某SUV輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)研究

劉海軍，孫富強(qiáng)，吳 楊

(1. 河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北保定071002；2. 長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司，河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，河北保定071000)

0 引 言

高速行駛的汽車(chē)，氣流經(jīng)過(guò)車(chē)身表面突出物、車(chē)身不同部件之間的縫隙、凹凸不平處(如：輪罩區(qū)、A柱等)均會(huì)引起氣流分離，并產(chǎn)生湍流壓力脈動(dòng)作用于車(chē)身表面，成為外部主要?dú)鈩?dòng)噪聲源。車(chē)速超過(guò)100 km·h-1后，氣動(dòng)噪聲便成為影響車(chē)內(nèi)聲環(huán)境的主要因素，同時(shí)也會(huì)對(duì)車(chē)外產(chǎn)生噪聲污染，因此，控制氣動(dòng)噪聲重要性越發(fā)突顯。氣動(dòng)噪聲的理論研究與工程實(shí)際中的應(yīng)用還有一段距離，整車(chē)氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)壳耙恢笔茄芯繗鈩?dòng)噪聲的重要手段，且試驗(yàn)研究更加直觀和可靠。在試驗(yàn)研究中將平面波束形成聲陣列放置在氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞作為可視化和量化車(chē)外氣動(dòng)噪聲源，將A柱區(qū)域、后視鏡、門(mén)把手、輪罩區(qū)域和雨刮器等[1-4]，作為氣動(dòng)噪聲源產(chǎn)生的關(guān)鍵區(qū)域[5]進(jìn)行研究。外后視鏡產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)聲學(xué)環(huán)境影響比較大，Walker等[6]、Hartmann等[7]使用風(fēng)洞對(duì)汽車(chē)外后視鏡的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行研究，后視鏡是脈動(dòng)噪聲源的主要集中區(qū)，對(duì)車(chē)內(nèi)聲學(xué)環(huán)境影響較大。Terakado等[8]采用一種1:1尺度風(fēng)洞的新型湍流發(fā)生裝置，產(chǎn)生高達(dá)13%的湍流強(qiáng)度，對(duì)A柱的雨水槽產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了研究，雨水槽填平可以減少氣動(dòng)噪聲的壓力脈動(dòng)。文獻(xiàn)[9-11]中，賀銀芝等采用試驗(yàn)的方法研究了汽車(chē)密封性對(duì)車(chē)內(nèi)氣動(dòng)噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)泄漏噪聲以中高頻段為特征，對(duì)車(chē)內(nèi)總噪聲影響較大，在對(duì)汽車(chē)外部氣動(dòng)聲源與車(chē)內(nèi)噪聲的關(guān)聯(lián)性研究的過(guò)程中，得到后視鏡對(duì)車(chē)內(nèi)駕駛員的外耳影響較大，雨刮器及門(mén)把手對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲也有一定程度的貢獻(xiàn)。

隨著數(shù)值計(jì)算的迅速發(fā)展，汽車(chē)的氣動(dòng)噪聲的控制和優(yōu)化成為研究的重點(diǎn)[12-13]。劉海軍等[14]研究發(fā)現(xiàn)后視鏡的溝槽對(duì)噪聲源的產(chǎn)生具有較強(qiáng)的抑制作用。A柱區(qū)域在側(cè)風(fēng)條件下是氣動(dòng)噪聲貢獻(xiàn)較大的區(qū)域[15-16]。前人的研究主要集中在外后視鏡、雨刮器及門(mén)把手產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲影響，對(duì)輪罩區(qū)域關(guān)注較少，本文在整車(chē)氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)對(duì)輪罩區(qū)域的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)風(fēng)洞與模型

1.1 試驗(yàn)風(fēng)洞

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心整車(chē)氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞是3/4開(kāi)口回流式風(fēng)洞，其噴口面積為 27 m2，背景噪聲水平在160 km·h-1風(fēng)速下低于 61 dB(A)，是國(guó)際同類(lèi)風(fēng)洞中安靜度較高的風(fēng)洞之一，如圖1所示。試驗(yàn)最大風(fēng)速可達(dá) 250 km·h-1，測(cè)試時(shí)將試驗(yàn)車(chē)固定在風(fēng)洞駐室的試驗(yàn)段天平轉(zhuǎn)盤(pán)的中心位置。試驗(yàn)過(guò)程中風(fēng)洞邊界層抽吸及移動(dòng)帶系統(tǒng)關(guān)閉。環(huán)境溫度和濕度對(duì)空氣密度影響較大，進(jìn)而影響聲源的壓力脈動(dòng)，在試驗(yàn)過(guò)程中將溫度控制在室溫條件(22～24°)，相對(duì)濕度約為 36%～40%，環(huán)境氣壓約為 101.3～101.35 kPa。

圖1 上海整車(chē)氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞Fig.1 The aerodynamic acoustic wind tunnel in Shanghai

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂媚砈UV的試驗(yàn)(Experimental Test,ET)車(chē)型，車(chē)身表面縫隙、段差及空腔的密封，采用專(zhuān)用膠帶和工具進(jìn)行密封，保留車(chē)輛的原狀態(tài)，但不讓氣體進(jìn)入艙內(nèi)，讓車(chē)內(nèi)保持“安靜”狀態(tài)。為防止車(chē)外氣流直接進(jìn)入到成員艙內(nèi)，須將試驗(yàn)車(chē)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置為內(nèi)循環(huán)模式，并關(guān)閉。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試使用德國(guó) HEAD acoustics公司振動(dòng)與噪聲測(cè)量及分析系統(tǒng)。試驗(yàn)中由HMS Ⅲ 數(shù)字人工頭的雙耳接收信號(hào)，經(jīng)多通道數(shù)據(jù)采集前端SQlabIII，利用雙耳信號(hào)采集軟件HEAD Recorder，將信號(hào)采集并導(dǎo)入到LMS分析軟件進(jìn)行處理。

試驗(yàn)中側(cè)窗表面無(wú)面麥克風(fēng)，只將人工頭置于車(chē)內(nèi)主副駕駛和后排乘客位，測(cè)試信號(hào)線(xiàn)經(jīng)過(guò)后排座椅由行李箱引入風(fēng)洞天平轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)的接口盒，如圖2所示，再經(jīng)由天平基座接入測(cè)控室的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)布置Fig.2 Test system layout

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用“開(kāi)窗法”的原理來(lái)測(cè)試輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)量大小。為不讓氣流通過(guò)輪罩區(qū)域和輪輻，在測(cè)試過(guò)程中輪罩使用定做的輪罩區(qū)域體進(jìn)行填充，外面用聲學(xué)密封膠帶密封，膠帶須貼體無(wú)懸空和翹起，在測(cè)試過(guò)程中膠帶自身的影響可忽略不計(jì)，類(lèi)似氣流通過(guò)輪罩區(qū)域的通道“窗口”進(jìn)行關(guān)閉，即輪罩區(qū)域無(wú)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生，該狀態(tài)為安靜狀態(tài)。如圖3所示，為讓氣流通過(guò)輪罩區(qū)域和輪輻，需揭開(kāi)輪罩區(qū)域及輪輻處的密封膠帶，類(lèi)似于“開(kāi)窗”，輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生。兩種狀態(tài)下的車(chē)內(nèi)噪聲環(huán)境參數(shù)均要收集，兩種狀態(tài)下底盤(pán)對(duì)氣動(dòng)噪聲會(huì)有影響，但影響基本一致，且集中在中低頻。通過(guò)比對(duì)輪罩區(qū)域及輪輻有無(wú)密封的車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果，確定輪罩區(qū)域及輪輻對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量的相對(duì)大小。

圖3 汽車(chē)輪罩區(qū)域的密封處理Fig.3 Airtight treatment of vehicle wheelhouse area

2.3 試驗(yàn)工況

工況1為測(cè)試車(chē)輛外表面結(jié)合部的縫隙、溝槽、前后大燈、前后霧燈、進(jìn)氣格柵和輪罩區(qū)域及輪輻用密封膠帶進(jìn)行密封，空調(diào)調(diào)至內(nèi)循環(huán)，關(guān)閉并密封通風(fēng)口，車(chē)輛處于最安靜狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 車(chē)身外表面與輪罩區(qū)域密封(工況1)Fig.4 Airtight treatment of body surface and wheelhouse area of the vehicle (working condition 1)

工況2：應(yīng)用“開(kāi)窗法”在工況1全密封的基礎(chǔ)上拆除輪罩區(qū)域及輪輻的密封膠帶，如圖5所示。

圖5 拆除輪罩區(qū)域密封(工況2)Fig.5 Removing the seal on vehicle wheelhouse area(working condition 2)

測(cè)試條件：偏航角度為 0°，測(cè)試風(fēng)速分別為100、120、140 km·h-1。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 車(chē)速與車(chē)內(nèi)響應(yīng)特性

以工況2為基礎(chǔ)，氣流偏航角為0°的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，風(fēng)速分別為：100，120、140 km·h-1，測(cè)試圖6中主駕駛位和圖7中后排乘客駕駛位的外耳聲壓譜，此時(shí)只有風(fēng)速對(duì)輪罩區(qū)域噪聲產(chǎn)生的影響。兩圖車(chē)內(nèi)聲能量均隨著車(chē)速的增加而增加，隨著頻率的增加而下降。通過(guò)輪罩區(qū)域的氣流產(chǎn)生的噪聲源以偶極子和四極子噪聲源為主，產(chǎn)生的聲功率與車(chē)速呈現(xiàn)6～8次方的關(guān)系，這與圖6和圖7表現(xiàn)的規(guī)律基本一致。

圖6 工況2偏航角0°不同風(fēng)速主駕位外耳聲壓譜Fig.6 The sound pressure spectrums at driver ear under the yawing 0° and different wind velocities in working condition 2

圖7 工況2偏航角0°不同風(fēng)速后排位外耳聲壓譜Fig.7 The sound pressure spectrums at rear passenger ear under the yawing 0°and different wind velocities in working condition 2

車(chē)內(nèi)噪聲環(huán)境隨著車(chē)速的變化如圖8所示。車(chē)速在120 km·h-1以下，前后排乘客位聲壓級(jí)基本一樣，車(chē)速大于120 km·h-1時(shí)，對(duì)后排乘客位聲壓級(jí)的影響大于前排乘客位。氣流通過(guò)前輪罩區(qū)域和輪輻產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)沿著車(chē)身逐漸向后傳播，聲音在傳播過(guò)程中方向影響較大。

圖8 聲壓級(jí)與車(chē)速關(guān)系Fig.8 The relationship between the sound pressure level and the vehicle speed

車(chē)內(nèi)司乘人員不同位置的響度隨著車(chē)速的增大而增大，呈現(xiàn)出線(xiàn)性變化規(guī)律，如圖9所示。車(chē)速在120 km·h-1以下，前后排乘客位響度基本相同，在車(chē)速大于120 km·h-1時(shí)，對(duì)后排乘客位響度的影響大于前排乘客位，這個(gè)變化規(guī)律與車(chē)內(nèi)噪聲能量的變化規(guī)律基本一致。

圖9 響度與車(chē)速的關(guān)系Fig.9 The relationship between the loudness and the velocity speed

語(yǔ)言清晰度與車(chē)速關(guān)系如圖 10所示。不同頻率的噪聲源對(duì)語(yǔ)言清晰度影響權(quán)重不同，中低頻影響權(quán)重小，中高頻影響權(quán)重大。經(jīng)輪罩區(qū)域和輪輻的氣流發(fā)生脫落，形成不同尺寸的脫落渦，渦體破碎產(chǎn)生寬頻氣動(dòng)噪聲源，速度越大，高頻噪聲源增強(qiáng)，使語(yǔ)言清晰度變差。前輪罩區(qū)域和輪輻產(chǎn)生的中高頻噪聲沿著車(chē)身向后排傳播，故后排乘客位的聲品質(zhì)受車(chē)速的影響大于前排乘客位，這與圖 10呈現(xiàn)的規(guī)律一致。

圖10 語(yǔ)言清晰度與車(chē)速關(guān)系Fig.10 The relationship between the articulation index and the velocity speed

3.2 輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲對(duì)主駕駛位外耳影響的特性分析

工況1和工況2偏航角度均為0°，風(fēng)速分別為100、120、140 km·h-1。圖 11為不同工況和風(fēng)速下主駕駛位外耳的聲壓譜。頻率≤50 Hz時(shí)，拆除輪罩區(qū)域密封后對(duì)車(chē)內(nèi)主駕駛位外耳的噪聲環(huán)境起到改善作用，頻率≥50 Hz時(shí)，拆除輪罩區(qū)域密封使氣流流經(jīng)輪罩區(qū)域和輪輻產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲沿著氣流方向向后上方傳播，前排司乘人員位置幾乎與前輪罩區(qū)域產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲傳播方向垂直，受影響較小。

圖11 不同工況和風(fēng)速下主駕駛位外耳的聲壓譜Fig.11 The sound pressure spectrums at the front ear under different working conditions and wind velocities

3.3 輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲對(duì)后排外耳影響的特性分析

圖12為不同工況和風(fēng)速下后排外耳聲壓譜。工況1和工況2偏航角度均為0°，風(fēng)速分別為100、120、140 km·h-1時(shí)，拆除輪罩區(qū)域密封，經(jīng)前輪罩區(qū)域和輪輻的氣流產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲是寬頻階次性噪聲，輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲首先是氣動(dòng)噪聲，寬頻性是氣動(dòng)噪聲特點(diǎn)，階次性是由于輪輻的存在，使得氣動(dòng)噪聲中伴有一定階次性。沿著氣流方向傳播至后側(cè)窗區(qū)域，經(jīng)后側(cè)窗傳遞至后排乘客位，進(jìn)而影響后排噪聲環(huán)境，呈現(xiàn)出階次性，與前輪噪聲源一致。

圖12 不同工況和風(fēng)速下后排外耳聲壓譜Fig.12 The sound pressure spectrums at the rear ear under different Working conditions and wind velocities

為更好說(shuō)明輪罩區(qū)域氣動(dòng)聲源對(duì)車(chē)內(nèi)后排外耳響應(yīng)的影響，采用響度、語(yǔ)言清晰度和能量的貢獻(xiàn)量來(lái)描述，貢獻(xiàn)量是封輪罩區(qū)域的工況下對(duì)車(chē)內(nèi)后排響應(yīng)影響的物理量減去拆輪罩區(qū)域的工況下對(duì)車(chē)內(nèi)后排響應(yīng)的物理除以拆輪罩區(qū)域物理量的絕對(duì)值乘以100%。

車(chē)內(nèi)后排乘客位的響度貢獻(xiàn)量隨著車(chē)速的變化，呈線(xiàn)性變化規(guī)律，如圖13所示。

圖13 后排外耳響度貢獻(xiàn)隨車(chē)速的變化Fig.13 The relationship between the rear ear loudness and the vehicle speed

后排外耳語(yǔ)言清晰度隨車(chē)速的變化如圖 14所示。v≤120 km·h-1時(shí)，氣流經(jīng)前輪輻產(chǎn)生階次性噪聲源所對(duì)語(yǔ)言清晰度貢獻(xiàn)量較小，v≥120 km·h-1時(shí)，階次性噪聲源隨速度的增大而增多，對(duì)語(yǔ)言清晰度貢獻(xiàn)量增加。

圖14 后排外耳語(yǔ)言清晰度隨車(chē)速的變化Fig.14 The relationship between the rear articulation index and the vehicle speed

后排外耳能量貢獻(xiàn)隨車(chē)速的變化如圖15所示。v≤120 km·h-1時(shí)，經(jīng)前輪罩區(qū)域和輪輻的氣流形成的寬頻噪聲源，中低頻所占比重大，中低頻噪聲能量經(jīng)側(cè)窗傳遞至車(chē)內(nèi)衰減多，對(duì)車(chē)內(nèi)后排位噪聲環(huán)境貢獻(xiàn)量影響較小。v≥120 km·h-1時(shí)，寬頻噪聲源中，中高頻所占比重增大，中高頻噪聲能量經(jīng)側(cè)窗傳遞至車(chē)內(nèi)衰減量小，對(duì)后排位噪聲環(huán)境貢獻(xiàn)量影響大。

圖15 后排外耳能量貢獻(xiàn)隨車(chē)速的變化Fig.15 The relationship between the energy contribution and the vehicle speed

氣流經(jīng)輪罩區(qū)域和輪輻發(fā)生脫落，渦體破碎產(chǎn)生寬頻氣動(dòng)噪聲源，速度越大，高頻噪聲源增強(qiáng)，且有階次性，沿著氣流方向向后傳播，對(duì)后排乘客舒適性影響較大。頻率f＜500 Hz，三種車(chē)速下的影響較小，f≥500 Hz，影響較大，階次性較突出。三種車(chē)速均有各自的基礎(chǔ)頻率，階次性是在基礎(chǔ)頻率的基礎(chǔ)上的整數(shù)倍變化規(guī)律，基礎(chǔ)頻率公式和頻率階次公式為

式中：f0為基礎(chǔ)頻率；α為修正系數(shù)，該修正系數(shù)與輪輻數(shù)(輪輻數(shù)越多，系數(shù)越大)、車(chē)速等因素相關(guān)；vw為風(fēng)速；r為車(chē)輪半徑；n為階次，是正整數(shù)。

基礎(chǔ)頻率公式中的系數(shù)受車(chē)速的影響較大，圖16是式(1)中的修正系數(shù) α隨著車(chē)速的變化曲線(xiàn)。從圖 16中可看出，修正系數(shù)隨著車(chē)速的變化，呈現(xiàn)冪指數(shù)變化規(guī)律。

圖16 修正系數(shù)隨著車(chē)速變化曲線(xiàn)Fig.16 The relationship between the modifying coefficient and the vehicle speed

輪罩區(qū)域的氣動(dòng)噪聲的基礎(chǔ)頻率與車(chē)速相關(guān)，車(chē)速越高基礎(chǔ)頻率越大，試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到的基礎(chǔ)頻率與車(chē)速的變化規(guī)律一致，如圖 17所示，數(shù)值方法得到的結(jié)果與試驗(yàn)的結(jié)果誤差小于0.5%。

圖17 基礎(chǔ)頻率與車(chē)速關(guān)系Fig.17 The relationship between the base frequency and the vehicle speed

輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)后排位聲環(huán)境的影響具有階次性，采用階次頻率公式獲得的階次性與試驗(yàn)得到的階次性，如圖 18所示，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合非常好，誤差均小于1%。

圖18 試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算得到的頻率一階次曲線(xiàn)Fig.18 Curves of frequency versus rank obtained in experiment and numerical computation

由試驗(yàn)得到的輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲環(huán)境的影響的階次性，階次頻率隨著車(chē)速的變化，在階次n＜20時(shí)，變化較小，在n＞20時(shí)，變化較大，如圖19所示。

圖19 試驗(yàn)得到的頻率與階次變化曲線(xiàn)Fig.19 Curves of frequency vs rank in the experiment

采用式(1)中的階次頻率公式計(jì)算得到的輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲的階次性與車(chē)速的變化關(guān)系如圖 20所示，階次頻率隨著車(chē)速變化，在 n＜20時(shí)，變化較小，在n＞20時(shí)，變化較大。

圖20 數(shù)值計(jì)算得到的數(shù)值階次與頻率變化曲線(xiàn)Fig.20 Curves of frequency vs rank by numerical computation

通過(guò)改善經(jīng)輪罩區(qū)域和輪輻的氣流，讓氣流順暢通過(guò)輪罩區(qū)域和輪輻所減小產(chǎn)生的脫落渦，減少渦體破碎形成寬頻氣動(dòng)噪聲源，降低車(chē)內(nèi)后排位的噪聲環(huán)境，改善車(chē)內(nèi)后排位的聲品質(zhì)，提高后排乘客乘坐的舒適性。

該輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲控制技術(shù)，運(yùn)用基礎(chǔ)頻率和階次性頻率的公式，一定程度上可以改善后排座位噪聲環(huán)境，并提高后排乘客位的聲品質(zhì)。

4 結(jié) 論

采用試驗(yàn)與數(shù)值相結(jié)合的方法研究輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲環(huán)境的影響，得到的結(jié)論如下：

(1) 輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)前排乘客位的噪聲環(huán)境的影響較小，可以忽略此影響，而對(duì)后排乘客位噪聲環(huán)境影響較大，且主要集中在中高頻段的影響。

(2) 輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲對(duì)后排位乘客的聲學(xué)環(huán)境的影響具有階次性，在 20階次以上頻率對(duì)車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)影響較大。

(3) 試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算得到的基礎(chǔ)頻率均隨著車(chē)速的增大而增大，且兩者吻合較好，誤差小于0.5%，計(jì)算公式的修正系數(shù)α與車(chē)速呈冪指數(shù)變化規(guī)律。

(4) 運(yùn)用輪罩區(qū)域氣動(dòng)噪聲的控制技術(shù)，減小輪罩區(qū)域產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲源，改善了車(chē)內(nèi)的噪聲環(huán)境，提高了車(chē)內(nèi)的聲品質(zhì)。