利用聲學艙進行整車風噪性能開發(fā)的研究

姜 光，魏 偉，王連會，毛光軍

（吉利汽車研究院有限公司，浙江，寧波 315336）

汽車行駛時的主要噪聲組成有發(fā)動機和動力傳動系統(tǒng)噪聲、輪胎和路面噪聲以及風噪聲（即空氣動力噪聲）。當車速低于50 km/h時，發(fā)動機和動力系統(tǒng)噪聲為車內(nèi)噪聲的主要來源，當車速在50～100 km/h之間增加時，路面和輪胎噪聲逐漸成為車內(nèi)噪聲的主要來源。當車速達到100 km/h及以上時，隨著車速的增加，風噪聲越來越大，此時，風噪聲成為車內(nèi)噪聲的主要來源[1]。汽車高速行駛時的風噪聲直接影響著車內(nèi)乘客的駕乘感受，因此，消費者越來越關注汽車產(chǎn)品的風噪聲大小。

空氣動力噪聲的研究最早可以追溯到二戰(zhàn)前后，雖然經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，但氣動噪聲的理論研究還不夠成熟，在此情況下，整車風洞試驗成為研究氣動噪聲的主要手段之一[2-3]。

聲學艙是指在數(shù)據(jù)階段，試制車制作之前，按照1∶1比例完全體現(xiàn)造型數(shù)據(jù)的、用于評估和測試車內(nèi)風噪性能的油泥殼體模型。與氣動油泥模型不同，聲學艙主要用于風噪性能開發(fā)測試，它的前風擋和側窗均采用玻璃結構，內(nèi)部為可以布置人工頭和其它聲學測試設備的空腔。在整車風噪性能開發(fā)過程中，利用聲學艙可以在試制車制造之前驗證A柱、后視鏡等關鍵部件造型對風噪性能的影響，有助于提前規(guī)避風噪問題、減少開發(fā)成本。因此，聲學艙已成為國外很多主流車企進行整車風噪開發(fā)的重要手段。隨著國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，上汽、吉利等品牌陸續(xù)開始利用聲學艙進行整車風噪性能開發(fā)工作。

本文首先探討了新車型開發(fā)聲學艙的必要性和建設聲學艙的技術方法，然后通過某車型聲學艙風洞試驗，驗證了A柱飾條、后視鏡鏡柄、后視鏡底座、前風擋上部等部位造型對風噪性能的影響，為其它新車型的風噪開發(fā)前移工作提供了參考。

1 聲學艙是風噪開發(fā)工作前移的工具

1.1 風噪開發(fā)流程

整車風噪性能開發(fā)流程[4]如圖1所示。由圖可知，在新車型開發(fā)過程中，要減少因造型引起的風噪風險點，降低設變成本及設變難度，最好能夠在造型數(shù)據(jù)凍結前發(fā)現(xiàn)并規(guī)避風噪問題。

1.2 風噪開發(fā)前移工具

風噪性能測試是風噪性能開發(fā)的主要手段之一，受風噪性能測試特殊性的限制，大部分車型的風噪問題都是在項目進展的后期，接近量產(chǎn)時的樣車上發(fā)現(xiàn)的。后期排查、整改風噪問題不但設變困難、設變成本高，而且有可能會影響到產(chǎn)品按時投放市場，影響公司的經(jīng)營效益。因此，要避免后期風噪問題設變困難及設變成本高等問題的出現(xiàn)，風噪的開發(fā)測試工作需要前移。

風噪性能開發(fā)前移的工具主要有數(shù)據(jù)檢查、計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）仿真分析以及油泥模型風洞試驗。數(shù)據(jù)檢查工作主要是根據(jù)以往車型的開發(fā)經(jīng)驗對影響風噪性能的相關設計進行校核，旨在提前規(guī)避已有的風噪問題。CAE仿真工作主要有兩種方式，一種是通過計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真對整車表面氣流進行分析和優(yōu)化，另一種是通過氣動聲學仿真對車內(nèi)噪聲進行評估。油泥模型風洞試驗包括氣動油泥模型試驗和聲學艙試驗兩種。前者主要用于風阻測試、表面氣流分析等目的，目前已被國內(nèi)外主流車企廣泛采用；后者用于評估和測試車內(nèi)風噪性能，可以測試機艙蓋、A柱、雨刮、后視鏡等部位造型對車內(nèi)風噪的影響。由于制作成本、經(jīng)驗等因素，國內(nèi)利用聲學艙進行整車風噪性能開發(fā)的主機廠還在少數(shù)。

圖1 整車風噪性能開發(fā)流程

1.3 聲學艙的必要性

目前，國內(nèi)大部分汽車品牌前期風噪開發(fā)手段主要依賴數(shù)據(jù)檢查和CAE仿真兩種方式。數(shù)據(jù)檢查能夠規(guī)避一些常見風噪問題，但存在不能預測車內(nèi)風噪水平和無法評估車身造型對車內(nèi)風噪性能影響的缺點。CAE仿真對整車造型的氣動優(yōu)化有重要作用，但對整車風噪性能的計算尚未達到實用精度，只能對整車造型或車身較大的造型變化進行簡單的評估。因此，整車風噪性能評價只能依賴于樣車測試。

在整車風噪性能開發(fā)過程中，為了保證風噪性能達標，在屬性目標批準之前應對整車的風噪性能進行一定評估。對于上車體全新開發(fā)的車型，在沒有測試樣車的情況下，只能通過建造全尺寸聲學艙對車內(nèi)的風噪性能進行比較準確的評估。應用聲學艙進行風噪性能開發(fā)，可以把風噪性能測試工作前移6到9個月，在樣車試制完成前測試驗證機艙蓋、雨刮、A柱、后視鏡等部位造型對車內(nèi)風噪性能的影響，從而減少后期整改問題和重新開模的費用。

2 建造聲學艙的技術要求

相較于氣動油泥模型建造，聲學艙建造的技術難度更大、成本更高。聲學艙建造對車身外表面、內(nèi)飾、發(fā)動機艙、下車身、車身骨架、附件系統(tǒng)等都有一定的技術要求。

對于聲學艙底盤和車身骨架的建造，一般情況下可以尋找一款基礎車制作聲學艙底盤，并采用玻璃鋼制作車身骨架。在外飾方面，首先，要保證車身表面有足夠厚度的油泥，以便在測試過程中對A柱、后視鏡等局部造型進行優(yōu)化；其次，車身表面的油泥或零部件在聲學艙移動或風洞測試過程中不能發(fā)生脫落或松動；然后，需要考慮某些部件的可拆性，即在不破壞聲學艙表面造型和密封的情況下可以對雨刮、后視鏡等部件進行拆換；此外，還需要對機艙蓋、車門、天窗等部件或總成進行固定、密封等特殊處理。在內(nèi)飾方面，需要考慮的主要有內(nèi)部聲學處理和測試設備布置等問題。在發(fā)動機艙和附件系統(tǒng)方面，在選定材料后，便可進行相關零部件的制作。最后，對聲學艙的表面公差、各個系統(tǒng)或部件的裝配、聲學艙與實車的偏差等均需提出相應要求。

3 利用聲學艙進行某車型風噪性能開發(fā)

某SUV車型開發(fā)過程中，為防止數(shù)據(jù)凍結后出現(xiàn)難以更改的風噪問題，需要對A柱飾條、后視鏡、雨刮、機艙蓋等部位造型的風噪性能影響進行提前預測。在CAE仿真還不能準確計算具體造型細節(jié)對風噪性能的影響、數(shù)據(jù)檢查表無相關檢查條例的情況下，項目組決定利用聲學艙進行該車型的風噪性能開發(fā)工作。

3.1 A柱飾條對風噪性能的影響測試

由文獻[5]可知，A柱與前風窗之間較小的斷差、合理的A柱飾條設計，均有利于車內(nèi)風噪表現(xiàn)。在A柱相對前風擋玻璃的斷差較大的情況下，風噪開發(fā)工程師建議該車型兩側A柱增加A柱飾條設計。為推動風噪建議的實施，利用聲學艙風洞試驗驗證A柱飾條對車內(nèi)風噪性能的影響。如圖2所示，A柱飾條在400～1000 Hz之間對車內(nèi)風噪性能有明顯的改善作用，語音清晰度（Articulation Index，AI）改善1.2%。

圖2 A柱飾條對風噪性能的影響

在聲學艙風洞試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當A柱飾條頂部相對于前風擋玻璃有一定起翹角時（圖3）， A柱飾條對風噪性能的影響是消極的，當A柱飾條頂部近似平行于前風擋玻璃時，A柱飾條對風噪性能改善起到積極的作用。

圖3 A柱飾條頂部與前風擋玻璃的位置關系

3.2 后視鏡對風噪性能的影響測試

后視鏡是前排主要外部噪聲源之一，后視鏡表面造型、鏡柄造型以及底座造型對后視鏡區(qū)域風噪聲均有較大影響。鑒于已開發(fā)車型中經(jīng)常出現(xiàn)后視鏡風噪大無法整改的問題，項目組決定將后視鏡開發(fā)工作前移，利用聲學艙驗證該車型后視鏡造型對風噪性能的影響。

圖4～6分別是后視鏡鏡柄上表面造型、后視鏡底座后沿造型、后視鏡整體造型對風噪性能影響的測試數(shù)據(jù)。由測試數(shù)據(jù)可知，后視鏡鏡柄刮平（圖7）、后視鏡底座后沿斜切（圖8）對風噪性能改善均有積極作用，AI分別提升1%和1.8%；去掉后視鏡（圖9）AI提升2.6%。

圖4 后視鏡鏡柄造型對風噪性能的影響

圖5 后視鏡底座后沿造型對風噪性能的影響

圖6 去除后視鏡對風噪性能的影響

圖7 后視鏡鏡柄刮平

圖8 后視鏡底座后沿斜切

圖9 去除后視鏡

3.3 前風擋上沿哨音問題測試

利用聲學艙風洞試驗，不僅可以評估各部位外造型對風噪性能的影響，還可以提前驗證進氣格柵、后視鏡等區(qū)域是否存在哨音問題。在聲學艙風洞試驗過程中，發(fā)現(xiàn)該車型前風擋上沿存在輕微的哨音問題，圖10為前風擋上沿貼膠帶前后的測試數(shù)據(jù)。

圖10 前風擋上沿對風噪性能的影響

3.4 聲學艙油滴試驗

由文獻[6]可知，車輛外表面如果發(fā)生氣流分離，則容易在分離區(qū)域產(chǎn)生較大的氣動噪聲。在聲學艙風洞測試的同時，可以通過油滴試驗觀察機艙蓋、前風擋、A柱、后視鏡等部位的氣流走向，預測是否存在氣流分離現(xiàn)象，從而對相關部位的造型優(yōu)化提供參考。圖11～13是該車型機艙蓋、A柱、后視鏡等區(qū)域的油滴試驗示意圖。由圖可知，A柱、后視鏡表面氣流并無明顯脫體現(xiàn)象，滿足風噪設計要求，而機艙蓋表面存在兩處脫體現(xiàn)象，可以通過刮油泥的方式優(yōu)化機艙蓋表面相關區(qū)域的造型。

圖11 機艙蓋油滴試驗

圖12 A柱油滴試驗

圖13 后視鏡油滴試驗

4 結論

利用聲學艙風洞測試，不僅可以在數(shù)據(jù)凍結前驗證A柱飾條、后視鏡等部位造型對車內(nèi)風噪性能的影響，還可以提前發(fā)現(xiàn)哨音等異響問題。利用聲學艙油滴試驗，可以預測機艙蓋、A柱、后視鏡等區(qū)域是否存在氣流脫體現(xiàn)象，為相關區(qū)域造型優(yōu)化提供參考。研究表明，利用聲學艙進行整車風噪性能開發(fā)，可以將A柱、后視鏡等關鍵部位的風噪性能測試提前6到9個月，對提前規(guī)避風噪問題、減少設變成本和周期具有重要意義。