史繼霞 于淼 鄧建交 安孝文 趙偉

史繼霞

畢業(yè)于吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院，工學(xué)碩士學(xué)歷，現(xiàn)就職于中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，任高級(jí)工程師，主要研究方向：汽車振動(dòng)與噪聲、NVH仿真分析。

摘要：某電動(dòng)車定置ready狀態(tài)，踩踏制動(dòng)踏板后，車內(nèi)有明顯真空泵的階次噪聲。為解決該階次噪聲，采用隔聲罩結(jié)構(gòu)以降低車內(nèi)階次噪聲。由于隔聲罩結(jié)構(gòu)涉及隨形、散熱、隔聲效率等方面的要求，本文運(yùn)用邊界元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及隔聲分析，按照優(yōu)化分析方法設(shè)計(jì)相應(yīng)的隔聲罩，實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果，車內(nèi)階次噪聲消失，達(dá)到了降噪目的。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;隔聲罩;邊界元;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;CAE;輻射噪聲

中圖分類號(hào)：TU112.59+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（ 2021） 06-0043-04 Resolution of Vacuum Pump Noise Issue for an Electric Vehicle

SHI Jj_xia l.2， YU Miao l.2， DENG Jian-jiao"2， AN Xiao_wen 1.2， ZHAO Wei1.2

（ 1.China First Automobile Group Co.， Ltd. Chang Chun 130011， China

2.Automobile Vibration and Noise &Safety control Chang Chun 130011， China）

Abstract： When the brake pedal is pressed in the "ready" status，a noise issue surfacesduring the design verification of an electric vehicle program. It is determined that the issue isoriginated from the order noise of the vacuum pump. In order to resolve the issue， an acousticenclosure for the vacuum pump is proposed. The designed enclosure should reduce the noiseto meet the NVH target， and in the meantime must satisfy the requirements of package andheat dissipation. This work uses the boundary element method to optimize the structure andevaluate the efficiency of the sound reduction. Based on the results of the analysis， the designof the enclosure is carried out. After the implementation of the enclosure， the noise issue inthe vehicle is resolved successfully.

Key Words： Electric Vehicle; Acoustical Enclosure; Bem; Structural Optimization; CAE;Radiated Noise

純電動(dòng)汽車是未來汽車發(fā)展的趨勢(shì)，相比傳統(tǒng)車在振動(dòng)噪聲方面存在較大差異。由于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的掩蔽效應(yīng)，真空泵等電器附件的振動(dòng)噪聲在靜置時(shí)非常明顯，影響駕乘舒適度，引起用戶抱怨，因此研究如何控制真空泵的振動(dòng)噪盧尤其重要。

控制噪聲的途徑主要是對(duì)源一路徑一響應(yīng)的控制[2]。對(duì)于真空泵本身噪聲，增加葉片、旋轉(zhuǎn)器和泵環(huán)的制造精度和潤滑水平，增加泵本體隔聲零件的材料密度、阻尼，合理優(yōu)化前置消音器，提升電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性等措施可降低本身噪聲[1]。但從整車NVH控制和產(chǎn)品開發(fā)的角度考慮，若未能在前期選型階段選出滿足要求的真空泵，后期會(huì)因控制該噪聲，而增加成本、周期，甚至為某些方案妥協(xié)，而影響車輛性能[3]。

對(duì)于真空泵傳遞路徑的控制，常常使用隔聲罩，是噪聲控制設(shè)計(jì)中最常用的隔聲部件，能減少聲源向周圍的聲輻射。本文運(yùn)用邊界元方法進(jìn)行隔聲罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化及隔聲分析，按照優(yōu)化分析方法設(shè)計(jì)相應(yīng)的隔聲罩，實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果，車內(nèi)階次噪聲消失，達(dá)到了降噪目的[4-5]。

1 隔聲罩隔聲原理

結(jié)構(gòu)隔聲原理如圖1所示，入射聲波到達(dá)結(jié)構(gòu)表面，一部分反射回去，一部分被內(nèi)部結(jié)構(gòu)吸收轉(zhuǎn)化為熱能，其余部分透射過去。根據(jù)質(zhì)量定律，聲波垂直入射時(shí)，隔聲量TL可以利用公式（1）來計(jì)算：

TL= lOlog

（1）

式中：W為圓頻率，單位：Hz;m為單位面積重量，單位：kg/m2;p為空氣密度，單位：kg/m3，（空氣密度采用室溫、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的值作為參考值：1.22skg/m3）;c為聲速，單位m/s（聲速采用室溫、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的值作為參考值：340ni/s）;f聲音頻率，單位：Hz。

當(dāng)聲波隨機(jī)入射到結(jié)構(gòu)面上時(shí)，其隔聲量TL（見公式2）為：

T/=

（2）

隔聲量表示隔聲罩本身固有的隔聲能力，通常在符合規(guī)范要求的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。不具備實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，可以通過計(jì)算輻射噪聲與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

2 問題來源分析

某電動(dòng)車置于整車半消聲室內(nèi)，定置狀態(tài)，駕駛員深踩制動(dòng)踏板，直至真空泵開始工作，駕駛艙內(nèi)有明顯真空泵嘯叫噪聲，聲品質(zhì)差，主觀評(píng)價(jià)不可接受。通過試驗(yàn)采集車內(nèi)噪聲，并進(jìn)行頻譜分析，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)和駕駛艙內(nèi)噪聲頻譜

從圖2中可以看到駕駛艙內(nèi)600Hz和1200Hz的窄帶噪聲非常突出。經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)該真空泵采用8葉片、雙腔的葉片模式，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，基頻激勵(lì)引起8階噪聲。分析圖2頻譜結(jié)果可知駕駛艙內(nèi)噪聲主要是真空泵的一階和二階激勵(lì)引起，也就是600Hz和1200Hz的窄帶噪聲，該噪聲主觀評(píng)價(jià)時(shí)不可接受，必須解決。從控制噪聲的途徑：源一路徑一響應(yīng)一一考慮，由于該電動(dòng)車已上市，真空泵已選定，若控制該噪聲源泵體噪聲，無論是更改結(jié)構(gòu)或重新選擇泵都會(huì)大幅增加成本和周期，不滿足生產(chǎn)要求。從傳遞路徑考慮，真空泵噪聲主要通過隔聲罩、前圍傳遞到駕駛艙，前圍的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試制成本高，周期長，綜合考慮周期與成本等問題，對(duì)該隔聲罩進(jìn)行優(yōu)化控制。若通過試驗(yàn)進(jìn)行隔聲罩結(jié)構(gòu)試制，試驗(yàn)驗(yàn)證周期長，成本高。通過CAE計(jì)算分析手段可快速優(yōu)化隔聲罩結(jié)構(gòu)，節(jié)約開發(fā)時(shí)間和成本。

本文利用西門子Simcenter 3D軟件中Acoustics模塊的邊界元法進(jìn)行輻射噪聲計(jì)算，基本思想是將實(shí)際的結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散并滿足相應(yīng)的邊界條件、初始條件和物理方程，把區(qū)域內(nèi)的微分方程變?yōu)檫吔缟系姆e分方程，將邊界積分方程所定義的控制方程差值離散進(jìn)行求解。用數(shù)值分析方法計(jì)算噪聲輻射，最突出的優(yōu)點(diǎn)是不受隔聲結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料特性限制，求得各場點(diǎn)的聲壓問題[4-5]。

綜上，利用CAE手段進(jìn)行真空泵隔聲罩輻射噪聲計(jì)算與優(yōu)化是有效解決該問題的途徑。

3 仿真計(jì)算

3.1 模型建立

真空泵與隔聲罩實(shí)際布置見圖3。建模時(shí)不考慮隔聲罩周邊其他部件對(duì)輻射噪聲的影響。

利用軟件建立單層隔聲罩2維模型。將該噪聲源簡化為點(diǎn)聲源，聲源位于泵體上部三分之一處。點(diǎn)聲源聲壓利用試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果，測(cè)量點(diǎn)為真空泵近場，頻譜見圖2。

隔聲罩內(nèi)部敷有隔音材料，計(jì)算時(shí)考慮到隔音材料的影響，需要其阻抗數(shù)據(jù)，阻抗特性利用阻抗管法在試驗(yàn)室測(cè)得，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖4。

真空泵噪聲向車內(nèi)傳遞時(shí)由于有發(fā)動(dòng)機(jī)艙、駕駛艙等的影響，在優(yōu)化隔聲罩結(jié)構(gòu)時(shí)，主要考慮解決600Hz噪聲問題，進(jìn)行真空泵周圍一米遠(yuǎn)場點(diǎn)的噪聲計(jì)算，隔聲罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化以達(dá)到場點(diǎn)聲壓最小，真空泵、隔聲罩及場點(diǎn)計(jì)算模型見圖5。

3.2 計(jì)算結(jié)果

圖6為真空泵計(jì)算場點(diǎn)聲壓與車內(nèi)測(cè)量聲壓的頻譜對(duì)比，圖中主要階次頻率吻合很好，有很好的相關(guān)性，認(rèn)為計(jì)算有較高的可行性，可通過優(yōu)化隔聲罩結(jié)構(gòu)來達(dá)到降低600Hz噪聲的目的。

圖7為真空泵本體噪聲與Im遠(yuǎn)場點(diǎn)噪聲頻譜結(jié)果對(duì)比，從圖中可看出在使用隔聲罩后輻射噪聲在整個(gè)頻率段上均有不同程度的減小，但是600Hz與1200Hz頻率噪聲依然很明顯，尤其是600Hz峰值未明顯減小。

3.3 優(yōu)化后隔聲罩計(jì)算分析

研究表明，圓柱形或曲面結(jié)構(gòu)相比方形結(jié)構(gòu)，因其較好的結(jié)構(gòu)剛度，往往具有更好的低頻隔聲特性[2]。并且方形平行罩壁，更有可能在空腔內(nèi)形成駐波效應(yīng)，使隔聲量在某頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)低谷。

同時(shí)為壓縮隔聲罩體積，降低噪聲輻射面積，其形狀應(yīng)與該聲源裝置的輪廓相似，盡可能貼近聲源表面，但要同時(shí)滿足檢修監(jiān)測(cè)方便、通風(fēng)良好等的要求。

由于實(shí)車該隔聲罩覆蓋率僅為60%，隔聲效果不能滿足要求，需對(duì)隔聲罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。因?yàn)楦袈曊蛛x聲源本體越近越好，圓柱體比長方體隔音效果要好，綜合通風(fēng)與線束因素考慮，新設(shè)計(jì)隔聲罩結(jié)構(gòu)如圖8所示。

對(duì)該結(jié)構(gòu)隔聲罩結(jié)構(gòu)采用邊界元法進(jìn)行輻射噪聲計(jì)算，場點(diǎn)聲壓級(jí)與真空泵本體噪聲聲壓級(jí)對(duì)比結(jié)果見圖9，聲源聲壓級(jí)、原隔聲罩場點(diǎn)聲壓級(jí)、優(yōu)化后隔聲罩場點(diǎn)聲壓級(jí)結(jié)果對(duì)比結(jié)果見圖10。如圖所示，600Hz附近噪聲顯著降低，滿足工程要求。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化方案試制件裝車試驗(yàn)，車內(nèi)噪聲頻譜如圖11所示。優(yōu)化后隔聲罩相較于原狀態(tài)，600Hz和1200Hz噪聲分別下降8dB （A）、12 dB（ A）。1200Hz噪聲下降更明顯的原因是仿真計(jì)算分析時(shí)未考慮實(shí)車防火墻等隔吸聲材料的影響，實(shí)車測(cè)量時(shí)隔吸聲材料對(duì)高頻段噪聲作用更大，1200Hz噪聲下降更明顯。優(yōu)化方案試制件裝車后主觀評(píng)價(jià)車內(nèi)真空泵噪聲較為低沉，在整車半消聲室內(nèi)能察覺輕微噪聲，室外環(huán)境下無法察覺該噪聲。達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，滿足NVH性能開發(fā)要求。

4 結(jié)束語

對(duì)某電動(dòng)汽車真空泵噪聲進(jìn)行測(cè)試分析，車內(nèi)有明顯的600Hz噪聲，為真空泵工作時(shí)的一階噪聲，主觀評(píng)價(jià)不可接受。通過原車隔聲罩試驗(yàn)分析，車內(nèi)600Hz噪聲隔離效果不明顯，需要對(duì)隔聲罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

通過隔聲罩結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化，有效隔離并降低了真空泵600Hz的輻射噪聲，車內(nèi)一階噪聲降低8dB （A）。主觀評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲得到明顯改變，優(yōu)化方案和結(jié)果得到采用。

利用邊界元法可快速診斷分析結(jié)構(gòu)的輻射噪聲，對(duì)隔聲罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲，快速診斷產(chǎn)品噪聲問題，節(jié)約增效具有十分重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]新能源汽車：尹治國.純電動(dòng)物流車的真空泵噪音解決方案[A].2018年第7期，16-19.

[2]振動(dòng)與噪聲控制：廉晶晶，張杰，楊柳青，等電動(dòng)車制動(dòng)真空泵對(duì)車內(nèi)噪聲影響機(jī)制分析[J].2019 39（2）：110 -117.

[3]1ntemational Journal of Vehicle Noise and Vibration：NASR M. Noise signatures of brake vacuum boosterand their acoustic treatment[J]. 2011， （7）：51-67.

[4]汽車技術(shù)：袁正萍等，動(dòng)力總成隔聲罩對(duì)車外噪聲影響仿真分析[A].2018年.

[5]學(xué)位論文：李娜.小型發(fā)電機(jī)組隔聲罩隔聲性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].天津：天津大學(xué)，2013年.

專家推薦語

康潤程

襄陽達(dá)安汽車檢測(cè)中心有限公司

NVH專業(yè)副總師 研究員級(jí)高級(jí)工程師

全文結(jié)構(gòu)完整，論據(jù)可靠，結(jié)論正確，有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。