普信AM⑫电动汽车轻量化声学包装处理：设计、测试与仿真。

与传统汽车相比，在电动车研制过程中，NVH性能工程师在高频噪声（电机高速运行噪声、风噪声和轮胎噪声等）领域面临着很多的问题与挑战。要解决高频噪声问题，通常需要采用性能优越的声学材料零件，也就是声学包产品。汽车声学包是指和汽车NVH有关的各类吸隔音部件的总和，主要指的是汽车内饰件，且具有隔声、吸声特性等，如前围隔音隔热垫、顶棚、地毯等。对于声学包零部件，最为重要的性能就是其吸隔音性能，即要求材料在宽频带范围内隔音和吸音性能要好，且隔音性能长期稳定且可靠。

电池带来巨大附加重量（根据续航能力和采用电池的不同，大约在300kg到500kg不等），但是法规对能耗利用率的要求越来越严苛，电动车开发过程中的轻量化设计压力巨大，任何增加车身重量的零件都需要经过反复的优化设计，以减小车辆的总质量，提高车辆运行过程中的能量利用率，增加车辆的续航里程。NVH性能工程师在有效采集和分析声学包材料特性参数的基础上，对每个声学零件进行优化设计，让每一克的零件都发挥出最大的功效，保证车辆的NVH性能不受影响。

导读：如今，技术发展已迅速改变了汽车世界。车辆制造商愿意制造重量轻、舒适且对传统燃料的依赖性较小的车辆。当发生这种类型的转变时，总是需要新材料和新技术。随着市场从传统的化石燃料转向新能源汽车（HEV/PHEV/EV或BEV），对新型轻质声音包装的需求也将迅速增长。在过去甚至今天，大多数车辆都依靠经典的声学包装处理，这不仅重量重，而且存在环境污染问题。从常规燃料源到非常规燃料源的这种转换对声学包装制造商来说是有利的也是很合适的，因为它们已经在对他们来说是非常困难的低频区域达到了严格的车辆水平噪声目标。但是随着这种新的技术变化，由于使用了新的动力总成或电动机驱动器，噪声目标也从低频区域向中高频区域转移。本文详细介绍了乘用车内部使用的经典以及轻量化噪声控制声音包处理方法。还讨论了一些在中高频区域实现良好吸声的创新想法，还将为这些轻量化声学包处理的配置和设计提供一些信息，并使用Biot参数从吸声和传声损失方面预测声学性能。

介绍：在当前情况下，声音包装材料的设计和开发在车辆开发和制造过程中变得至关重要。车辆内部使用的经典隔音包装设计旨在减少动力总成噪声，而该动力总成噪声是低频区域中最主要的噪声源，在该区域中，大多数隔音包装材料由于其厚度设计而效果不佳。为了克服这个问题，声音包装处理可与其他声学材料结合使用，有时还可与EVA/EPDM/PVC等阻隔材料结合使用，以改善其NVH性能。由于大多数情况下这种做法，隔音包装的重量增加到超出隔音包装的预定重量目标，导致车辆行驶里程变差。现在，由于汽车制造工艺的技术进步，电动机取代了动力总成。在这种情况下，车辆的总体噪音水平将降低。这对于声音封装工程师来说是一个优势，因为不仅噪声目标降低了，而且噪声区域也转移到了中高频。由于噪声以及频率区域的这种变化，整个噪声频谱现在将出现在声音包装材料更有效的区域。除此之外，随着电动机替代传统的动力总成，诸如风噪声、轮胎/道路噪声、辅助系统噪声等次级噪声源将变得更加占主导地位。因此，现在NVH工程师必须处理多个噪声源并相应地设计隔音包装，以使噪声水平也应保持在定义的目标水平以下，同时，整个隔音包装处理的总重量也应保持在车辆定义的目标重量以下。因此，声学材料制造商也将面临制造低密度、自然友好的声学材料的挑战，因为隔音包装材料的密度在控制车辆的整体NVH性能方面同样发挥着巨大作用。本文不仅讨论了轻量化声音包装处理，而且还针对这些轻量化声音包装处理的总体设计过程提供了见解，这些处理过程使用固有的Biot参数针对车内各种应用的每一层。除此之外，本文还将就次级噪声源进行详尽的讨论，这些次级噪声源由于车辆驱动机制的变化以及在解决这些噪声源方面的创新轻量级噪声处理解决方案而在电动汽车中占主导地位。

『声学包装』混合动力到电动汽车：如今，现代汽车的性能因其NVH舒适性所被认可，这是因为在乘用车内部采用了声学包装处理，从而获得了认可。典型的柴油机/混合动力车辆由前围隔音垫组成，该隔音垫将发动机室和乘客室分隔开，同时，它还用作方向盘、制动器和隔断组件等通过橡胶密封圈的通道。取决于车辆类型，隔板包括厚实的层，其有助于改善柴油车辆中的前隔板绝缘体的传声性能。车辆地毯也起着类似的作用，减少了进入乘客舱内部的轮胎/道路噪音，并且根据车辆的不同，地毯也由厚重的层或其他屏障组成。下图显示了当今车辆中使用的各种声学包装处理的典型内部结构，以及类似的轻量化处理，这些处理可以在不久的将来被取代。

在电动汽车中，动力总成完全被电动机取代，这样直接降低了整车内部和外部噪音水平。而且，电动机的噪音非常低，以至于大多数声学包装处理都可以重新设计，或者用具有更好或更高声学性能的非常轻便的材料来代替。电动机的第二个优势是它们的噪声谱，该噪声谱大多落在中高频范围内，与相对于主要集中在低频的动力总成噪声谱相比，大多数当前的声学材料单独或组合使用时，它们的声学性能会更好。在这个区域中，声学包装材料由于其空间受限的厚度而无法提供预期的声学性能。为解决此问题，大多数时候，工程师不得不使用密度更高的声学包装材料，以及各种不同类型的吸声材料的排列和组合。隔音绝缘材料以匹配最终的声学性能，这也导致声学包装处理的总重量增加，并影响车辆的行驶里程。此外，大多数时候工程师都发现这项任务具有挑战性，因为有时由于车内较高的噪音水平，车内对吸声和隔音的性能都有双重要求。

比奥（BIOT）参数：声包装材料的声学性能取决于每一层的Biot参数。根据材料框架的类型；孔隙率、流阻率、曲折度和粘性/热特征长度形成了五个物理参数集，足以对刚性框架材料进行建模。对于柔性框架材料，需要五个物理固有参数以及密度。杨氏模量、泊松比和阻尼损耗因子是力学参数，对于弹性框架材料的建模，是需要密度和这些力学物理参数的。声学包装材料的特性研究需要专门的测试与分析仪器。在九个参数中，可以使用基于压力/质量法的仪器轻松测量孔隙率；使用符合ISO 9053-91/ASTM C522-03测试标准的流阻仪测量流阻率。曲折度以及粘性和热特征长度的测量需要超声测试装置，但成本较高。声学包装材料的力学特性可采用符合ISO18437-5标准的准静态力学测试与分析仪，该分析仪可以提供所有三个力学参数（杨氏模量、泊松比和阻尼损耗因子）的集合。另外，随着算法的丰富与成熟，逆算技术在材料特性表征中也变得越来越流行。

逆表征软件基于等效流体模型（Johnson-Champoux-Allard），该模型需要多孔材料的五个宏观内在参数进行数学建模。在Lafarge模型中，除了上述参数外，还需要一个参数。由于在较高频率下的散热效果，因此称之为热导率。在这两个模型中，假定材料的框架是刚性的，即是不动的，因此只有一个波可以通过材料传播。在较宽的频率范围上执行参数的反向表征。下面的示意图显示了孔隙率和流阻率测量所需的测试装置，以及用于逆向表征的流程图。

『轻量化声学包』前围隔音垫：前围隔音垫是燃油车和混合动力汽车不可或缺的一部分。它将发动机舱和乘客舱分开。它由钢板、不同类型的层以及隔断组成，具体取决于汽油或柴油车的类型。仪表板与钢板的厚度为20-25毫米。大多数前围隔音垫由EVA/EPDM之类的层组成，范围从2000-6000克/平方米，而隔断GSM从600到2000克/平方米开始。质量-弹簧-质量效应导致声音传输损耗增加18dB/Octave。前围隔音垫的设计从正确选择满足声学目标所需的层开始。下图显示了前围隔音垫不同配置对吸声和传声损耗水平的影响。结果模拟为1.2平方米的样本，以满足SAE J2883-小型混响室中的吸声系数以及ASTM C2249/ISO10140或ASTM E90-建筑隔断和元件的传声损耗的测量标准要求。下表给出了用于仿真的物理和力学参数，仿真软件基于众所周知的传递矩阵方法。

上图显示了本文讨论的不同前围隔音垫的分层结构。下图左显示了以EVA为阻隔的经典前围隔音垫的随机入射吸声系数，由于质量弹簧效应，该配置在低频区域显示了特定频率下的显著吸声，下图右中相同的配置提供了很好的声音传输损失，除了在低频区域，由于质量弹簧效应，声音传输损失有所减少。

第二个前围隔音垫配置是混合配置，其中声学性能通过前围隔音垫的重量补偿。在这种构造中，由于完整构造的多孔性质，吸收显著增加，同时降低了声音传输损失。上面提到的这两种配置由于其高噪声特征而被广泛用于ICV/HCV车辆。讨论的第三个前围隔音垫具有高AFR的多孔稀松布，使用该前围隔音垫可以使前隔板隔热层的总重量减少50％以上，从而获得与混合前围隔音垫相似的吸声和传输损耗。如下图左所示。

上图右显示了高AFR稀松布对吸声系数影响的仿真结果。在这种情况下，气流阻力从五万线性增加到二百五十万Ns/m⁴，AFR增加的效果如上图右所示。吸声系数的这种急剧增加是稀松布和软毡之间突然阻抗失配的影响。

总结：从这项研究中可以明显看出，有可能使用不同类型的ICH/HCV/EV声学层为车辆设计轻便的声学包装。本文使用了内前围隔音垫进行了讨论，但是类似的方法可以成功地应用于地毯、内衬里，它们将在电动汽车中起主要作用，因为胎噪将成为其中的主要噪声源。