汽車車內(nèi)風噪頻率特性的風洞試驗研究

楊健國，張思文，董國旭，姜 豪

（1.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 401120；2.長安汽車工程研究總院，重慶 401120）

近年來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，消費者對于汽車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）的要求越來越高，尤其是車內(nèi)噪聲方面的性能。汽車車內(nèi)噪聲主要包含發(fā)動機動力系統(tǒng)噪聲、汽車行駛產(chǎn)生的輪胎-路面噪聲和汽車高速行駛時產(chǎn)生的空氣動力噪聲（風噪聲）。當汽車以50～80 km/h行駛時，車內(nèi)噪聲主要由發(fā)動機動力系統(tǒng)噪聲與輪胎-路面噪聲產(chǎn)生。隨著車速不斷提高（車身速度超過80 km/h），風噪聲成為主要的噪聲源[1]。

20世紀90年代初，國內(nèi)外興起對空氣動力噪聲的研究。在我國，關于車內(nèi)氣動噪聲分析與測試的研究隨著2009年同濟大學風洞中心的投入使用才得到快速發(fā)展。王毅剛等[2]、徐鵬等[3]、劉龍貴等[4]、藍天等[5]利用仿真手段對汽車車身后視鏡、門把手等部件的氣動噪聲貢獻量進行了數(shù)值模擬分析。MENDONCA 等[6]和MORON等[7]對車內(nèi)噪聲的仿真方法做了研究和總結(jié)。OETTLE 等[8]通過試驗研究了貨車駕駛艙內(nèi)的噪聲特性。孫飛等[9]和黃麗那等[10]研究了車身密封部件對車內(nèi)風噪的影響規(guī)律。賀銀芝等[11]研究了某轎車車內(nèi)氣動噪聲空間分布、速度特性、密封系統(tǒng)及后視鏡對車內(nèi)噪聲貢獻量的規(guī)律。目前，氣動噪聲的理論研究在許多方面還不夠具體和細化，汽車空氣動力噪聲數(shù)值模擬分析與試驗相關性研究距離實際應用還有較大差距，尤其是與車內(nèi)風噪直接相關的汽車車身各主要部件對風噪的影響規(guī)律及頻率特性缺乏系統(tǒng)性的試驗研究。

本研究在分析汽車風噪產(chǎn)生機理的基礎上，以某品牌3款不同車型為研究對象：某5座SUV車型（1號）、某7座SUV車型（2號）和某轎車車型（3號），采用整車氣動聲學風洞的車內(nèi)風噪貢獻量分解試驗法，得到典型工況下汽車車身主要部件對車內(nèi)風噪貢獻量大小及頻率特性分布。利用統(tǒng)計手段總結(jié)汽車車身主要部件對車內(nèi)風噪的影響及整改方向。

1 風噪的來源

風噪的形式有脈動噪聲、氣吸噪聲、空腔噪聲和風振噪聲[12]。脈動噪聲是氣流流經(jīng)車身表面產(chǎn)生壓力波動而形成的噪聲，最易形成的區(qū)域為車身表面有斷差、過渡不平順的部位，如A柱、前風擋玻璃等。氣吸噪聲是車外噪聲透過車身縫隙傳遞到車內(nèi)的噪聲，形成和傳遞的區(qū)域主要是車身表面通向車內(nèi)的縫隙和車身密封出現(xiàn)問題的部位，如車門把手、車門玻璃夾條等?？涨辉肼暿菤饬鞔档杰嚿肀砻嫔系男】涨粫r產(chǎn)生的噪聲，主要產(chǎn)生區(qū)域為車門分縫位置、頂棚與擾流板分縫位置。風振噪聲是指汽車天窗或車窗打開時，車內(nèi)產(chǎn)生的強烈轟鳴聲，不作為本文研究內(nèi)容。

2 試驗方法與測試系統(tǒng)

2.1 試驗方法

本研究采用貢獻量分解法分析統(tǒng)計出車身各個部件車內(nèi)風噪的影響規(guī)律，具體是通過在車內(nèi)各個座椅頭枕左右位置分別布置測點，采集不同工況下車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)，測試時保證前后兩次測試工況只能有一個車身部件狀態(tài)有差異，然后運用Artemis軟件分析出每個工況下不同風速、不同測點的A計權(quán)聲壓級頻譜及語言清晰度（Articulation Index，AI）。最后，通過對不同車型的試驗結(jié)果，總結(jié)得出車身各個部件對車內(nèi)風噪的貢獻量大小及頻率特征規(guī)律。

2.2 車輛狀態(tài)與試驗工況

根據(jù)風噪產(chǎn)生機理與傳遞路徑，試驗開始前需對試驗車輛的車身主要部件進行必要處理，主要包括前擋風玻璃上部膠帶粘貼，頂棚與擾流板分縫縫隙膠帶封堵，外后視鏡蓋板一圈膠帶封堵，車門玻璃內(nèi)夾條密封膠封堵，車門玻璃尼槽密封膠封堵，車門密封條密封膠封堵，車門分縫縫隙膠帶封堵，車門把手膠帶粘貼，該狀態(tài)稱為全密封狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 試驗車輛及全密封狀態(tài)處理

試驗時，采用“開窗法”原則進行工況設置，工況1為基礎工況，即為全密封狀態(tài)，工況2至工況9為依次去除掉車身某個部位的膠帶或者密封膠。每個工況的測試風速分別為80 km/h、100 km/h、120 km/h，且偏航角均為0°。

2.3 測試系統(tǒng)與測點

試驗在同濟大學風洞中心整車氣動聲學風洞中進行，該風洞最大風速可達250 km/h，背景噪聲水平在160 km/h風速下低于61 dB(A)。

測試采用德國HEAD公司的噪聲與振動測試系統(tǒng)，具體包括HEAD DIC-24測試前端、Grass_46AE傳感器和Artemis 9分析軟件。試驗時，車內(nèi)每個座椅頭枕左右分別布置1個傳感器，用于采集車內(nèi)噪聲信號。為便于分析，將車內(nèi)測點定義為：左前排左/右耳測點分別以FLL/FLR表示；右前排左/右耳測點分別以FRL/FRR表示；左后排左/右耳測點分別以RLL/RLR表示；右后排左/右耳測點分別以RRL/RRR表示。

3 車內(nèi)噪聲測試結(jié)果及分析

3.1 車內(nèi)噪聲空間分布規(guī)律與頻率特性分析

為了盡量降低車身表面的設計段差、分縫縫隙、局部空腔等因素對研究車內(nèi)噪聲空間分布與頻譜特性的影響。選擇全密封狀態(tài)工況下的測試數(shù)據(jù)為分析對象，不同車型在風速為120 km/h，偏航角為0°時，乘員艙內(nèi)前排與后排乘員位置外耳噪聲頻譜如圖2所示。由圖可知，除2號車外，在頻率低于100 Hz時，后排聲壓級明顯高于前排，平均相差4 dB(A)；頻率高于2 000 Hz時，后排噪聲水平明顯高于前排，平均聲壓級相差3 dB(A)。

如圖2所示，乘員艙內(nèi)左右兩側(cè)外耳聲壓級頻譜曲線走勢及聲壓級大小基本一致，左右兩側(cè)車內(nèi)噪聲頻率特性相似。

圖2 1號、2號、3號車全密封狀態(tài)下各乘員位置外耳A計權(quán)頻譜圖（風速120 km/h、偏航角0°）

3.2 不同風速下車內(nèi)噪聲頻率特性分析

由3.1節(jié)的分析結(jié)論可知，車內(nèi)不同位置的噪聲聲壓級及頻譜具有對稱性，現(xiàn)選取前排左側(cè)外耳測點的測試數(shù)據(jù)為分析對象，不同車型在不同風速下噪聲大小及頻譜特性如圖3所示。同一車型在不同風速下，前排左側(cè)外耳聲壓級頻譜曲線走勢及峰值特征基本一致。不同車型前排左側(cè)外耳聲壓級大小有以下規(guī)律：風速100 km/h比風速80 km/h時，總聲壓級增加5 dB(A)；風速120 km/h比風速100 km/h時，總聲壓級增加4 dB(A)。

圖3 1號、2號、3號車全密封狀態(tài)下前排左側(cè)外耳位置A計權(quán)頻譜圖（不同風速、偏航角0°）

3.3 車身主要部件對車內(nèi)風噪貢獻量分析

由3.1節(jié)及3.2節(jié)的分析結(jié)論可知，不同車型的車內(nèi)風噪聲場具有對稱性，且隨著風速的線性變化，不同車型車內(nèi)相同位置的風噪頻率特性呈線性一致性變化趨勢。根據(jù)2.3節(jié)規(guī)定的工況，對不同車型車身的主要部件在相同測試條件下（左前排外耳、風速120 km/h、0°偏航角）車內(nèi)噪聲貢獻量的頻譜特性分布進行統(tǒng)計分析。AI[4]是描述在噪聲環(huán)境下說話清晰度的指標，用百分數(shù)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。通過對圖4、圖5、圖6不同車型在各工況下的A計權(quán)頻率特性進行分析，總結(jié)出不同車型車身的主要部件車內(nèi)風噪頻率特性及車內(nèi)AI貢獻量。AI貢獻量為正值，說明在去除該車身部位的膠帶或密封膠后車內(nèi)AI降低的量，見表1。貢獻量頻率段表示在去除該車身部位的膠帶或者密封膠后，車內(nèi)風噪A計權(quán)聲壓級增大的頻率范圍。

圖4 1號車各工況下A計權(quán)頻譜圖（偏航角0°、風速120 km/h、前排左側(cè)外耳）

圖5 2號車各工況下A計權(quán)頻譜圖（偏航角0°、風速120 km/h、前排左側(cè)外耳）

圖6 3號車各工況下A計權(quán)頻譜圖（偏航角0°、風速120 km/h、前排左側(cè)外耳）

如圖7所示，按照1號、2號、3號車身主要部件對車內(nèi)AI平均貢獻量的大小排序，不同車型車身各部件對車內(nèi)噪聲影響程度排名依次為：車門分縫縫隙、前風擋玻璃與頂棚段差、車門玻璃尼槽密封、后視鏡蓋板密封、車門玻璃內(nèi)夾條密封、車門密封條密封、頂棚與擾流板分縫縫隙、車門把手分縫縫隙。對應的主要影響頻率范圍見表1，分別為100～1 500 Hz、1 200～2 000 Hz、1 700～4 300 Hz、1 500～4 500 Hz、1 700～2 600 Hz、850～7 000 Hz、250～1 100 Hz、4 500～10 000 Hz。上述車身各部件中前風擋玻璃與頂棚段差處噪聲產(chǎn)生的原因，是由于高速氣流在經(jīng)過該區(qū)域時產(chǎn)生了分離，從而形成脈動聲源；頂棚與擾流板分縫縫隙和車門分縫縫隙處噪聲產(chǎn)生的原因，是由于頂棚與擾流板分縫區(qū)域、車門與側(cè)圍分縫區(qū)域、車門與車門分縫區(qū)域形成了不同尺寸的小空腔，這些空腔與車內(nèi)不相通，當氣流吹到這些空腔時即產(chǎn)生空腔噪聲；后視鏡蓋板密封、車門玻璃內(nèi)夾條密封、車門把手分縫縫隙、車門玻璃尼槽密封、車門密封條密封處噪聲產(chǎn)生的原因，均是由于在高風速下，車身內(nèi)外表面存在較大壓差，當這些區(qū)域的密封失效時，高速氣流便會穿過密封失效的部位，從而形成氣吸噪聲。其中有些特殊規(guī)律，例如1號、2號車型頂棚與擾流板分縫縫隙對車內(nèi)風噪貢獻量較大，而3號車型該部位沒有貢獻量，這是由于兩廂車在該區(qū)域由頂棚與擾流板及背門組成了一個半開口的不封閉空腔，當氣流流經(jīng)該部位縫隙時產(chǎn)生了較大的空腔噪聲。還有3號車型在車門把手分縫縫隙部位與車門密封條部位對車內(nèi)風噪均沒有明顯貢獻量，這與其它車型的規(guī)律不一致。

表1 車身主要部件車內(nèi)風噪貢獻量大小及頻率特性（偏航角0°、風速120 km/h）

圖7 1號、2號、3號車身主要部件車內(nèi)AI平均貢獻量大?。ㄆ浇?°、風速120 km/h、FLL）

3.4 車內(nèi)風噪問題整改方案效果驗證

根據(jù)3.3節(jié)的試驗結(jié)果分析，對1號車進行結(jié)構(gòu)解析，其主要存在以下問題：前風擋玻璃與頂棚過渡存在明顯高差，高速氣流在該區(qū)域分離，從而產(chǎn)生脈動聲源；車門外開手柄分縫縫隙未密封、車門玻璃內(nèi)夾條端部密封不良、車門玻璃尼槽接角密封不良，而在高風速下車身內(nèi)外表面存在較大壓差，使高速氣流通過這些區(qū)域時形成氣吸噪聲。對1號車以上幾個車身部位進行如圖8所示的處理：優(yōu)化前風擋玻璃密封條斷面，使前風擋玻璃與頂棚段差處平滑過渡，車門玻璃內(nèi)夾條端部密封加強，車門玻璃尼槽接角位置密封加強，車門把手分縫縫隙設計密封結(jié)構(gòu)。對處理后的1號車進行車內(nèi)風噪測試。1號車處理前、后車內(nèi)風噪頻譜對比結(jié)果如圖9所示。1號車處理后的車內(nèi)風噪在250～10 000 Hz頻率范圍內(nèi)有了明顯改善（AI改善6%），這與3.3節(jié)中總結(jié)的規(guī)律一致。

圖8 1號車風噪優(yōu)化方案

圖9 1號車處理前、后A計權(quán)頻譜圖（偏航角0°、風速120 km/h、前排左側(cè)外耳）

4 結(jié)論

（1）不同車型乘員艙內(nèi)聲壓級頻譜曲線呈對稱性，且趨勢及大小基本一致，在100 Hz以內(nèi)，后排平均聲壓級比前排高4 dB(A)；在2 000 Hz以上，后排平均聲壓級比前排低3 dB(A)。

（2）不同車型隨著風速的線性增加，車內(nèi)風噪頻率分布及大小也呈線性變化，風速100 km/h比風速80 km/h時，車內(nèi)總聲壓級增加5 dB(A)；風速120 km/h比風速100 km/h時，車內(nèi)總聲壓級增加4 dB(A)。

（3）不同車型車身主要部件對車內(nèi)風噪頻率影響范圍及貢獻量大小具有規(guī)律性，可為不同車型開發(fā)過程中解決風噪問題提供方向。

（4）試驗發(fā)現(xiàn)，車身主要部件對車內(nèi)風噪貢獻量頻率特性規(guī)律具有較強可靠性。