概述

在現代卡車項目中，用戶設立了兩個目標，一是在保持成本不變的前提下，優化聲學包，降低車內聲壓級，二是在保持車內聲學水平不變的前提下，降低聲學包成本。Sound Answers公司（于2015年被Brüel & Kj?r公司收購）在項目中負責試驗部分，分析車內空氣聲貢獻（Airborne Contribution）和聲源能量，對ESI公司的SEA模型進行驗證。經過驗證后，由ESI公司進行聲學包優化設計，實現現代卡車的技術目標。

SEA仿真分析

統計能量分析方法（SEA，Statistical Energy Analysis）是基于系統中的能量守恒定律，適合分析中高頻（頻帶內模態數>3）振動聲學的最重要分析方法。通過創建統計能量分析SEA整車空氣聲模型，可以在滿足精度的條件下，快速方便地分析及優化卡車的整車聲學包，指導聲學包性能開發和設計。卡車的整車SEA模型被分為：（a）SEA結構子系統，（b）SEA聲腔子系統，（c）子系統間的連接。SEA結構子系統代表子系統具備存儲動能的能力，包括了頂棚、地板、前圍等物理部件。車內內部空間和與車身面板接觸的周圍外部空氣體被創建為SEA聲腔子系統，聲腔子系統用于存儲聲能量。子系統間的連接表示能量從一個子系統到另一個子系統的傳遞。SEA子系統通過連接交換能量，主要有三類連接：結構子系統間的線連接和點連接，聲腔子系統間或結構子系統和聲腔子系統間的面連接。SEA為每個子系統建立功率流平衡方程，考慮外部激勵的輸入功率、子系統間的傳遞功率以及每個子系統中自身耗散的功率。耗散的功率關鍵取決于子系統的阻尼損耗因子，由用戶定義或根據材料計算。

圖1 現代卡車測試車輛

整車SEA模型創建

此項目使用了法國ESI集團的VA One商用軟件，主要對車內車外空氣聲傳遞路徑進行了建模分析。整車SEA建模流程如圖2所示。VA One中的建模過程從導入CAD模型或有限元（FE）模型開始。導入的有限元模型包含主要的整車結構部件及內外飾結構部件，主要用于創建結構SEA板。通常，使用結構SEA板只創建一半的模型，即駕駛員側或副駕側。將SEA結構子系統劃分為多個SEA板是根據每個板的相同材料屬性要求和系統的不連續性來確定的。作為一般準則，為了確保SEA假設的有效性，子系統盡量滿足每個頻帶內至少3個模態數的要求。

一半的整車SEA結構子系統創建后，會在對稱平面，車內空間和車外側創建附加的輔助SEA板，它們將用于將大聲腔劃分為多個小聲腔。大部分SEA板都是平板，另外單曲率板或雙曲率板用于考慮具有曲率面板的零部件，例如擋風玻璃或輪罩等。一旦創建了全部的結構SEA板，就會使用內置插件腳本程序來生成全部的聲腔。最后全部聲腔生成后，這些輔助SEA板需要被刪除。通常情況下，車內空間被分為多個車內聲腔，例如每個座位分為頭部聲腔和腰部聲腔。駕駛室外部會增加一層或多層聲腔，用以仿真聲音在車輛周圍的傳播。外部聲腔的自由面與SEA半無限流體（SIF，Semi-Infinite Fluids）相連。SIF是代表聲能量的匯聚，可表示為噪聲在自由場中的傳播。

整車SEA板及聲腔生成后可以自動生成連接Junction并進行連接的檢查，這些連接代表子系統間能量的傳遞。SEA子系統創建后，將需要定義其結構類型（均一結構、復材結構、三明治結構或一般夾層結構）和對應的材料屬性。

接下來，在SEA板或聲腔面上定義聲學包材料，定義過孔件的傳遞損失，泄漏的類型及尺寸。聲學包材料在VA One中可以定義為噪聲控制處理（NCT，Noise Control Treatment）。噪聲控制處理提供了消除或減少噪聲和振動的功能。對于結構子系統SEA板，NCT對SEA板提供了阻尼減振的作用，而對于聲腔，NCT主要用于吸收降低噪聲能量。這些NCT有多層，每層可以由多孔彈性材料組成，如發泡海綿和玻璃棉。具有挑戰性的任務是測量/估算這些多孔材料的BIOT性能參數。為了估計BIOT性能參數，將車輛的整個聲學包NCT拆解，然后進行裁剪，制作用于阻抗管測試的樣本，接下來在阻抗管中測量樣本的法向入射吸聲系數，最后在FOAM-X軟件中使用這些吸聲系數間接反推多孔材料的BIOT性能參數。此項目中中型卡車的聲學包NCT分為五大子系統：（1）中地板（2）側地板（3）頂棚（4）側圍和后圍飾件（5）發動機隔音墊。

圖2 整車SEA模型建模流程

最后，定義整車的空氣聲載荷，包括人工激勵測試載荷和實際工況載荷，見表1。測試得到的聲載荷被定義為聲功率譜。在SEA模型中，聲載荷作為聲功率譜被加載在卡車駕駛室的外部聲腔上。聲功率譜是基于源路徑貢獻（SPC）模型生成的。源路徑貢獻（SPC）是一種試驗技術，允許將目標位置處的噪聲或聲壓級分解為每個噪聲和/或振動源的單獨貢獻。這是一種估算聲源強度的間接方法。在底盤測功機上進行了多種條件下的測量，包括怠速和勻速80千米/小時。

表1 整車工況載荷測試

試驗驗證

基于仿真推薦的建議方案已得到試驗驗證。卡車上使用的原始材料無法用于驗證測試。在缺乏原始材料的情況下，為了實現改變發泡海綿層和纖維層的厚度的優化方案，使用“現成”材料。對于這些特殊材料，再次使用了BIOT性能參數，并將其應用于VA One模型中。利用這些更新的材料參數，可以預測車內聲壓級SPL，并將其與測試結果進行了對比。對于目標2，NCT的覆蓋范圍與基礎車相同。VA One仿真結果表明，在降低聲學包成本的同時，保持了頭部空間聲壓級不變。通過測試驗證，當厚度更新為目標2的建議厚度時，頭部空間總聲壓級沒有變化。因此，可以驗證基于 VA One的優化建議可以實現目標2。

關于ESI

ESI集團隸屬于Keysight Technologies（是德科技），以預測物理建模和虛擬原型專業技術為基礎，提供可靠的定制解決方案。ESI軟件主要應用于汽車、陸地運輸、航空航天、國防和重工業領域，使工程師能夠模擬機械設計、智能制造流程和以人為本的工作流程，從而在產品生命周期的早期做出更好的決策。

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