某SUV車內(nèi)氣動噪聲特性風(fēng)洞試驗研究?

王亓良，陳 鑫，林清龍，魏洪楨，黃秋萍，張英朝

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.東南(福建)汽車工業(yè)有限公司汽車研究院，福州 350119)

前言

隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，以及人們生活水平的提高，消費者對汽車乘員舒適性的要求越來越高。而道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的完善和汽車安全的發(fā)展，必然使汽車的行駛速度越來越快，而氣動噪聲作為舒適性的一個重要指標(biāo)，在汽車高速行駛過程中越發(fā)凸顯出來。

目前國內(nèi)主機廠和各高校對氣動噪聲的研究還處于起步階段，特別是對于車內(nèi)氣動噪聲的研究還比較少。文獻[1]～文獻[3]中分別通過仿真和試驗研究了A柱和后視鏡等主要突出部件對車外氣動噪聲的影響規(guī)律和控制方法，文獻[4]和文獻[5]中對車內(nèi)噪聲的仿真方法做了研究和總結(jié)，文獻[6]中通過試驗研究了貨車駕駛艙內(nèi)的噪聲特性，文獻[7]和文獻[8]中通過試驗初步探究了某三廂轎車車內(nèi)氣動噪聲的規(guī)律，并針對車身密封性對車內(nèi)噪聲的貢獻做了研究。而目前隨著國產(chǎn)SUV品質(zhì)的提高，該車型逐漸成為年輕消費者的首選車型。由于前人對車內(nèi)氣動噪聲的分布規(guī)律和頻率特性等研究還不完善，且針對車內(nèi)氣動噪聲的改進方向和方法仍需進一步探究，本文中采用風(fēng)洞試驗的方法對某SUV車型的車內(nèi)氣動噪聲進行研究，分析車內(nèi)氣動噪聲的組成，并總結(jié)車內(nèi)氣動噪聲的空間分布規(guī)律和頻率特性，且考慮了側(cè)風(fēng)和風(fēng)速對車內(nèi)噪聲的影響，考察了后視鏡、車門密封條和車身鈑金件等部件對車內(nèi)噪聲水平的貢獻，提出一系列改進方向與方法，所得結(jié)論對乘用車的車身NVH開發(fā)和汽車造型設(shè)計提供一定的借鑒和參考，具有實際意義。

1 風(fēng)洞及噪聲測試設(shè)備

1.1 試驗風(fēng)洞

本試驗在吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞[9]實驗室進行(圖1)。該風(fēng)洞實驗室本體結(jié)構(gòu)為低速回流開式汽車風(fēng)洞，試驗段噴口截面為2.2m×4m的切角矩形，試驗段尺寸為8m(長)×4m(寬)×2.2m(高)，試驗最高風(fēng)速為60m/s，風(fēng)扇電機功率為1 000kW。風(fēng)洞試驗段采用了先進的邊界層控制方法，并配備了專業(yè)的移動帶地面效應(yīng)模擬系統(tǒng)。風(fēng)洞建設(shè)過程中采用了多項降噪技術(shù)和措施，獲得多項風(fēng)洞降噪專利授權(quán)[5]，滿足低噪聲汽車風(fēng)洞的要求。

圖1 吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞試驗段(左圖)和全密封的汽車布置于風(fēng)洞中(右圖)

1.2 噪聲測試設(shè)備

噪聲測試采用LMS公司的噪聲測試設(shè)備(圖2)，集成Test.Lab 13A試驗分析軟件與SCADAS III高速數(shù)據(jù)采集前端，傳聲器采用GRAS公司的1/4英寸聲學(xué)傳感器與前置放大器。

圖2 噪聲測試設(shè)備與傳聲器

2 試驗工況與評價方法

2.1 試驗工況

工況1為基礎(chǔ)工況，汽車處于自然狀態(tài)(整個車身沒有密封)，偏航角為0°，試驗風(fēng)速為120km/h，分析車內(nèi)噪聲的空間分布規(guī)律和頻率特性。

工況 2，在工況 1 的基礎(chǔ)上，在 60，80，100，120，140和150km/h的試驗風(fēng)速，分析車內(nèi)噪聲的速度特性與頻率特性。

工況3，在工況 1 的基礎(chǔ)上，在-10°～10°(俯視圖中逆時針轉(zhuǎn)為正)范圍內(nèi)改變汽車偏航角，間隔2.5°，分析汽車偏航角對車內(nèi)噪聲的影響，即汽車行駛過程中有側(cè)風(fēng)時車內(nèi)噪聲的變化規(guī)律。

工況 4，在工況 1的基礎(chǔ)上，采用單層厚度250μm的優(yōu)質(zhì)布基膠帶，密封整車外側(cè)各部件連接縫隙和各車身動態(tài)密封處，以減小密封處由車內(nèi)外氣流流動產(chǎn)生的泄漏噪聲，因膠帶厚度較薄而具有較低的傳聲損失，對外形噪聲影響較小，故可認(rèn)為該工況車內(nèi)噪聲是排除泄漏噪聲后的汽車外形噪聲。結(jié)合工況1結(jié)果，即可利用聲壓級減法獲得泄漏噪聲的聲壓級頻譜。根據(jù)結(jié)果分析車內(nèi)噪聲的構(gòu)成，即車身外形和泄漏噪聲對車內(nèi)噪聲的貢獻和頻率特性。

工況5，在工況4的基礎(chǔ)上，單獨去除車身某部分的密封或單獨去除某個部件，可將在此工況前后的車內(nèi)語音清晰度差值視為該方案的語音清晰度貢獻量，依次研究車身各部分密封和部件造型對車內(nèi)噪聲的貢獻和各自的頻率特性。

2.2 評價方法

語音清晰度(articulation index，AI)[10]是描述在噪聲環(huán)境下說話清晰度的指標(biāo)，用百分?jǐn)?shù)來表示:100%表示說話可以完全聽清楚，0表示說話完全聽不清楚。其計算公式為

式中:UL(f)和LL(f)分別為上限和下限噪聲值；H(f)為說話聲音信號；W(f)為計權(quán)系數(shù)，由于人說話和聽力均與頻率有關(guān)，該計權(quán)系數(shù)只考慮頻率200～6 300Hz范圍內(nèi)的噪聲；D(f)為系數(shù)，由噪聲值N(f)、上限值和下限值確定。

3 試驗結(jié)果分析

在進行噪聲測試時，風(fēng)洞本身的背景噪聲對測試結(jié)果有很大影響，要嚴(yán)格控制背景噪聲，以最大限度地保證試驗結(jié)果的真實性。GB1495—2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》[11]中，要求背景噪聲A計權(quán)聲壓級至少要比汽車噪聲低10dB。經(jīng)過測量，本試驗中風(fēng)洞背景噪聲比試驗中所測風(fēng)噪聲低20dB(A)以上，滿足測試要求，風(fēng)洞背景噪聲如圖3所示。

圖3 風(fēng)洞背景噪聲

3.1 車內(nèi)噪聲的空間分布規(guī)律與頻率特性

汽車在自然狀態(tài)下，即車身無密封，試驗風(fēng)速為120km/h，偏航角為0°時，乘員艙內(nèi)4個乘員位置外耳噪聲頻譜如圖4所示。由圖可見:在頻率低于200Hz時，后排噪聲水平明顯高于前排，噪聲聲壓級平均相差2dB(A)；而頻率在500Hz以上時，前排噪聲水平明顯高于后排，平均相差3dB(A)，且前排噪聲聲壓級在頻率2 000Hz處存在峰值。根據(jù)文獻[7]，200Hz以下的低頻噪聲主要是由于汽車外部瞬態(tài)壓力脈動激勵車身板件和車窗玻璃等引起的，而2 000Hz以上噪聲主要來源于車身密封性引起的泄漏噪聲。由此可以認(rèn)為，車內(nèi)噪聲中，由于前排座椅靠近B柱，同時受到前后兩車門產(chǎn)生的泄漏噪聲影響，且靠近后視鏡尾流區(qū)，壓力脈動較大，所以前排噪聲由泄漏噪聲主導(dǎo)，主要分布在500Hz以上的中高頻，且在2 000Hz頻率聲壓級存在峰值；而后排位于后車門后方，靠近尾門，汽車尾部產(chǎn)生的渦流激勵尾門玻璃和尾門板件產(chǎn)生的外形噪聲占主要部分，主要分布在200Hz以下的低頻范圍內(nèi)。如圖5所示，車身全密封狀態(tài)下，由于泄漏噪聲被排除，在500Hz以上，前排的聲壓級明顯降低。且由于密封狀態(tài)下，對外形噪聲幾乎不改變，200Hz以下后排噪聲依然較高，也驗證了之前的結(jié)論。

圖4 自然狀態(tài)(車身無密封，風(fēng)速為120km/h，偏航角為0°)各乘員位置外耳噪聲A計權(quán)頻譜圖

圖5 全密封狀態(tài)(車身全密封，風(fēng)速為120km/h，偏航角為0°)各乘員位置外耳噪聲A計權(quán)頻譜圖

如上述頻譜圖中所示，乘員艙內(nèi)左右兩側(cè)乘員外耳聲壓級頻譜曲線走勢及聲壓級大小大體一致，即左右兩側(cè)人耳噪聲頻率特性相似。且從圖6中可見，前、后排座椅左右兩側(cè)人耳的A計權(quán)總聲壓級大體相等，由于試驗車輛左右兩側(cè)車窗密封性不完全相同，使右側(cè)噪聲聲壓級曲線在大約2 000Hz的頻率附近略高于左側(cè)，同時使右側(cè)語音清晰度降低約5個百分點；且容易發(fā)現(xiàn)前排噪聲總聲壓級高于后排約1dB(A)，這是由于車內(nèi)噪聲中，泄漏噪聲占據(jù)了主要部分。為了簡化，此后以前排左側(cè)外耳噪聲作為試驗中噪聲分析的參考點。

圖6 自然狀態(tài)(車身無密封，風(fēng)速為120km/h，偏航角為0°)各乘員位置外耳A計權(quán)總聲壓級與語音清晰度

3.2 車內(nèi)噪聲的速度特性分析

工況2的測試結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7可見:10 000Hz以下頻率范圍內(nèi)，不同風(fēng)速下前排左側(cè)外耳的聲壓級曲線走勢大體一致，且由于泄漏噪聲的存在，使得在800Hz頻率處均存在聲壓級峰值；頻率超過1 000Hz以后，不同風(fēng)速的聲壓級有趨同傾向，即隨著頻率的升高，聲壓級曲線逐漸靠攏，差異逐漸縮小，頻率到5 000Hz以上時，不同風(fēng)速的聲壓級變化很小。另外，風(fēng)速為60km/h的工況下，聲壓級頻譜中的聲能量主要由頻率在200Hz以上的中高頻噪聲產(chǎn)生，而隨著風(fēng)速的增加，中低頻噪聲的聲能量貢獻開始增加，高頻噪聲在整個頻譜中的聲能量占比越來越小，直至風(fēng)速為150km/h時，聲壓級頻譜中的聲能量主要由3 000Hz以下的噪聲貢獻，可能是由于風(fēng)洞開啟時風(fēng)機本身在高頻段產(chǎn)生的背景噪聲造成的，當(dāng)風(fēng)速在120km/h以上時，5 000Hz以上高頻噪聲的聲能量貢獻較低，背景噪聲影響較小。由圖8可見，車內(nèi)噪聲水平隨風(fēng)速增加幾乎呈線性遞增，且風(fēng)速每提高20km/h，前排左側(cè)外耳總聲壓級增加約4dB(A)，車內(nèi)語音清晰度降低約10個百分點。

圖7 偏航角為0°，車身無密封，不同風(fēng)速下前排左側(cè)外耳A計權(quán)噪聲頻譜

圖8 偏航角為0°，車身無密封，不同風(fēng)速下前排左側(cè)外耳A計權(quán)噪聲總聲壓級

3.3 側(cè)風(fēng)對車內(nèi)噪聲的影響

工況3的測試結(jié)果如圖9和圖10所示。當(dāng)偏航角為正時，隨著偏航角度由0°增加至10°，前排乘員位置噪聲水平呈遞增趨勢，其中前排左側(cè)變化明顯，總聲壓級增加約3.1dB(A)，語音清晰度降低約10.3個百分點，而前排右側(cè)變化微弱。這是由于當(dāng)偏航角為正時，側(cè)風(fēng)來自于正對汽車行駛方向的右側(cè)，前排左側(cè)窗處于背風(fēng)側(cè)，氣流分離程度的增加使得側(cè)窗非穩(wěn)態(tài)壓力脈動更加劇烈，從而增加了駕駛位車內(nèi)噪聲水平，同時語音清晰度降低。而前排右側(cè)由于距離左側(cè)風(fēng)窗噪聲源位置較遠(yuǎn)而受其影響小，噪聲水平變化不大。當(dāng)偏航角為負(fù)，即側(cè)風(fēng)方向來自車身左側(cè)時，由于前排右側(cè)座椅處于背風(fēng)側(cè)，噪聲總聲壓級對風(fēng)速增加而明顯增大約0.8dB(A)，而前排左側(cè)遠(yuǎn)離噪聲源位置而噪聲變化不明顯，這與偏航角為正時的規(guī)律相同。由于偏航角為正時，車身右側(cè)試驗段墻壁對流場有輕微阻塞，此時噪聲水平變化幅度較小。不同偏航角下的噪聲頻譜如圖11所示。由圖可見，幾乎在整個頻率段內(nèi)的噪聲都隨偏航角增加而變大，即包括形狀噪聲和泄漏噪聲在內(nèi)的聲壓級都有所上升。這一方面由于壓力脈動程度的增加，使車窗玻璃和門板等部件振動更加明顯，引起外形噪聲的增加；另一方面，強烈的壓力脈動使汽車內(nèi)外壓差變大，引起泄漏噪聲增加。

圖9 偏航角為正時，前排左(上圖)右(下圖)兩側(cè)噪聲A計權(quán)總聲壓級與語音清晰度

圖10 偏航角為負(fù)時，前排左(上圖)右(下圖)兩側(cè)噪聲A計權(quán)總聲壓級與語音清晰度

圖11 車身無密封，風(fēng)速為120km/h，正偏航角左前(上圖)與負(fù)偏航角右前(下圖)A計權(quán)1/3倍頻程頻譜

3.4 車內(nèi)氣動噪聲的組成

根據(jù)上述試驗結(jié)果整理得到風(fēng)速120km/h、偏航角0°條件下車內(nèi)總噪聲及其成分外形噪聲和泄漏噪聲聲壓級頻譜，如圖12所示(此后的數(shù)據(jù)，試驗條件同此)。由圖可見:300Hz以下的低頻段，外形噪聲大得多，平均相差約5dB(A)；頻率高于300Hz后泄漏噪聲開始占車內(nèi)總噪聲主導(dǎo)地位，且除約800Hz處的聲壓級峰值外，在2 000Hz處還出現(xiàn)一個次峰；車內(nèi)語音清晰度關(guān)注的頻率為200-6 300Hz，而由車身密封不良引起的泄漏噪聲主要分布在300～3 000Hz之間，是車內(nèi)噪聲改進的重點。車內(nèi)總噪聲的總聲壓級為68.1dB(A)，其中外形噪聲為64.4dB(A)，泄漏噪聲為65.7dB(A)，泄漏噪聲總聲壓級比外形噪聲高約1.3dB(A)，需要重點改進。

圖12 前排左側(cè)A計權(quán)1/3倍頻程頻譜圖

3.5 不同部分對車內(nèi)噪聲的貢獻與改進方向研究

圖13 車身部分測試位置示意圖

表1 車身不同部分對車內(nèi)語音清晰度的貢獻

根據(jù)工況5(部分工況位置如圖13所示)的測試得到車身各部分密封和部件對車內(nèi)噪聲的貢獻量，如表1所示，負(fù)值表示語音清晰度降低。結(jié)果表明:門外縫隙產(chǎn)生的空腔噪聲對車內(nèi)語音清晰度貢獻量最大，約5.41個百分點，但由于門縫大小與裝配和加工工藝的精度相關(guān)，其改進性價比較低；門內(nèi)密封(使用具有一定傳聲損失的密封膠)后，在頻率300～5000Hz范圍內(nèi)聲壓級明顯升高，平均增高3.6dB(A)(圖14)，對前后排語音清晰度的最大貢獻量分別為15.06個百分點和6.01個百分點，即車門密封襯條的隔聲特性還有較大改進空間；前門B柱玻璃導(dǎo)槽密封對車內(nèi)語音清晰度最大貢獻量為1.88個百分點，建議添加密封條以增加玻璃貼合度；拆除后視鏡之后，車內(nèi)噪聲明顯降低，聲壓級平均降低1.7dB(A)(圖15)，后視鏡對車內(nèi)語音清晰度貢獻量最大約為5.31個百分點，需要對后視鏡從泄漏和造型兩個方面進行改進；整個外開門把手密封對車內(nèi)語音清晰度貢獻量最大為9.09個百分點，而其中門把手與飾蓋間的縫隙貢獻量最大為5.1個百分點，說明門把手的主要改進方向為泄漏點的查找和補漏；其他位置，包括前風(fēng)窗玻璃兩側(cè)密封、A柱與前擋段差、雨刮器、發(fā)動機蓋前緣縫隙等對車內(nèi)噪聲影響均不大，不作為改進重點。

圖14 有無后視鏡時A計權(quán)1/3倍頻程頻譜圖

圖15 有無門內(nèi)密封時A計權(quán)1/3倍頻程頻譜圖

3.6 噪聲改進方案研究與試驗驗證

在3.5節(jié)噪聲改進方向研究的基礎(chǔ)上，分別對左側(cè)后視鏡、車身鈑金件和襯條等部位進行改進，部分方案和試驗結(jié)果分別如圖16、圖17和表2中所示。在后視鏡全密封的基礎(chǔ)上，分別開啟后視鏡轉(zhuǎn)軸縫隙、螺栓孔和漏水孔處的密封，結(jié)果表明這3處泄漏對車內(nèi)噪聲均有明顯貢獻，因此采用泡棉封堵氣流通過后視鏡與乘員艙的唯一路徑即線束穿孔，大大降低了后視鏡的泄漏噪聲，車內(nèi)語音清晰度提高1.79個百分點；對于后視鏡的造型，采用后視鏡前側(cè)距側(cè)窗平面45mm、后側(cè)距側(cè)窗平面60mm的喇叭口新造型，試驗證明在此尺寸以上能夠使后視鏡尾流區(qū)遠(yuǎn)離側(cè)窗表面而減小車內(nèi)噪聲，同時采用較薄的后視鏡支撐柄，車內(nèi)語音清晰度改善了2.34個百分點；關(guān)于車身鈑金件，分別在頂棚、四門和翼子板鈑金件內(nèi)側(cè)加貼阻尼片進行補強，車內(nèi)語音清晰度分別改善了3.21，1.46和0.15個百分點(誤差范圍內(nèi))，即面積較大的鈑金件越容易發(fā)生振動及變形而產(chǎn)生噪聲，需要進行補強；至于四門襯條，則分別換用了改軟和改硬的兩款襯條，對車內(nèi)噪聲均無改善，即襯條的硬度對車內(nèi)噪聲無明顯效果，根據(jù)車內(nèi)試驗人員的主觀感受，建議對A柱附近的襯條進行局部補強，以改善車內(nèi)噪聲。

圖16 后視鏡部分改進方案示意圖

圖17 車身部分改進方案示意圖

表2 改進方案對語音清晰度的貢獻

4 結(jié)論

(1)車內(nèi)氣動噪聲主要由泄漏噪聲與外形噪聲組成。由密封不嚴(yán)引起的泄漏噪聲，在 300-3 000Hz的中高頻范圍內(nèi)主導(dǎo)車內(nèi)噪聲，且在2 000Hz處聲壓級存在峰值。

(2)空間上車內(nèi)噪聲水平左右對稱分布，前排高于后排約1dB(A)。由于前排靠近B柱，受前后兩車門泄漏影響，且靠近后視鏡，導(dǎo)致前排泄漏噪聲大于后排；后排處于后車門后方，密封性好，而汽車尾渦激勵尾門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的外形噪聲貢獻較大，使得后排外形噪聲高于前排。

(3)在不同風(fēng)速下，車內(nèi)噪聲頻譜具有相似的頻率特性，車內(nèi)噪聲水平隨風(fēng)速增加呈線性遞增，且風(fēng)速每提高20km/h，總聲壓級增加約4dB(A)，語音清晰度降低約10個百分點。

(4)隨著偏航角度增加，處于背風(fēng)側(cè)的部位，由于氣流分離變大而噪聲逐漸增加，整個頻率段的聲壓級最大增加約3.1dB(A)，語音清晰度降低約10.3個百分點；而迎風(fēng)側(cè)由于遠(yuǎn)離聲源位置，風(fēng)噪變化微弱。

(5)試驗發(fā)現(xiàn)，襯條硬度對其隔聲性能無明顯影響，建議對A柱附近襯條進行局部補強；后視鏡轉(zhuǎn)軸縫隙、螺栓孔、漏水孔處存在泄漏，通過泡棉封堵線束穿孔有效降低后視鏡泄漏噪聲；新造型后視鏡采用喇叭口造型和減薄的鏡柄，降低了后視鏡外形噪聲；在頂棚和四門鈑金件加貼阻尼片補強，有效降低車內(nèi)噪聲，且面積較大的鈑金件加貼阻尼片改進的效果更好。