汽车乘员舱多层吸声材料的多目标优化

    汽车车内噪声直接影响着消费者对汽车的总体印象和评价，过高的车内噪声会严重损害相关企业的产品形象，影响相关车企的声誉，车内噪声指标已逐步成为衡量乘用车乘坐舒适性的重要指标之一。而随着现代车辆车速的不断提高，气动噪声已成为高速车辆的主要噪声源之一，严重影响车内的声学环境。文献［1］表明，汽车表面脉动压力是气动噪声产生的源，脉动压力作用于车身壁板会诱发车窗、车门振动，向车内辐射噪声。

    为了降低壁板振动引起的车内噪声，需对车身壁板进行声学处理，如布置吸声材料等。同时，为降低汽车重量及生产成本，应优先采用降噪效率( 声压级降低幅度与材料重量之比) 、性价比( 声压级降低幅度与材料价格之比) 高的吸声材料。目前，国内外对汽车吸声材料的研究已取得了一系列有价值的成果。Tracey等［2］计算了内饰材料的声传递损失; Pan 等［3］提出了从内饰材料的初始阶段，对声学材料进行优化设计，使驾驶员耳旁噪声得到控制的同时，保证内饰降噪材料重量最小。陈鑫［4］对比了 11 个噪声控制方案对车身重量、声压级降低幅度及降噪效率的影响，并从中找出了驾驶员头部声腔噪声控制的最优方案; 高吉强等［5］研究了顶棚内饰与顶棚板件之间的空气空腔厚度及聚氨酯泡沫层的厚度对驾驶员头部声腔的声压级影响，得出了增加吸声材料的厚度可以减小车内噪声的声压级的结论。

    本文以人耳更敏感的车内高频噪声的特性与控制为研究对象，具体内容: 首先建立汽车统计能量分析( Statistical Energy Analysis，SEA) 模型，将仿真结果与试验对比，验证所建模型的可行性; 然后在乘员舱顶棚布置多层吸声材料，利用优化拉丁方法对多层材料的组合进行试验设计，通过 Kriging 方法对试验设计数据进行拟合，得到预测精度较高的近似模型; 最后采用NSGA － Ⅱ岛遗传算法对近似模型进行多目标优化，获得四层吸声材料的最优组合，降低了驾驶员耳旁处 A声级、汽车的整备质量及材料价格，提高了降噪效率和材料性价比，克服了传统优化方法耗时长、效率低的缺点。

    1 汽车 SEA 模型的建立及验证

    1. 1 SEA 模型的建立

    本文以某轿车为研究对象，根据统计能量分析原理及建模简化原则［6 －7］，建立 SEA 模型时可不必考虑结构的细节特征，故省略板件的凹槽、缝隙等细节及后视镜等附件。建立的整车 SEA 模型，共 51 个结构子系统和 4 个声腔子系统，如图 1 所示。

    根据每个子系统带宽内模态数 N 的多少，SEA 方法将研究对象的频率划分为低频段、中频段和高频段:① 当 N1 时，定义为低频段; ② 当 1 ＜ N ＜ 5 时，定义为中频段; ③ 当 N≥5 时，定义为高频段［8 －9］。本文所建立的汽车 SEA 各结构子系统带宽内的模态数如图 2所示。可以看出，在 315 ～ 5 000 Hz 频段，多数子系统的模态数均大于 5，符合统计能量方法的适用要求［8］。