及消费者对汽车性能要求的提高，汽车设计开始从以前单纯的驾驶性能向动力性能和乘坐舒适性的综合要求发展，汽车NVH(noise vibration and harshness)性能逐渐受到研究者和汽车厂商的关注。国内外汽车厂商在NVH领域投入大量的人力物力，针对不同型号车辆采取相应的减振降噪方法，不断提高自身车型的市场竞争力^[1]。国外一些汽车企业已经在NVH控制措施上取得了显著成绩，已经将NVH降噪控制措施广泛应用于汽车关键结构及零部件的设计中，在车身外形结构、传动系扭振等设计阶段充分考虑了车型的NVH性能，从根本上解决车辆的振动噪声问题^[2]。国内汽车行业也在该领域进行了大量的研究工作，陈书明^[3]建立某自主品牌轿车的统计能量分析模型，通过加载4种不同激励对车内噪声水平进行了分析；张瑾等^[4]在传统统计能量分析基础上，利用有限元方法计算结果进行了能量流分析；王家辉^[5]利用仿真与试验相结合，对某款新开发车型声学包项目进行了研究。尽管国内在噪声分析、预测与控制方面进行了大量的研究工作，但与国外相比仍然存在很大的差距。本文作者在不改变车型设计和生产工艺的情况下，首先对某款商用车进行试验测试，获得车内轰鸣声比较明显的转速范围。其次，建立某款商用车的仿真模型并对其进行能量传递路径分析，找到对车内噪声贡献较大的板件。最后，选择快捷、低耗的阻尼贴片对噪声贡献较大的板件设计不同的噪声控制方案，通过实车试验分析车内噪声的降低效果。

1  车内噪声试验与建模仿真

1.1  车内噪声测试与数据分析

在空旷、安静、笔直的柏油路面上，车窗紧闭、空调关闭，车辆以3挡和4挡急加速行驶，车内测量点选择驾驶员右耳处位置(如图1所示)，发动机转速由900 r/min加速至3 000 r/min，测得被试车驾驶员右耳处噪声数据，如图2所示。

从图2可以看出：在3挡和4挡急加速行驶时，1 000~2 000 r/min转速范围内，驾驶员右耳处的整体声压级偏高，在3挡1 100，1 700以及2 450 r/min以及4挡1 000和1 700 r/min处出现明显的噪声峰值，在行驶过程中表现为明显的轰鸣声。为探究各问题转速下车内噪声的主要来源，需要对车辆噪声传递路径进行分析，找到噪声贡献较大的主要板件^[6]。

图1  麦克风位置

Fig. 1  Location of microphone

图2  驾驶员右耳处声压级曲线

Fig. 2  Sound pressure level on driver’s right ear

1.2  整车SEA建模及仿真

划分子系统是建立统计能量分析模型中最重要的步骤，也是决定模型准确性的关键。因此车身结构按照模态数大于5的原则将整车划分成多个子系统^[7]，得到整车SEA模型，如图3所示。

在车内搭建临时板件分别建立驾驶员、副驾驶员以及中后排乘客处的头部、腰部、腿部多个车内声腔子系统，如图4所示。同时，利用搭建完成的SEA模型节点，在车外700~1 000 mm处搭建临时板件建立车外声腔子系统，用来模拟消声室空间结构，如图5所示。

图3  车身结构子系统

Fig. 3  Structural subsystem of body

图4  内声腔子系统

Fig. 4  Interior acoustic cavity subsystem

图5  外声腔子系统

Fig. 5  Exterior acoustic cavity subsystem

在实际道路行驶过程中，汽车处于无限边界的自由声场之中，车内所受的声载荷是由结构噪声和空气噪声综合作用的随机声载荷^[8-9]。加载后对所选工况进行整车模型的仿真计算。在研究频率范围内(50~4 000 Hz)，驾驶员右耳旁1/3倍频带声压级谱的预测结果如图6所示。从图6可以看出：仿真结果与实测结果变化趋势一致，当频率为630 Hz以上时，仿真值与实测值误差在2 dB以内，这说明建立的SEA仿真模型可靠有效。

图6  车内驾驶员右耳处声压级曲线

Fig. 6  Sound pressure level on driver’s right ear

2  能量传递路径分析

能量传递路径分析就是利用不同子系统对车内各处声腔声压级贡献不同的原理，来追踪车内噪声的主要传递路径，进而采取有效的减振降噪措施^[10]。在一定的频率范围内，以驾驶员头部声腔子系统为研究对象，进行能量传递路径分析，得到车内声腔能量的输入贡献柱状图如图7所示。

由图7可以看出：驾驶员头部声腔处的噪声能量输入主要来源于腰部声腔及顶蓬外声腔的激励，少量噪声通过仪表板、挡风玻璃等途径进入车内声腔。顶蓬处的噪声输入贡献了驾驶员头部声腔处绝大部分的噪声能量。另外，防火墙及车内前地板处的能量输入也是影响驾驶员头部噪声水平的原因之一。这主要是因为防火墙及前地板处的安装孔较多，造成车辆的气密性较差，这可以通过对安装孔进行密封性处理来阻断噪声的进入。然而这并不是车内噪声的主要影响因素，对顶蓬采取噪声控制措施才是解决车内噪声输入的关键。

3  阻尼试验结果与分析

通过能量传递路径的分析得知，该车型车内噪声主要来源于顶蓬的振动辐射，因此从薄板减振方面展开相关的试验研究，找出一种经济、快捷的方案抑制薄板振动，以达到车内减振降噪的效果^[11]。针对已经存在噪声问题的现有车型，最常用的方法是增加或者替换隔声和吸声材料，或者通过粘贴阻尼材料以增大结构阻尼损耗因子等方法来控制车内噪声，从而改善振源及车体之间的能量传递关系^[12]。目前，在抑制车身壁板振动领域，最常用方法即为阻尼减振处理。

3.1  阻尼减振机理

阻尼减振的基本原理是在振动过程中通过能量耗散而使系统逐渐恢复到稳态。在自由振动中，阻尼耗散的能量使幅值不断衰减；在受迫振动中，阻尼消耗干扰力对系统所作的功，限制了系统的振幅^[13]。假设某一单自由度系统在干扰力作用下，振动幅值为^[14]

图7  车内声腔能量传递路径柱状图

Fig. 7  Energy input contribution histogram of cavity

          (1)

式中：X为系统振动幅值；F₀为外力幅值；K为波数；和分别为干扰频率和系统固有频率；为系统阻尼损耗因子。当系统共振时，，最大幅值为

                (2)

由式(1)可以看出：系统的振动幅值与系统阻尼损耗因子有关。此次试验中采用的黏弹性阻尼除自身阻尼损耗因子的作用外，还会随板件振动产生拉伸变形及剪切变形来抑制板件振动。利用这一原理，可以在振动比较大的金属板件上敷设黏弹性阻尼材料以达到降噪效果。

复拉伸模量公式为

            (3)

式中：为复弹性模量；为储能拉伸模量，为复拉伸模量的实部；为耗能拉伸模量，复拉伸模量和阻尼损耗因子决定了黏弹性阻尼材料受到拉压变形时转变为热能的能量损耗。

同理，黏弹性阻尼材料的复剪切模量为

           (4)

其中：为复剪切模量；为储能剪切模量，为复剪切模量的实部；为耗能剪切模量，为复剪切模量的虚部，决定了黏弹性阻尼材料受到剪切变形时转变为热能的能量损耗。

黏弹性阻尼材料与金属板件结合构成约束阻尼结构是目前汽车降噪领域常采用的手段之一。约束阻尼相对于自由阻尼，由于受到一层金属约束板的抑制，使阻尼层产生很大的剪切变形而消耗更多的能量。在对某款商用车进行阻尼降噪设计时，选择的是表面有一层金属铝的约束阻尼结构。

3.2  阻尼降噪试验

从能量传递路径分析可知，驾驶员处的噪声主要来源于顶蓬，防火墙及前地板也是噪声贡献的来源。然而从对该车型的现场观察中发现，防火墙及前地板处90%以上的部位敷设了某些特定的隔声及吸声材料，假如再在防火墙及前地板处增加隔声或者吸声材料，降噪效果可能不明显。进一步研究发现，防火墙和前地板上安装的部件较多，工艺孔相对较多，气密性较差可能是噪声从防火墙及前地板输入的原因。因此，将噪声贡献较大的顶蓬作为试验对象，针对顶蓬降噪制定多种阻尼试验方案。

传统方法一般将块状阻尼铺设在需要降噪的部位，然而现实车身减振降噪设计过程中不但需要考虑减振降噪的要求还要考虑车身轻量化的具体需要，这就需要在减振降噪的过程中综合考虑车身结构设计和阻尼几何尺寸等设计因素^[15]。此次降噪试验选用条状阻尼，选择面密度为6 kg/m³，长×宽为960 mm×45 mm的黏弹性约束阻尼分别设计了3种方案，P1方案将黏弹性约束阻尼敷设在顶蓬前部；P2方案将黏弹性约束阻尼敷设在顶蓬中后部；P3方案将黏弹性约束阻尼敷设在整个顶蓬。在设置黏弹性约束条状阻尼间隔时，主要考虑到顶蓬有7根横梁，为避开横梁的位置，同时又保证敷设阻尼的位置为顶蓬薄弱处，条状阻尼之间的间隔距离为160 mm。

分别对3种方案进行道路测试，得到的试验数据如图8~10所示。

图8  顶蓬前部阻尼方案噪声试验结果

Fig. 8  Results of laying damping on the front of roof

图9  顶蓬中后部阻尼方案噪声试验结果

Fig. 9  Results of laying damping on the mid-rear of roof

从图8~10可以看出：在顶蓬铺设条形阻尼后，驾驶员右耳处的声压都有不同程度的下降，特别是3挡1 100 /min以及2 450 r/min附近都有明显的降低。其中，P2方案中，3挡1 090 r/min转速下驾驶员右耳处的声压由70.66 dB降为68.48 dB，降低了2.18 dB；P2方案在4挡1 100 r/min转速下驾驶员右耳处的声压由75.21 dB降为73.21 dB，降低了2 dB，其余转速下的噪声声压级曲线没有明显的变化。验证顶蓬全部敷设条状阻尼的降噪效果，并将其与P1和P2方案进行比较。顶蓬全部敷设条状阻尼的方案与前2种方案相比，驾驶员右耳处的噪声声压明显下降，其中在3挡时轰鸣声最为明显的1 100 r/min附近，噪声峰值最大下降1.93 dB，4挡1 100 r/min附近下降2.9 dB。引入降噪效率(增加的质量与降低的噪声强度之比)^[16]，3种方案的降噪效果如表1所示。

从表1可见：P1方案降噪效果比较理想。这是因为在顶蓬前部敷设黏弹性条状阻尼后明显增加了顶蓬的阻尼损耗因子，而对阻尼材料来说，是表征材料阻尼性能的主要参数，是衡量阻尼材料耗散振动能量的主要指标之一。从式(1)可以看出：的增大可以有效降低板件的振动幅值。同时，从式(3)和式(4)可以看出：随着阻尼损耗因子的增加，复拉伸模量及复剪切模量都相应的增加，使顶蓬处的振动能量转化为热能的效率提高，达到降噪的效果^[17-18]。

从噪声传递路径的分析可知，顶蓬前部相对于顶蓬中后部来说，振动幅值更大，P2方案将黏弹性条状阻尼敷设到顶蓬中后部，尽管增加了顶蓬的阻尼损耗因子，但对顶蓬薄弱位置的振动没有产生太大的影响。从表1可以看出：除在转速为1 100 r/min处有所降低外，其余噪声峰值处没有明显的变化，尤其在4挡急加速工况下，噪声峰值基本没有变化，降噪效果不理想。P3方案使顶蓬处的阻尼损耗因子增加，4挡1 100 r/min附近转速噪声降低明显，降低了2.9 dB，但整车质量增加了2.85 kg，无论从燃油经济性还是降噪效率上看都不是理想的降噪方案。虽然3种方案都不同程度地降低了车内噪声，但在1 100 r/min转速附近的噪声没有明显改善，降噪效果不理想。这是因为1 100 r/min转速时所对应的峰值与整车结构有关，仅从顶棚进行结构改进不能取得较好的降噪效果。

图10  顶蓬阻尼方案噪声试验结果

Fig. 10  Results of laying damping on whole roof

表1  3种方案降噪效果

Table 1  Effect of three plans for noise reduction

4  结论

1) 车身振动辐射噪声是车内噪声的重要来源，由能量传递路径分析可知，顶蓬为车内噪声贡献的主要板件。

2) 发动机转速在1 100，1 600以及2 450 r/min转速附近有明显的轰鸣声。

3) 在实车上采取敷设黏弹性条状阻尼的降噪措施，取得了较好的结果，其中以在顶蓬前部敷设条状阻尼结构效果最佳。同时，条状阻尼减振降噪方法在车内噪声控制的准确度上还有待进一步研究。

4) 由于黏弹性阻尼材料不仅受频率的影响，还受到温度的变化的影响，因此可以从温度方面对降噪效果再做进一步的探讨。

参考文献：

[1] 常振臣, 王登峰, 周淑辉, 等. 车内噪声控制技术研究现状及展望[J]. 吉林大学学报, 2002, 32(4): 86-90.

CHANG Zhenchen, WANG Dengfeng, ZHOU Shuhui, et al. The research on the developing situation and prospects of interior noise control technology[J]. Journal of Jilin University, 2002, 32(4): 86-90.

[2] 陈鑫, 王登峰, 马正东. SEA方法在车身声振设计中的应用[J]. 汽车技术, 2008(4): 13-17.

CHEN Xin, WANG Dengfeng, MA Zhengdong. Application of SEA method in body NVH design[J]. Automobile Technology, 2008(4): 13-17.

[3] 陈书明. 轿车中高频噪声预测与控制方法研究[D]. 吉林: 吉林大学汽车工程学院, 2011: 1-12.

CHEN Shuming. Research on prediction and control methods of automobile middle and high frequency noise[D]. Jilin: Jilin University. School of Automotive Engineering，2011: 1-12.

[4] 张瑾, 马兴瑞, 韩增尧, 等. 基于有限元的能量流分析方法研究[J]. 振动与冲击, 2012, 31(8): 47-51.

ZHANG Jin, MA Xingrui, HAN Zengyao, et al. Energy flow analysis based on finite element method[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(8): 47-51.

[5] 王家辉. 统计能量法在提高乘用车车内语音清晰度的应用研究[D]. 广州: 华南理工大学机械与汽车工程学院, 2015: 1-8.

WANG Jiahui. Application and research on improving vehicle interior speech intelligibility using SEA method[D]. Guangzhou: South China University of Technology. School of Mechanical and Automotive Engineering, 2015: 1-8.

[6] 白松, 徐新喜, 刘孝辉, 等. 车辆壁板声学贡献分析与降噪试验研究[J]. 振动与冲击, 2013, 32(24): 204-209.

BAI Song, XU Xinxi, LIU Xiaohui, et al. Vehicle panel acoustic contribution analysis and tests for noise reduction[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(24): 204-209.

[7] ZHANG Xiaoxuan, WU Xiangrang. Application research of statistical energy analysis on vehicle sound package[C]// Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress. Berlin: Springer, 2012: 502-507.

[8] 胡莹, 陈克安, 潘凯. 基于统计能量分析的飞机舱室降噪研究[J]. 噪声与振动控制, 2007(2): 65-68.

HU Ying, CHEN Kean, PAN Kai. Optimization design about plan cab in noise based on statistical energy analysis[J]. Journal of Noise and Vibration Control, 2007(2): 65-68.

[9] 扈西枝. 基于统计能量分析进行声学优化设计的技术研究[J]. 民用飞机设计与研究, 2010(3): 46-48.

HU Xizhi. Acoustic optimization about aircraft cab in noise based on statistical energy analysis method[J]. Civil Aircraft Design and Research, 2010(3): 46-48.

[10] 刘涛, 顾彦. 统计能量分析在汽车车内噪声分析中的应用[J]. 噪声与振动控制, 2006(2): 66-69.

LIU Tao, GU Yan. SEA application on vehicle interior noise analysis[J]. Journal of Noise and Vibration Control, 2006(2): 66-69.

[11] 周敬东. 周期阻尼薄板结构声辐射特性研究[D]. 十堰: 湖北工业大学机械制造及自动化学院, 2013: 19-49.

ZHOU Jingdong. Research on the sound radiation characteristic of the periodic damping plate structure[D]. Shiyan: Hubei University of Technology. School of Vehicle Engineering and Automation, 2013: 19-49.

[12] 范蓉平, 孟光, 荷才春, 等. 黏弹性阻尼材料降低列车车内噪声的试验研究[J]. 振动与冲击, 2008, 27(6): 123-127.

FAN Rongping, MENG Guang, HE Caichun, et al. The experimental study on viscoelastic damping materials to reduce interior noise of train[J]. Journal of Vibration and Shock, 2008, 27(6): 123-127.

[13] 王海涛, 彭洁. 阻尼材料减振性能的分析与研究[J]. 材料应用, 2013(8): 45-48.

WANG Haitao, PENG Jie. Analysis and research on the vibration control of damping material[J]. Material Application, 2013(8): 45-48.

[14] 孙天镭. 条形约束阻尼技术在高速艇减振降噪中的应用[J]. 舰船工程研究, 2001(3): 26-30.

SUN Tianlei. Application the stripe damping on the noise and vibration reduction of high-speed boats[J]. Journal of Vessel Engineering Research, 2001(3): 26-30.

[15] 焦映厚, 陈照波. 大型客车车身的阻尼减振降噪技术研究[J]. 振动与冲击, 2013, 32(6): 121-128.

JIAO Yinghou, CHEN Zhaobo. Vibration and noise damping technique for large bus body[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(6): 121-128.

[16] 陈鑫. 基于SEA方法的轿车车内噪声分析与控制研究[D]. 吉林: 吉林大学汽车工程学院, 2008: 41-84.

CHEN Xin. Research on analysis and control of car interior noise based on SEA method[D]. Jilin: Jinlin University. School of Vehicle Engineering, 2008: 41-84.

[17] LEPOITTEVIN G, KRESS G. Optimization of segmented constrained layer damping with mathematical programming using strain energy analysis and modal data[J]. Materials and Design, 2010, 31(1): 14-24.

[18] 李登, 陆秋海. 局部约束阻尼层铺设的优化设计[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2011, 51(12): 1877-1881.

LI Deng, LU Qiuhai. Optimal design for partial constrained layer damping[J]. Journal of Tsinghua University (Sci & Tech), 2011, 51(12): 1877-1881.

(编辑  赵俊)

收稿日期：2015-03-05；修回日期：2015-06-15

基金项目(Foundation item)：教育部创新团队发展计划项目(IRT13087) (Project(IRT13087) supported by the Innovative Research Team in Ministry of Education)

通信作者：华林，博士，教授，博士生导师，从事振动噪声研究；E-mail: xingpeng0634@126.com