基于統計能量方法的電動汽車高頻噪聲分析

郝耀東 李洪亮 冷永剛 顧燦松 董俊紅

摘 ?要：相對于傳統動力汽車，高頻噪聲是電動汽車主要的NVH問題，而統計能量方法是目前解決高頻問題的主要手段。文章以某電動車為例，對其車內高頻噪聲問題進行了研究，首先建立了電動車的整車統計能量模型，進行了聲學包裝零件吸聲、隔聲性能測試，對車輛加速的工況下的聲載荷進行了測試，將聲載荷測試結果加載至整車模型中，實現了車內高頻噪聲的計算。計算結果與試驗測試結果對比表明，文章提出的方法可以較好的進行電動汽車車內高頻噪聲分析。

關鍵詞：電動汽車;車內噪聲;高頻;統計能量方法

中圖分類號：U463.2 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）24-0011-03

Abstract： Compared with traditional power vehicles， high frequency noise is the main NVH problem of electric vehicles， and the Statistical Energy Analysis is the main method adopted to solve the high frequency problem. This paper takes an electric vehicle as an example to study the problem of high-frequency interior noise of the vehicle. Firstly， the statistical energy model of the electric vehicle was established， and the sound absorption and sound insulation performance of the acoustic packaging parts were tested. The acoustic load of the vehicle under the condition of acceleration was tested， and the acoustic load test results were loaded into the vehicle model to calculate the high frequency noise inside the vehicle. The comparison between the calculation results and the test results shows that the method proposed in this paper can be used to analyze the high frequency noise in electric vehicles.

Keywords： electric mobile; interior noise; high frequency; statistical energy analysis

引言

伴隨著全球能源（特別是石油資源）危機、環境污染問題的日益嚴重，在汽車行業政策的推動下，新能源汽車快速發展。相對于傳統的內燃機車，新能源汽車車內高頻噪聲問題更加突出。沒有了發動機噪聲及其掩蔽效應，一些噪聲源如電動機/發電機、其他電子器件及輔助設備所產生的噪聲便凸顯出來，雖然車內噪聲整體水平低于傳統內燃機車，但是電動汽車車內會產生大量的令人煩擾的高頻噪聲，給駕乘人員帶來不一樣的主觀感受[1]。因此，行業關注點向高頻區域轉移，針對車內高頻噪聲控制及優化技術日益引起各大汽車廠商、科研單位的重視。車內聲學性能是汽車舒適性最重要的組成部分之一，根據頻率的高低，可以分為低頻問題（20～200Hz）、中頻問題（200～500Hz）和高頻問題（>500Hz）。其中，不同于解決中低頻問題的有限元方法和邊界元方法，國際上普遍采用統計能量方法（SEA）進行高頻噪聲問題的分析和計算。

統計能量分析（Statistical Energy Analysis，SEA）方法是目前解決高頻噪聲問題的一種有效方法[2-4]。2001年，王震坡等人介紹了建立汽車SEA模型的方法和國產，并對兩款車型駕駛艙的噪聲特性進行了預測和對比[5]。2009年，吉林大學的王登峰[6]等人建立了某國產車型的SEA模型，分析預測了車內噪聲的1/3倍頻程頻譜，并與試驗結果進行了比較。賀巖松[7]等人研究了內損耗因子的變化對SEA子系統間能量傳遞的影響，使用三種不同的方案添加阻尼材料，預測了駕駛員頭部聲腔聲壓級的變化趨勢。

本文首先建立了整車統計能量模型，包括結構子系統、聲腔子系統、聲學包裝以及子系統之間的連接。其次，并根據試驗結果對聲學包裝的吸聲性能和隔聲性能進行了定義。再次，對勻速工況和加速工況下車輛聲載荷進行了測試。最后，將聲載荷測試結果加載至整車模型上，進行了車內高頻噪聲分析，并將分析結果與試驗結果進行了對比。

1 整車統計能量模型建立

將整車有限元模型導入VA One軟件中，劃分子系統，選擇能夠描述子系統形狀特征的節點，簡化子系統模型，創建子系統SEA模型。建立好的整車結構子系統SEA模型如圖1，共包括1172個平板子系統。

根據車身結構及車內空間分布，建立車內車外聲腔子系統，檢查并修正車內外聲腔子系統。為了準確的分析聲音的傳遞路徑和能量傳遞，根據座椅的位置將樣車車內聲腔劃分為前排、二排、后備箱三部分，坐標平面XZ把聲腔再次劃分成左右兩部。為了能更準確反映駕駛員頭部能量變化和能量傳導路徑，將前排、二排、后備箱聲腔劃分為上中下三層，分別對應頭部、胸部、腿部空間。建立車內聲腔SEA模型如圖2所示，共包含80個聲腔子系統。

在外聲腔周圍增加5個半無限流體，并與外聲腔連接。結構子系統和聲腔子系統建立后，通過VA One軟件的自動連接功能將各子系統連接。

將各個子系統進行連接，完成整車模型的創建，包括板件與板件之間，板件與聲腔之間，聲腔與聲腔之間，保證能量在各子系統之間的傳遞。

根據整車板件結構屬性和聲學包的物理屬性，將相應的物理屬性賦予板件，并將聲學包性能賦予對應結構子系統。子系統參數的定義包括車身結構鈑金材料屬性定義（材料彈性模量、泊松比、密度、結構厚度）、聲腔特性定義、聲包材吸聲系數、插入損失及子系統的模態密度、內損耗因子等。其中，聲學包材料的吸聲系數和插入損失需要通過試驗測試的方法獲得。

整車SEA模型的準確性是進行聲學包優化設計的前提，為了使整車SEA模型更加完善、車內噪聲預測結果更為準確，測量了車內聲學包裝材料的吸隔聲特性，并將其加入到所研究的整車SEA模型中。

2 聲學包吸隔聲性能定義

整車SEA模型的準確性是進行聲學包優化設計的前提，為了使整車SEA模型更加完善、車內噪聲預測結果更為準確，測量了車內聲學包裝材料的吸隔聲特性，并將其加入到所研究的整車SEA模型中。

對防火墻、地板、行李箱地板等主要車身部件的聲學包材料，在體積為9m3的混響室內進行了吸聲測試，其中測試樣件的尺寸為1m*1.2m，如圖3所示。

采用聲強法在由相連的混響室、消聲室構成的測試環境中進行部件隔聲性能試驗。試驗過程中，在混響室（聲源室）窗口右側墻角處放置無指向聲源，在離窗口1米的距離處放置4個聲壓傳感器測量混響室的平均聲壓級。其中，4個傳聲器間距為30cm，第一個傳聲器與左側墻壁距離為195cm，傳聲器布置高度從左到右依次為150cm，160cm，170cm，180cm。在消聲室內安裝聲強探頭，測量試件測量面的平均法向聲強級，需要強調的是消聲室內各測點分布在一個假想的、將測試樣件覆蓋的半球形包絡面上。對防火墻、地板、行李箱地板、前車門、后車門等主要車身部件鈑金及粘附聲包材料后進行了隔聲量測試，如圖4所示。

將試驗測得的聲學包零件的吸聲系數曲線和插入損失曲線定義至整車SEA模型中。

3 聲載荷測試

傳對所研究樣車進行整車聲載荷測試，以獲取不同工況下車身外側聲激勵分布與車內噪聲響應，從而為整車SEA模型車內聲響應預測提供載荷輸入，通過SEA模型預測聲響應結果與試驗結果對比，就可以驗證整車SEA模型的準確性。

根據噪聲載荷分布特點和車身結構SEA子系統劃分規則，將車身劃分為不同的聲腔。然后將麥克風布置于車身各區域表面，每個區域布置不少于3個傳聲器，與車身之間的距離為5cm。聲載荷測試時過程中麥克風布置如圖5所示。

在整車半消聲室轉鼓上進行聲載荷測試，采用兩驅轉鼓，轉鼓面選擇標準噪聲路面。通過數據采集前端和傳聲器，分別記錄怠速、加速、勻速工況下車輛各測點位置傳聲器的聲壓級。對處于同一聲腔中的傳聲器測試數據進行能量平均，計算得到的數據即為對應聲腔位置的聲載荷數據。

4 車內高頻噪聲分析與對標

通過建立好的整車SEA模型，計算將全負荷加速WOT工況下的車內噪聲，轉速變換范圍為1000～8000rpm。切片提取5000rpm工況下測得的車身外表面的聲壓數據施加于整車SEA模型對應的外聲腔空間子系統。聲載荷通過面連接向車內傳遞引起車內聲響應，進行車內噪聲響應分析，并與試驗結果進行對標，如圖6所示。由圖6可知，基于SEA模型的駕駛員右耳旁1/3倍頻帶聲壓級譜的預測結果與試驗結果整體趨勢一致，誤差可控制在3dB以內，具有較高的精度。

5 結論

本文采用統計能量方法對電動汽車車內高頻噪聲進行了分析。建立了整車SEA模型，通過吸聲系數試驗和插入損失試驗測量了聲學包的吸隔聲特性;在整車SEA模型中加載測試得到的聲載荷激勵，實現了整車高頻噪聲的計算。仿真和試驗結果對比表面，本文建立的整車SEA模型具有較高的準確性，可以較為精確實現車內高頻噪聲的計算。

參考文獻：

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動：理論與應用[M].北京理工大學出版社，2006.

[2]劉濤，顧彥，等.統計能量分析在汽車車內噪聲分析中的應用[J].噪聲與振動控制，2006，26（2）：66-69.

[3]Chadwyck Musser.Prediction of Vehicle Interior Sound Pressure Distribution with SEA[C].SAE Paper，2011.

[4]Liangyu Huang，Pamkumar Krishnan. Development of a luxury vehicle acoustic package using SEA full vehicle model[C]. SAE Paper，2003.

[5]王震坡，何洪文.統計能量方法用于汽車振動噪聲的分析研究[J].汽車科技，2001（6）：10-12.

[6]王登峰，陳書明，曲偉，等.車內噪聲統計能量分析預測與試驗[J].吉林大學學報（工），2009（s1）：68-73.

[7]賀巖松，張輝，等.基于FE-SEA混合法的車身板件降噪分析[J].振動與沖擊，2016，35（23）：234-240.